מה מחכה לנו ב-Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

לאחרונה נכנסו לשוק מכשירים התומכים בטכנולוגיית Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), שעליה מדברים רבות. אך מעטים יודעים שהפיתוח של דור חדש של טכנולוגיית Wi-Fi כבר בעיצומו - Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). גלה כיצד ייראה Wi-Fi 7 במאמר זה.

פרהיסטוריה

בספטמבר 2020, נחגוג את יום השנה ה-30 לפרויקט IEEE 802.11, שהשפיע באופן משמעותי על חיינו. נכון לעכשיו, טכנולוגיית Wi-Fi, המוגדרת על ידי משפחת התקנים IEEE 802.11, היא הטכנולוגיה האלחוטית הפופולרית ביותר המשמשת לחיבור לאינטרנט, כאשר ה-Wi-Fi נושא יותר ממחצית מתעבורת המשתמשים. בעוד שהטכנולוגיה הסלולרית ממתגת את עצמה מחדש מדי עשור, כמו החלפת השם 4G ב-5G, עבור משתמשי Wi-Fi, שיפורים במהירויות הנתונים, כמו גם הצגת שירותים חדשים ותכונות חדשות, מתרחשים כמעט בלי לשים לב. ללקוחות מעטים אכפת מהאותיות "n", "ac" או "גרזן" העוקבות אחר "802.11" בקופסאות הציוד. אבל זה לא אומר שה-Wi-Fi לא מתפתח.

אחת ההוכחות להתפתחות ה-Wi-Fi היא העלייה הדרמטית במהירויות הנתונים המדורגות: מ-2 Mbps בגרסת 1997 לכמעט 10 Gbps בתקן העדכני ביותר 802.11ax, הידוע גם בשם Wi-Fi 6. Wi-Fi מודרני מגיע לכאלה שיפורי ביצועים עקב עיצובי אותות וקוד מהירים יותר, ערוצים רחבים יותר ושימוש בטכנולוגיה MIMO.

בנוסף לזרם המרכזי של רשתות תקשורת מקומיות אלחוטיות במהירות גבוהה, האבולוציה של ה-Wi-Fi כוללת מספר פרויקטי נישה. לדוגמה, Wi-Fi HaLow (802.11ah) היה ניסיון להביא Wi-Fi לשוק האינטרנט האלחוטי של הדברים. Wi-Fi של גלי מילימטר (802.11ad/ay) תומך בקצבי נתונים נומינליים של עד 275 Gbps, אם כי למרחקים קצרים מאוד.

יישומים ושירותים חדשים הקשורים להזרמת וידאו בחדות גבוהה, מציאות מדומה ורבודה, משחקים, מחשוב משרדים מרוחק ומחשוב ענן, כמו גם הצורך לתמוך במספר גדול של משתמשים עם תעבורה אינטנסיבית ברשתות אלחוטיות, דורשים ביצועים גבוהים.

Wi-Fi 7 שערים

במאי 2019, תת-קבוצת BE (TGbe) של קבוצת העבודה 802.11 של ועדת התקנים של רשתות מקומיות ומטרופולין החלה לעבוד על תוספת חדשה לתקן ה-Wi-Fi שתגדל תפוקה נומינלית של עד יותר מ-40 Gbit/s בערוץ תדר אחד מטווח ה-Wi-Fi ה"טיפוסי" <= 7 GHz. למרות שמסמכים רבים מציינים "תפוקה מרבית של לפחות 30 Gbps", פרוטוקול השכבה הפיזית החדש יספק מהירויות נומינליות העולה על 40 Gbps.

