Nelle sue sviluppi, Huawei punta su Wi-Fi 6. Le domande da colleghi e clienti sul nuovo standard di generazione ci hanno spinto a scrivere un post sulle basi teoriche e sui principi fisici che lo sottendono. Passeremo dalla storia alla fisica, analizzando in dettaglio perché le tecnologie OFDMA e MU-MIMO siano necessarie. Parleremo anche di come un ambiente di trasmissione dei dati significativamente riprogettato abbia permesso di ottenere una capacità di banda garantita e una riduzione generale della latenza tale da diventare comparabile con quella degli operatori. E questo nonostante le reti moderne basate su 5G siano più costose (in media 20-30 volte) rispetto a reti indoor analoghe basate su Wi-Fi 6.
Per Huawei, l'argomento non è affatto banale: le soluzioni con supporto per Wi-Fi 6 sono tra i nostri prodotti più innovativi nel 2020, in cui sono stati investiti enormi risorse. Ecco solo un esempio: la ricerca nel campo della scienza dei materiali ci ha permesso di selezionare una lega il cui utilizzo negli elementi radio delle access point ha aumentato il rapporto 'segnale - rumore' di 2-3 dB: ci inchiniamo con rispetto davanti a Doron Ezri per questo risultato.
Un po' di storia
La storia del Wi-Fi ha senso tracciarla dal 1971, quando all'Università delle Hawaii il professor Norman Abramson, insieme a un gruppo di colleghi, ha sviluppato, costruito e lanciato una rete wireless di trasmissione dati a pacchetto chiamata ALOHAnet.
Nel 1980 fu approvato un gruppo di standard e protocolli IEEE 802, che descrivono l’organizzazione dei due strati inferiori del modello di rete a sette strati OSI. Ci sono voluti ben 17 anni prima del rilascio della prima versione di 802.11.
Con l'adozione nel 1997 dello standard 802.11, due anni prima della creazione dell'organizzazione Wi-Fi Alliance, la prima generazione della tecnologia di trasmissione dati wireless più popolare di oggi ha fatto il suo ingresso nel grande mondo.
Standard IEEE 802. Generazioni di Wi-Fi
Il primo standard effettivamente supportato in massa dai produttori di attrezzature è stato l'802.11b. Come puoi vedere, la frequenza delle innovazioni dalla fine del XX secolo è stata piuttosto stabile: per cambiamenti qualitativi è necessario tempo. Negli ultimi anni, il lavoro principale si è concentrato sul miglioramento dell'ambiente fisico di trasmissione del segnale. Per comprendere meglio l'attuale problematica del Wi-Fi, facciamo riferimento alle sue basi fisiche.
Ricordiamo le basi!
Le onde radio sono un caso particolare delle onde elettromagnetiche, che si propagano da una sorgente di perturbazioni del campo elettrico e magnetico. Si caratterizzano per tre parametri principali: il vettore d'onda e i vettori di intensità dei campi elettrico e magnetico. Tutti e tre sono tra loro ortogonali. La frequenza dell'onda è definita come il numero di oscillazioni ripetute che si verificano in unità di tempo.
Questi sono fatti ben noti. Tuttavia, per arrivare alla fine, dobbiamo iniziare dall'inizio.
Su una scala convenzionale delle bande di frequenza delle radiazioni elettromagnetiche, la banda radio occupa la parte più bassa (a bassa frequenza). Comprende onde elettromagnetiche con frequenze di oscillazione da 3 Hz a 3000 GHz. Tutte le altre bande, compresa la luce visibile, hanno frequenze molto più elevate.
Più alta è la frequenza, maggiore è l'energia che può essere trasmessa all'onda radio, ma contemporaneamente diventa più difficile superare gli ostacoli e tende a dissiparsi più rapidamente. Vale anche il contrario. Tenendo conto di queste caratteristiche, sono state scelte due bande di frequenza principali per il Wi-Fi: 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, affinché i messaggi non si influenzino a vicenda a causa dell'effetto di interferenza, la banda di frequenza è solitamente suddivisa in segmenti ristretti — canali con una certa . Nello schema sopra, si può vedere che i canali 1 e 2 vicini con una banda passante di 20 MHz interferiranno tra loro, mentre i canali 1 e 6 non lo faranno.
Il segnale all'interno del canale viene trasmesso tramite onde radio a una precisa frequenza portante. Per trasmettere informazioni, i parametri dell'onda possono in frequenza, ampiezza o fase.
