Nei suoi sviluppi, Huawei fa affidamento sul Wi-Fi 6. E le domande di colleghi e clienti sulla nuova generazione dello standard ci hanno spinto a scrivere un post sui fondamenti teorici e sui principi fisici in esso incorporati. Passiamo dalla storia alla fisica e vediamo nel dettaglio perché sono necessarie le tecnologie OFDMA e MU-MIMO. Parliamo anche di come un mezzo fisico di trasmissione dei dati radicalmente riprogettato abbia permesso di ottenere una capacità di canale garantita e una tale riduzione del livello complessivo dei ritardi da diventare paragonabili a quelli di un operatore. E questo nonostante il fatto che le moderne reti basate sul 5G siano più costose (in media 20-30 volte) rispetto alle reti Wi-Fi 6 indoor con funzionalità simili.
Per Huawei l'argomento non è affatto inattivo: le soluzioni che supportano il Wi-Fi 6 sono tra i nostri prodotti più innovativi nel 2020, nei quali sono state investite enormi risorse. Facciamo solo un esempio: la ricerca nel campo della scienza dei materiali ha permesso di selezionare una lega il cui utilizzo negli elementi radio di un access point aumenta il rapporto segnale/rumore di 2-3 dB: tanto di cappello a Doron Ezri per questo risultato.
Un po 'di storia
Ha senso risalire alla storia del Wi-Fi fino al 1971, quando presso l'Università delle Hawaii, il professor Norman Abramson e un gruppo di colleghi svilupparono, costruirono e lanciarono la rete dati a pacchetto wireless ALOHAnet.
Nel 1980 fu approvato un gruppo di standard e protocolli IEEE 802, che descrivevano l'organizzazione dei due strati inferiori del modello di rete OSI a sette strati. Abbiamo dovuto aspettare 802.11 lunghi anni prima del rilascio della prima versione di 17.
Con l'adozione dello standard 1997 nel 802.11, due anni prima della nascita della Wi-Fi Alliance, la prima generazione della tecnologia dati wireless più popolare di oggi ha fatto il suo ingresso nel resto del mondo.
Standard IEEE 802. Generazioni Wi-Fi
Il primo standard ad essere veramente ampiamente supportato dai produttori di apparecchiature è stato 802.11b. Come potete vedere, la frequenza delle innovazioni è rimasta piuttosto stabile dalla fine del XX secolo: i cambiamenti qualitativi richiedono tempo. Negli ultimi anni è stato fatto molto lavoro per migliorare il mezzo fisico di trasmissione del segnale. Per comprendere meglio i moderni problemi del Wi-Fi, passiamo ai suoi fondamenti fisici.
Ricordiamo le basi!
Le onde radio sono un caso speciale di onde elettromagnetiche: si propagano da una fonte di disturbi del campo elettrico e magnetico. Sono caratterizzati da tre parametri principali: il vettore d'onda, nonché i vettori di intensità del campo elettrico e magnetico. Tutti e tre sono reciprocamente perpendicolari tra loro. In questo caso, la frequenza dell'onda è solitamente chiamata il numero di oscillazioni ripetute che rientrano in un'unità di tempo.
Tutti questi sono fatti ben noti. Tuttavia, per arrivare alla fine, siamo costretti a ricominciare dall’inizio.
Nella scala convenzionale delle gamme di frequenza delle radiazioni elettromagnetiche, la portata radio occupa la parte più bassa (a bassa frequenza). Comprende onde elettromagnetiche con una frequenza di oscillazione da 3 Hz a 3000 GHz. Tutte le altre bande, inclusa la luce visibile, hanno una frequenza molto più alta.
Maggiore è la frequenza, maggiore è l'energia che può essere trasmessa all'onda radio, ma allo stesso tempo si piega meno bene attorno agli ostacoli e si attenua più velocemente. È vero anche il contrario. Tenendo conto di queste caratteristiche, per il funzionamento Wi-Fi sono state selezionate due gamme di frequenza principali: 2,4 GHz (banda di frequenza da 2,4000 a 2,4835 GHz) e 5 GHz (bande di frequenza 5,170-5,330, 5,490-5,730 e 5,735-5,835 GHz).