כיוון פיתוח חשוב נוסף עבור Wi-Fi 7 הוא תמיכה ביישומים בזמן אמת (משחקים, מציאות מדומה ורבודה, שליטה ברובוט). ראוי לציין שלמרות ש-Wi-Fi מטפל בתעבורת אודיו ווידאו בצורה מיוחדת, מאמינים זה מכבר כי מתן זמן אחזור מובטח נמוך (מילישניות), המוכר גם כ-Time Sensitive Networking, ברשתות Wi-Fi הוא ביסודו של דבר. בלתי אפשרי. בנובמבר 2017, הצוות שלנו מה-IITP RAS ומבית הספר הגבוה לכלכלה של אוניברסיטת המחקר הלאומי (אל תקחו את זה ליחסי ציבור) הציע הצעה מקבילה בקבוצת IEEE 802.11. ההצעה עוררה עניין רב ותת-קבוצה מיוחדת הושקה ביולי 2018 כדי ללמוד את הנושא לעומק. מכיוון שתמיכה ביישומי זמן אמת דורשת גם קצבי נתונים נומינליים גבוהים וגם פונקציונליות משופרת של שכבת קישור, קבוצת העבודה 802.11 החליטה לפתח שיטות לתמיכה ביישומי זמן אמת בתוך Wi-Fi 7.

נושא חשוב עם Wi-Fi 7 הוא הדו-קיום שלו עם טכנולוגיות רשת סלולריות (4G/5G) המפותחות על ידי 3GPP ופועלות באותם פסי תדרים ללא רישיון. אנחנו מדברים על LTE-LAA/NR-U. כדי לחקור את הבעיות הקשורות לדו-קיום של רשתות Wi-Fi ורשתות סלולריות, IEEE 802.11 השיק את הוועדה המתמדת הדו-קיום (Coex SC). למרות פגישות רבות ואפילו סדנה משותפת של משתתפי 3GPP ו-IEEE 802.11 ביולי 2019 בווינה, פתרונות טכניים טרם אושרו. הסבר אפשרי לחוסר התוחלת הזה הוא שגם IEEE 802 וגם 3GPP אינם ששים לשנות את הטכנולוגיות שלהם כדי להתאים את השני. לכן, כרגע לא ברור אם דיוני Coex SC ישפיעו על תקן Wi-Fi 7.

תהליך פיתוח

למרות שתהליך הפיתוח של Wi-Fi 7 נמצא בשלבים מוקדמים מאוד, היו כמעט 500 הצעות לפונקציונליות חדשה עבור ה-Wi-Fi 7 הקרוב, הידוע גם בשם IEEE 802.11be, עד כה. רוב הרעיונות נדונים רק בתת-קבוצת be ועדיין לא התקבלה החלטה עליהם. רעיונות אחרים אושרו לאחרונה. להלן יצוין בבירור אילו הצעות מאושרות ואילו נדונות בלבד.

במקור תוכנן שפיתוח המנגנונים החדשים העיקריים יושלם עד מרץ 2021. הגרסה הסופית של התקן צפויה בתחילת 2024. בינואר 2020, 11 הועלה חששות אם הפיתוח יישאר בלוח הזמנים בקצב העבודה הנוכחי. כדי להאיץ את תהליך הפיתוח הסטנדרטי, תת-הקבוצה הסכימה לבחור קבוצה קטנה של תכונות בעדיפות גבוהה שיוכלו לצאת עד 2021 (מהדורה 1), ולהשאיר את השאר במהדורה 2. תכונות בעדיפות גבוהה אמורות לספק את רווחי הביצועים העיקריים וכוללים תמיכה ב-320 מגה-הרץ, 4K-QAM, שיפורים ברורים ל-OFDMA מ-Wi-Fi 6, MU-MIMO עם 16 זרמים.

עקב נגיף הקורונה, הקבוצה לא נפגשת כרגע באופן אישי, אלא מקיימת באופן קבוע ועידות טלפוניות. לפיכך, ההתפתחות הואטה במקצת, אך לא נעצרה.

פרטי טכנולוגיה

בואו נסתכל על החידושים העיקריים של Wi-Fi 7.