Separazione dei canali nelle bande di frequenza del Wi-Fi
La banda di frequenza 2,4 GHz è suddivisa in 14 canali parzialmente sovrapposti di larghezza ottimale — 20 MHz. Un tempo si pensava che questo fosse sufficiente per organizzare una rete wireless complessa. Presto si è scoperto che la capacità della banda si esauriva rapidamente, quindi è stata aggiunta la banda a 5 GHz, la cui capacità spettrale è molto maggiore. In essa, oltre ai canali a 20 MHz, è possibile assegnare canali di larghezza 40 e 80 MHz.
Per aumentare ulteriormente l'efficacia dell'uso dello spettro delle radiofrequenze, attualmente viene ampiamente utilizzata la tecnologia di multiplexing a divisione ortogonale delle frequenze ().
). Essa implica l'uso, oltre alla frequenza portante, di diverse frequenze sottocanale all'interno dello stesso canale, consentendo la trasmissione parallela dei dati. L'OFDM permette una distribuzione del traffico in un modo piuttosto comodo e "granulare", ma a causa della sua antichità conserva alcuni significativi svantaggi. Tra esses, i principi di funzionamento del protocollo di rete CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), in base ai quali in determinati momenti su una portante e un sottocanale può operare solo un utente.
Flussi spaziali
Un modo importante per aumentare la capacità di una rete wireless è l'uso dei flussi spaziali.
Il punto di accesso possiede diversi moduli radio (uno, due o più), che sono collegati a un certo numero di antenne. Queste antenne emettono seguendo uno schema di modulazione stabilito, e noi riceviamo le informazioni trasmesse attraverso il mezzo wireless. Un 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 proporzionalmente al numero di flussi (antenne).
Secondo gli attuali standard, nella banda di 2,4 GHz è possibile realizzare fino a quattro flussi spaziali, nella banda di 5 GHz - fino a otto.
In passato, quando lavoravamo nelle bande di frequenze a 2,4 e 5 GHz, ci basavamo solo sul numero di moduli radio. La presenza di un secondo modulo radio offriva una maggiore flessibilità, consentendo ai vecchi dispositivi delle utenze di funzionare alla frequenza di 2,4 GHz, mentre i nuovi operavano a 5 GHz. Con l'introduzione del terzo e dei successivi moduli radio, sono sorte alcune problematiche. Gli elementi irradianti tendono a creare interferenze tra di loro, aumentando il costo del dispositivo a causa della necessità di una progettazione e di un equipaggiamento più accurati del punto di accesso con filtri compensativi. Dunque, solo di recente è diventato possibile mantenere simultaneamente 16 flussi spaziali su un singolo punto di accesso.
Velocità pratica e teorica
A causa dei meccanismi di funzionamento dell'OFDM, non riuscivamo a ottenere la massima larghezza di banda della rete. I calcoli teorici per l'implementazione pratica dell'OFDM sono stati effettuati molto tempo fa e solo in relazione a ambienti ideali, dove si prevedevano valori sufficientemente alti del rapporto 'segale - rumore' (SNR) e probabilità di errore per bit (BER). Nelle attuali condizioni di forte rumore di tutti gli spettri radiofrequenza che ci interessano, i valori di larghezza di banda delle reti basate su OFDM sono sorprendentemente bassi. E il protocollo fino a poco tempo fa continuava a presentare questi difetti, fino a quando la tecnologia OFDMA (accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale) non è intervenuta a risolverli. Di questa parleremo più avanti.
Parliamo delle antenne
Come sapete, ogni antenna ha un guadagno, a seconda del quale si forma un pattern spaziale di diffusione del segnale (beamforming) con una certa area di copertura (non teniamo conto della riflessione dei segnali, ecc.). Su questo si sono sempre basate le argomentazioni dei progettisti riguardo a dove dovrebbero essere posizionati i punti di accesso. A lungo, la forma del pattern è rimasta invariata e si è solamente aumentata o diminuita proporzionalmente alle caratteristiche dell’antenna.
Gli elementi antenna moderni stanno diventando sempre più controllabili e consentono di modificare dinamicamente il pattern spaziale di diffusione del segnale in tempo reale.
A sinistra, nell'immagine in alto, è mostrato il principio di propagazione delle onde radio utilizzando un'antenna omni-direzionale standard. Aumentando la potenza del segnale, potevamo modificare solo il raggio di copertura in assenza della possibilità di influenzare significativamente la qualità dell'utilizzo del canale — KQI (Key Quality Indicators). Questo indicatore è estremamente importante nell'organizzazione delle comunicazioni in condizioni di frequente spostamento del dispositivo dell'abbonato in un ambiente wireless.
La soluzione al problema è stata l'applicazione di un gran numero di piccole antenne, il cui carico può essere regolato in tempo reale, formando modelli di propagazione in base alla posizione spaziale dell'utente.
In questo modo si è potuto avvicinarsi all'applicazione della tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Grazie a essa, il punto di accesso forma in qualsiasi momento fasci di emissione diretti proprio verso i dispositivi degli abbonati.