Le onde radio si propagano in tutte le direzioni e, per evitare che i messaggi si influenzino a vicenda a causa dell'effetto di interferenza, la banda di frequenza è solitamente divisa in sezioni strette separate - canali con l'uno o l'altro . Il diagramma sopra mostra che i canali adiacenti 1 e 2 con una larghezza di banda di 20 MHz interferiranno tra loro, ma 1 e 6 no.
Il segnale all'interno del canale viene trasmesso utilizzando un'onda radio a una determinata frequenza portante. Per trasmettere informazioni, i parametri dell'onda possono essere per frequenza, ampiezza o fase.
Separazione dei canali nelle gamme di frequenza Wi-Fi
La gamma di frequenza di 2,4 GHz è suddivisa in 14 canali parzialmente sovrapposti con un'ampiezza ottimale di 20 MHz. Una volta si credeva che ciò fosse sufficiente per organizzare una complessa rete wireless. Ben presto divenne chiaro che la capacità della gamma si stava rapidamente esaurendo, quindi ad essa è stata aggiunta la gamma dei 5 GHz, la cui capacità spettrale è molto più elevata. In esso, oltre ai canali da 20 MHz, è possibile assegnare canali con una larghezza di 40 e 80 MHz.
Per migliorare ulteriormente l’efficienza dell’utilizzo dello spettro delle radiofrequenze, la tecnologia di multiplexing a divisione di frequenza ortogonale è ora ampiamente utilizzata ().
Si tratta dell'utilizzo, oltre alla frequenza portante, di più frequenze sottoportanti nello stesso canale, il che rende possibile la trasmissione parallela dei dati. OFDM consente di distribuire il traffico in modo "granulare" abbastanza conveniente, ma a causa della sua veneranda età conserva una serie di svantaggi significativi. Tra questi ci sono i principi di lavoro utilizzando il protocollo di rete CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Evitare), secondo il quale solo un utente può lavorare su una portante e sottoportante in determinati momenti.
Flussi spaziali
Un modo importante per aumentare la velocità di trasmissione della rete wireless è attraverso l'uso di flussi spaziali.
Il punto di accesso trasporta più moduli radio (uno, due o più), collegati ad un certo numero di antenne. Queste antenne si irradiano secondo un certo schema e modulazione e tu ed io riceviamo informazioni trasmesse su un mezzo wireless. Il flusso spaziale può formarsi tra una specifica antenna fisica (modulo radio) del punto di accesso e il dispositivo utente. Grazie a ciò, il volume totale di informazioni trasmesse dal punto di accesso aumenta di un multiplo del numero di flussi (antenne).
Secondo gli standard attuali nella banda dei 2,4 GHz possono essere implementati fino a quattro flussi spaziali e nella banda dei 5 GHz fino a otto.
In precedenza, lavorando nelle bande 2,4 e 5 GHz, ci concentravamo solo sul numero di moduli radio. La presenza di un secondo modulo radio ha fornito ulteriore flessibilità, poiché ha consentito ai vecchi dispositivi dell'abbonato di funzionare a una frequenza di 2,4 GHz e a quelli nuovi di funzionare a una frequenza di 5 GHz. Con l'avvento del terzo e dei successivi moduli radio sorsero alcuni problemi. Gli elementi radianti tendono ad interferire tra loro, il che aumenta il costo del dispositivo a causa della necessità di una migliore progettazione e di dotare il punto di accesso di filtri di compensazione. Pertanto solo di recente è diventato possibile supportare contemporaneamente 16 flussi spaziali per punto di accesso.