1. פרוטוקול השכבה הפיזית החדש הוא פיתוח של פרוטוקול Wi-Fi 6 עם עלייה פי שניים רוחב פס של עד 320 מגה-הרץ, כפול ממספר זרמי ה-MU-MIMO המרחביים, מה שמגדיל את התפוקה הנומינלית ב-2×2 = פי 4. גם Wi-Fi 7 מתחיל להשתמש באפנון 4K-QAM, מה שמוסיף עוד 20% לתפוקה הנומינלית. לכן, Wi-Fi 7 יספק 2x2x1,2 = פי 4,8 מקצב הנתונים המדורג של Wi-Fi 6: התפוקה המדורגת המקסימלית של Wi-Fi 7 היא 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbit/s. בנוסף, יהיה שינוי מהפכני בפרוטוקול השכבה הפיזית כדי להבטיח תאימות עם גרסאות עתידיות של Wi-Fi, אך הוא יישאר בלתי נראה למשתמשים.
2. שינוי שיטת הגישה לערוץ עבור תמיכה באפליקציות בזמן אמת יתבצע תוך התחשבות בניסיון של IEEE 802 TSN עבור רשתות קוויות. דיונים מתמשכים בוועדת התקנים מתייחסים לנוהל החזרה אקראית לגישה לערוצים, קטגוריות שירותי תעבורה ולכן תורים נפרדים לתעבורה בזמן אמת ומדיניות שירותי מנות.
3. הוצג ב-Wi-Fi 6 (802.11ax) סיומת OFDMA – שיטת גישה לערוץ חלוקת זמן ותדר (בדומה לזו המשמשת ברשתות 4G ו-5G) – מספקת הזדמנויות חדשות להקצאת משאבים מיטבית. עם זאת, ב-11ax, OFDMA אינו גמיש מספיק. ראשית, הוא מאפשר לנקודת הגישה להקצות רק בלוק משאבים אחד בגודל קבוע מראש למכשיר הלקוח. שנית, הוא אינו תומך בשידור ישיר בין תחנות לקוח. שני החסרונות מפחיתים את היעילות הספקטרלית. בנוסף, היעדר הגמישות של Wi-Fi 6 OFDMA מדור קודם פוגע בביצועים ברשתות צפופות ומגביר את השהיה, דבר שהוא קריטי עבור יישומים בזמן אמת. 11be יפתור את בעיות ה-OFDMA הללו.
4. אחד השינויים המהפכניים המאושרים של Wi-Fi 7 הוא תמיכה מקומית שימוש בו זמנית במספר חיבורים מקבילים בתדרים שונים, שהוא מאוד שימושי הן עבור קצבי נתונים עצומים והן עבור חביון נמוך במיוחד. למרות שערכות שבבים מודרניות כבר יכולות להשתמש במספר חיבורים בו-זמנית, למשל, ברצועות 2.4 ו-5 גיגה-הרץ, חיבורים אלו הם עצמאיים, מה שמגביל את היעילות של פעולה כזו. ב-11be תימצא רמת סנכרון בין ערוצים המאפשרת שימוש יעיל במשאבי הערוצים ותגרור שינויים משמעותיים בכללי פרוטוקול הגישה לערוצים.
5. השימוש בערוצים רחבים מאוד ובמספר רב של זרמים מרחביים מוביל לבעיה של תקורה גבוהה הקשורה להליך הערכת מצב הערוץ הנדרש עבור MIMO ו-OFDMA. תקורה זו מבטלת כל רווח מהגדלת קצבי הנתונים הנומינליים. ציפיתי לזה נוהל הערכת מצב הערוץ ישוקן.
6. בהקשר של Wi-Fi 7, ועדת התקנים דנה בשימוש בכמה שיטות "מתקדמות" להעברת נתונים. בתיאוריה, שיטות אלו משפרות את היעילות הספקטרלית במקרה של ניסיונות שידור חוזרים, כמו גם שידורים בו-זמניים בכיוונים זהים או מנוגדים. אלה כוללים בקשה חוזרת אוטומטית היברידית (HARQ), המשמשת כיום ברשתות סלולריות, מצב דופלקס מלא וגישה מרובה לא אורתוגונלית (NOMA). טכניקות אלו נחקרו היטב בספרות בתיאוריה, אך עדיין לא ברור אם רווחי הפרודוקטיביות שהן מספקות יהיו שווים את המאמץ ליישם אותן.