Dalla fisica agli standard 802.11
Con lo sviluppo degli standard Wi-Fi sono cambiati i principi di lavoro con il livello fisico della rete. L'uso di altri meccanismi di modulazione ha reso possibile — a partire dalle versioni 802.11g/n — trasmettere un numero molto maggiore di informazioni in un time-slot e, di conseguenza, lavorare con un numero maggiore di utenti. Inoltre, ciò è stato raggiunto grazie all'utilizzo di flussi spaziali. La nuova flessibilità riguardo alla larghezza di banda ha consentito di formare un numero maggiore di risorse per MIMO.
L'anno prossimo è previsto l'approvazione dello standard Wi-Fi 7. Cosa cambierà con il suo arrivo? Oltre al consueto incremento di velocità e all'aggiunta della banda 6 GHz, ci sarà la possibilità di lavorare con ampi canali aggregati, come quelli da 320 MHz. Questo è particolarmente interessante nel contesto di applicazioni industriali.
La capacità teorica di Wi-Fi 6
La formula teorica per calcolare la velocità nominale di funzionamento di Wi-Fi 6 è abbastanza complessa e dipende da molti parametri, a partire dal numero di flussi spaziali e finendo con le informazioni che possiamo inserire in una portante (o portanti, se sono più di una) in un'unità di tempo.
Come potete vedere, molto dipende dai flussi spaziali. E in passato, l'aumento del loro numero combinato con l'uso di STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining) peggiorava le prestazioni della soluzione wireless nel suo complesso.
Nuove tecnologie chiave di livello fisico
Passiamo alle tecnologie chiave del livello fisico — iniziamo con il primo livello del modello di rete OSI.
Ricordiamo che nell'OFDM viene utilizzato un numero definito di sotto-portanti, le quali, senza interferire tra loro, possono trasmettere una certa quantità di informazioni.
Nell'esempio utilizziamo la gamma di 5,220 GHz, che include 48 sotto-canali. Aggregando questo canale, otterremo un numero maggiore di sotto-portanti, ognuna delle quali utilizza un proprio schema di modulazione.
Nel Wi-Fi 5 viene utilizzata la modulazione quadrata 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), che consente di formare all'interno della frequenza portante in un singolo time slot un campo di 16 x 16 punti, che differiscono per ampiezza e fase. Il disagio sta nel fatto che in ogni singolo momento solo una stazione può trasmettere sulla frequenza portante.
Il multiplexing con divisione ortogonale della frequenza dei canali (OFDMA) proviene dal mondo degli operatori di telefonia mobile, ha preso piede insieme al LTE ed è utilizzato per l'organizzazione del downlink (canale di comunicazione verso l'utente). Consente di lavorare con il canale a livello di cosiddetti unità di risorse. Queste unità aiutano a suddividere un blocco in un certo numero di componenti. All'interno di un blocco possiamo non lavorare in modo rigoroso con un singolo elemento emittente (utente o punto di accesso), ma combinare decine di elementi. Questo permette di ottenere risultati notevoli.
Connessione semplice dei canali nel Wi-Fi 6
La connessione dei canali (Channel Bonding) nel Wi-Fi 6 consente di ottenere canali unificati con larghezze comprese tra 20 e 160 MHz. Inoltre, non è necessario che la connessione avvenga in gamme adiacenti. Ad esempio, un blocco può provenire dalla gamma di 5,17 GHz, mentre il secondo dalla gamma di 5,135 GHz. Questo consente di costruire flessibilmente l'ambiente radio anche in presenza di forti fattori di interferenza o in prossimità di altre stazioni emittenti costantemente.
Da SIMO a MIMO
Il metodo MIMO non è stato sempre con noi. In passato, le comunicazioni mobili dovevano limitarsi alla modalità SIMO, che prevedeva la presenza di più antenne sulla stazione utente, tutte attive nel ricevere informazioni.
Il MU-MIMO è progettato per trasmettere informazioni agli utenti, utilizzando l'intero parco antenne attuale. Questo supera le limitazioni precedentemente imposte dal protocollo CSMA/CA, relative all'invio di token agli dispositivi degli abbonati per la trasmissione. Ora gli utenti possono unirsi in gruppi e ogni partecipante al gruppo riceve la propria parte delle risorse del parco antenne del punto di accesso, invece di aspettare il proprio turno.
Formazione del fascio radio
Una regola importante del funzionamento del MU-MIMO è mantenere un regime di lavoro del parco antenne tale da non provocare sovrapposizioni delle onde radio e perdite di informazioni dovute alla somma delle fasi.