Velocità pratica e teorica
A causa dei meccanismi operativi OFDM, non siamo riusciti a ottenere il massimo throughput di rete. I calcoli teorici per l'implementazione pratica dell'OFDM sono stati effettuati molto tempo fa e solo in relazione ad ambienti ideali, dove erano prevedibili un rapporto segnale-rumore (SNR) e un tasso di errore di bit (BER) piuttosto elevati. Nelle condizioni moderne di forte rumore in tutti gli spettri di radiofrequenza che ci interessano, il rendimento delle reti basate su OFDM è deprimente basso. E il protocollo ha continuato a presentare queste carenze fino a poco tempo fa, fino a quando la tecnologia OFDMA (accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale) è venuta in soccorso. Su di lei - un po 'oltre.
Parliamo di antenne
Come sapete, ogni antenna ha un guadagno, a seconda del valore del quale si forma uno schema spaziale di propagazione del segnale (beamforming) con una determinata area di copertura (non teniamo conto della ri-riflessione del segnale, ecc.). È proprio su questo che da sempre i progettisti basano il loro ragionamento su dove posizionare esattamente i punti di accesso. Per molto tempo la forma del disegno è rimasta invariata ed è aumentata o diminuita solo in proporzione alle caratteristiche dell'antenna.
I moderni elementi dell'antenna stanno diventando sempre più controllabili e consentono cambiamenti dinamici nello schema spaziale della propagazione del segnale in tempo reale.
La figura sopra a sinistra mostra il principio della propagazione delle onde radio utilizzando un'antenna omnidirezionale standard. Aumentando la potenza del segnale, potremmo solo modificare il raggio di copertura senza la possibilità di influenzare in modo significativo la qualità di utilizzo del canale - KQI (Key Quality Indicators). E questo indicatore è estremamente importante quando si organizzano le comunicazioni in condizioni di movimento frequente del dispositivo dell'abbonato in un ambiente wireless.
La soluzione al problema è stata l'utilizzo di un gran numero di piccole antenne, il cui carico può essere regolato in tempo reale, formando schemi di propagazione a seconda della posizione spaziale dell'utente.
In questo modo è stato possibile avvicinarsi all'utilizzo della tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Con il suo aiuto, il punto di accesso genera in qualsiasi momento flussi di radiazioni diretti specificamente verso i dispositivi dell'abbonato.
Dalla fisica agli standard 802.11
Con l'evoluzione degli standard Wi-Fi, i principi di funzionamento con il livello fisico della rete sono cambiati. L'utilizzo di altri meccanismi di modulazione ha reso possibile, a partire dalle versioni 802.11g/n, di inserire una quantità molto maggiore di informazioni in una fascia oraria e, di conseguenza, di lavorare con un numero maggiore di utenti. Ciò è stato ottenuto tra l’altro attraverso l’uso di flussi spaziali. E la ritrovata flessibilità nella larghezza del canale ha reso possibile generare più risorse per MIMO.
L'approvazione dello standard Wi-Fi 7 è prevista per il prossimo anno, cosa cambierà con il suo arrivo? Oltre al consueto aumento di velocità e all'aggiunta della banda 6 GHz, sarà possibile lavorare con canali aggregati ampi, come 320 MHz. Ciò è particolarmente interessante nel contesto delle applicazioni industriali.
Throughput teorico del Wi-Fi 6
La formula teorica per calcolare la velocità nominale del Wi-Fi 6 è piuttosto complessa e dipende da molti parametri, a partire dal numero di flussi spaziali per finire con le informazioni che possiamo inserire in una sottoportante (o sottoportanti, se ce ne sono diverse). loro) per unità di tempo.
Come puoi vedere, molto dipende dai flussi spaziali. Ma prima, l’aumento del loro numero in combinazione con l’uso di STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining) peggiorava le prestazioni della soluzione wireless nel suo insieme.
Nuove tecnologie chiave dello strato fisico
Passiamo alle tecnologie chiave del livello fisico e iniziamo con il primo livello del modello di rete OSI.
Ricordiamo che OFDM utilizza un certo numero di sottoportanti che, senza influenzarsi a vicenda, sono in grado di trasmettere una certa quantità di informazioni.
Nell'esempio utilizziamo la banda 5,220 GHz, che contiene 48 sottocanali. Aggregando questo canale, otteniamo un numero maggiore di sottoportanti, ciascuna delle quali utilizza il proprio schema di modulazione.
Wi-Fi 5 utilizza la modulazione di ampiezza in quadratura 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), che consente di formare un campo di 16 x 16 punti all'interno della frequenza portante in una fascia oraria, diversi per ampiezza e fase. L'inconveniente è che in ogni momento solo una stazione può trasmettere sulla frequenza portante.
Il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA) proviene dal mondo degli operatori di telefonia mobile, si è diffuso contemporaneamente a LTE e viene utilizzato per organizzare un downlink (canale di comunicazione con l'abbonato). Ti consente di lavorare con il canale a livello delle cosiddette unità di risorse. Queste unità aiutano a scomporre un blocco in un numero specifico di componenti. All'interno di un blocco, in ogni momento non possiamo lavorare strettamente con un elemento emittente (utente o punto di accesso), ma combinare decine di elementi. Ciò consente di ottenere risultati notevoli.
Facile connessione dei canali in Wi-Fi 6
Il Channel Bonding in Wi-Fi 6 consente di ottenere canali combinati con un'ampiezza da 20 a 160 MHz. Inoltre non è necessario che il collegamento avvenga in zone vicine. Ad esempio, un blocco può essere preso dalla banda 5,17 GHz e il secondo dalla banda 5,135 GHz. Ciò consente di costruire in modo flessibile un ambiente radio anche in presenza di forti fattori di interferenza o in prossimità di altre stazioni che emettono costantemente.
Dal SIMO al MIMO
Il metodo MIMO non è sempre stato con noi. Un tempo le comunicazioni mobili dovevano essere limitate alla modalità SIMO, che implicava la presenza di più antenne presso la stazione dell'abbonato, che funzionavano contemporaneamente per ricevere informazioni.
MU-MIMO è progettato per trasmettere informazioni agli utenti utilizzando l'intero stock di antenne attuale. Ciò rimuove le restrizioni precedentemente imposte dal protocollo CSMA/CA associato all'invio di token ai dispositivi dell'abbonato per la trasmissione. Ora gli utenti sono uniti in un gruppo e ogni membro del gruppo riceve la sua parte della risorsa antenna del punto di accesso, invece di aspettare il proprio turno.
Formazione del fascio radio
Una regola importante per il funzionamento di MU-MIMO è mantenere una modalità di funzionamento del sistema di antenne che non porti alla reciproca sovrapposizione delle onde radio e alla perdita di informazioni dovuta all'addizione di fase.
Ciò richiede calcoli matematici complessi sul lato del punto di accesso. Se il terminale supporta questa funzionalità, MU-MIMO consente di indicare al punto di accesso quanto tempo impiega per ricevere un segnale su ciascuna specifica antenna. E il punto di accesso, a sua volta, regola le sue antenne per formare un raggio direzionato in modo ottimale.
Cosa ci offre questo in generale?
I cerchi bianchi con i numeri nella tabella indicano gli scenari attuali per l'utilizzo del Wi-Fi delle generazioni precedenti. I cerchi blu (vedi illustrazione sopra) descrivono le capacità del Wi-Fi 6, mentre quelli grigi sono una questione del prossimo futuro.
I principali vantaggi offerti dalle nuove soluzioni abilitate OFDMA sono legati alle unità di risorse implementate a un livello simile al TDM (Time Division Multiplexing). Questo non era mai stato il caso del Wi-Fi prima. Ciò consente di controllare chiaramente la larghezza di banda allocata, garantendo un tempo minimo di transito del segnale attraverso il mezzo e il livello di affidabilità richiesto. Fortunatamente, nessuno dubita che gli indicatori di affidabilità Wi-Fi debbano essere migliorati.