Ciò richiede complessi calcoli matematici da parte del punto di accesso. Se il terminale supporta questa funzione, il MU-MIMO gli consente di comunicare al punto di accesso con quale ritardo riceve il segnale su ciascuna antenna specifica. E il punto di accesso, a sua volta, regola le proprie antenne per formare un fascio direzionale ottimale.
Cosa ci offre tutto questo nel complesso?
Nella tabella, i cerchi bianchi con numeri indicano gli scenari attuali di utilizzo del Wi-Fi delle generazioni precedenti. I cerchi blu (vedi illustrazione sopra) descrivono le capacità del Wi-Fi 6, mentre quelli grigi rappresentano il futuro prossimo.
I principali vantaggi degli nuovi sistemi che supportano l'OFDMA riguardano le unità di risorsa implementate a un livello simile al TDM (Time Division Multiplexing). In precedenza, il Wi-Fi non prevedeva tali possibilità. Questo consente di controllare in modo chiaro la larghezza di banda assegnata, garantendo un tempo minimo di attraversamento del segnale attraverso l'ambiente e il livello richiesto di affidabilità. Del resto, nessuno dubita che i parametri di affidabilità del Wi-Fi richiedano miglioramenti.
La storia procede a spirale e la situazione attuale assomiglia a quella che si era creata in passato attorno all'Ethernet. Già allora ci si rese conto che l'ambiente di trasmissione CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) non offriva alcuna garanzia di larghezza di banda. E così fu fino al passaggio all'IEEE 802.3z.
Per quanto riguarda i modelli generali di applicazione, come potete vedere, con ogni generazione di Wi-Fi aumentano gli scenari di utilizzo, sempre più sensibili ai ritardi, al jitter generale e all'affidabilità.
E di nuovo sul mezzo fisico
Ora, parliamo di cosa costituisce il nuovo mezzo fisico. Con l'uso di CSMA/CA e OFDM, l'aumento del numero di punti attivi (Active STA) ha portato a una significativa diminuzione della larghezza di banda del canale a 20 megahertz. Questo era legato a quanto già detto: le tecnologie non più nuove come STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining).
L'OFDMA, grazie all'uso delle unità di risorsa, può interagire in modo efficace con stazioni lontane e a bassa potenza. Otteniamo la possibilità di lavorare nella stessa banda portante con utenti che consumano diverse quantità di risorse. Un utente può utilizzare un'unità, mentre un altro può utilizzare tutte le altre.
Perché non c'era OFDMA prima?
E infine, la domanda principale: perché non c'era OFDMA prima? Stranamente, tutto si riduceva a un problema di denaro.
A lungo si è pensato che il costo del modulo Wi-Fi dovesse essere minimo. Quando il protocollo è stato lanciato in commercio nel 1997, si è deciso che il costo di produzione di tale modulo non poteva superare 1 dollaro. Di conseguenza, lo sviluppo della tecnologia ha seguito una strada non ottimale. Qui non consideriamo l'LTE degli operatori, dove l'OFDMA è già utilizzato da 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. L'obiettivo principale era passare all'uso di elementi di qualità superiore, come filtri e oscillatori.
Perché ci è stato così difficile lavorare con i vecchi codificatori MRC con o senza interferenza? Perché il meccanismo di formazione del fascio MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentava drasticamente il numero di errori, non appena tentavamo di combinare un gran numero di punti trasmittenti. L'OFDMA ha dimostrato che il problema è risolvibile.
La lotta contro l'interferenza è ora basata sulla matematica. Se la finestra di trasmissione delle informazioni è sufficientemente lunga, l'interferenza dinamica risultante porta a problemi. I nuovi algoritmi consentono di evitarli, escludendo l'influenza non solo dell'interferenza legata alla trasmissione Wi-Fi, ma anche di qualsiasi altra interferenza che si verifica in questo intervallo.
Grazie alla lotta adattiva contro l'interferenza, possiamo ottenere un guadagno fino a 11 dB anche in ambienti complessi e non omogenei. L'uso delle soluzioni algoritmiche di Huawei ha permesso di ottimizzare in modo significativo proprio dove necessario: nelle soluzioni indoor. Ciò che va bene in 5G non è necessariamente adatto in un ambiente Wi-Fi 6. Gli approcci Massive MIMO e MU-MIMO differiscono per le soluzioni indoor e outdoor. Dove richiesto, è opportuno utilizzare soluzioni costose, come nel 5G. Ma sono necessarie anche altre opzioni, come Wi-Fi 6, in grado di fornire latenze e altri parametri ai quali siamo abituati ad aspettarci dagli operatori di telecomunicazioni.
Prendiamo in prestito da loro quegli strumenti che ci saranno utili come consumatori aziendali, il tutto per garantire un ambiente fisico su cui si possa contare.
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Fonte: habr.com