La storia si muove a spirale e la situazione attuale è simile a quella che si sviluppò un tempo attorno a Ethernet. Già allora si era diffusa l’opinione secondo cui il mezzo trasmissivo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) non offre alcuna garanzia di throughput. E questo è continuato fino al passaggio a IEEE 802.3z.
Per quanto riguarda i modelli applicativi generali, come potete vedere, ad ogni generazione di Wi-Fi, i suoi scenari di utilizzo si moltiplicano, sempre più sensibili ai ritardi, e affidabilità.
E ancora sull'ambiente fisico
Bene, ora parliamo di come si forma il nuovo ambiente fisico. Quando si utilizzano CSMA/CA e OFDM, un aumento del numero di STA attive ha portato ad un grave calo del throughput del canale da 20 MHz. Ciò è dovuto a quanto già accennato: non alle più recenti tecnologie STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, attraverso l'uso di unità di risorsa, può interagire efficacemente con centrali a lunga distanza e a bassa potenza. Abbiamo l'opportunità di lavorare nella stessa gamma di operatori con utenti che consumano quantità diverse di risorse. Un utente può occupare un'unità e un altro tutte le altre.
Perché prima non c'era l'OFDMA?
E infine, la domanda principale: perché prima non esisteva l'OFDMA? Stranamente, tutto si riduceva al denaro.
Per molto tempo si è creduto che il prezzo di un modulo Wi-Fi dovesse essere minimo. Quando il protocollo venne lanciato in esercizio commerciale nel 1997, fu deciso che il costo di produzione di un tale modulo non avrebbe potuto superare 1 dollaro. Di conseguenza, lo sviluppo della tecnologia ha preso un percorso non ottimale. Qui non prendiamo in considerazione l'operatore LTE, dove OFDMA è stato utilizzato per molto tempo.
Alla fine, il gruppo di lavoro Wi-Fi ha deciso di prendere questi sviluppi dal mondo degli operatori di telecomunicazioni e portarli nel mondo delle reti aziendali. Il compito principale era il passaggio all'uso di elementi di qualità superiore, come filtri e oscillatori.
Perché è stato così difficile per noi lavorare con le vecchie codifiche MRC con o senza interferenze? Perché il meccanismo di beamforming MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumenta drasticamente il numero di errori non appena proviamo a combinare un gran numero di punti di trasmissione. L'OFDMA ha dimostrato che il problema può essere risolto.
La lotta contro le interferenze ora si basa sulla matematica. Se la finestra di trasmissione è sufficientemente lunga, l'interferenza dinamica che ne risulta causa problemi. Nuovi algoritmi operativi consentono di evitarli, eliminando l'influenza non solo delle interferenze associate alla trasmissione Wi-Fi, ma anche di qualsiasi altra che si verifica in questa gamma.
Grazie all'anti-interferenza adattiva, possiamo ottenere guadagni fino a 11 dB anche in ambienti complessi ed eterogenei. L'uso delle soluzioni algoritmiche di Huawei ha permesso di ottenere un'ottimizzazione seria esattamente dove era necessario: nelle soluzioni per interni. Ciò che è buono nel 5G non è necessariamente buono in un ambiente Wi-Fi 6. Gli approcci Massive MIMO e MU-MIMO differiscono nel caso di soluzioni interne ed esterne. Dove richiesto è opportuno ricorrere a soluzioni costose, come nel 5G. Ma sono necessarie altre opzioni, come il Wi-Fi 6, che possa fornire la latenza e altri parametri che ci aspettiamo dagli operatori.
Prendiamo in prestito da loro gli strumenti che saranno utili a noi come consumatori aziendali, il tutto nel tentativo di fornire un ambiente fisico su cui possiamo fare affidamento.
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A proposito, non dimenticare i nostri numerosi webinar sui nuovi prodotti Huawei del 2020, tenuti non solo nel segmento di lingua russa, ma anche a livello globale. Un elenco dei webinar delle prossime settimane è disponibile su .
Fonte: habr.com