   • להשתמש HARQ מסובך על ידי הבעיה הבאה. ב-Wi-Fi, מנות מודבקות זו לזו כדי להפחית את התקורה. בגרסאות הנוכחיות של Wi-Fi, מסירה של כל חבילה בתוך החבילה המודבקת מאושרת, ואם לא מגיע אישור, שידור החבילה חוזר על עצמו באמצעות שיטות פרוטוקול גישה לערוצים. HARQ מעביר ניסיונות חוזרים מקישור הנתונים לשכבה הפיזית, שבה אין יותר מנות, אלא רק מילות קוד, והגבולות של מילות הקוד אינם עולים בקנה אחד עם גבולות החבילות. ביטול הסנכרון הזה מסבך את היישום של HARQ ב-Wi-Fi.
   • ביחס דופלקס מלא, אז נכון להיום לא ברשתות סלולריות ולא ברשתות Wi-Fi ניתן להעביר בו זמנית נתונים באותו ערוץ תדר אל נקודת הגישה (תחנת בסיס) וממנה. מנקודת מבט טכנית, זה נובע מההבדל הגדול בעוצמת האות המשודר והמתקבל. למרות שישנם אבות טיפוס המשלבים חיסור דיגיטלי ואנלוגי של האות המשודר מהאות המתקבל, המסוגלים לקבל אות Wi-Fi במהלך שידורו, הרווח שהם יכולים לספק בפועל עשוי להיות זניח בשל העובדה שבכל זמן נתון המורד אינו שווה לעולה (בממוצע "בבית החולים" היורד גדול יותר משמעותית). יתר על כן, שידור דו-כיווני כזה יסבך את הפרוטוקול באופן משמעותי.
   • בעוד שהעברת זרמים מרובים באמצעות MIMO דורשת מספר אנטנות עבור השולח והנמען, עם גישה לא אורתוגונלית נקודת הגישה יכולה לשדר נתונים לשני נמענים בו זמנית מאנטנה אחת. אפשרויות גישה שונות שאינן אורתוגונליות כלולות במפרטי ה-5G העדכניים ביותר. אב טיפוס נומה Wi-Fi נוצר לראשונה בשנת 2018 ב-IITP RAS (שוב, אל תתייחס לזה יחסי ציבור). זה הראה עלייה של 30-40% בביצועים. היתרון של הטכנולוגיה שפותחה הוא התאימות שלה לאחור: ייתכן שאחד משני הנמענים הוא מכשיר מיושן שאינו תומך ב-Wi-Fi 7. באופן כללי, בעיית התאימות לאחור חשובה מאוד, שכן מכשירים מדורות שונים יכולים לפעול בו זמנית ברשת Wi-Fi. נכון לעכשיו, מספר צוותים ברחבי העולם מנתחים את יעילות השימוש המשולב ב-NOMA וב-MU-MIMO, שתוצאותיו יקבעו את גורלה העתידי של הגישה. אנחנו גם ממשיכים לעבוד על אב הטיפוס: הגרסה הבאה שלו תוצג בכנס IEEE INFOCOM ביולי 2020.
7. לבסוף, חידוש חשוב נוסף, אך עם גורל לא ברור, הוא פעולה מתואמת של נקודות גישה. למרות שלספקים רבים יש בקרים מרכזיים משלהם עבור רשתות Wi-Fi ארגוניות, היכולות של בקרים כאלה הוגבלו בדרך כלל לתצורת פרמטרים ארוכי טווח ולבחירת ערוצים. ועדת התקנים דנה בשיתוף פעולה הדוק יותר בין נקודות גישה שכנות, הכולל תזמון שידור מתואם, יצירת אלומה ואפילו מערכות MIMO מבוזרות. חלק מהגישות הנבדקות משתמשות בביטול הפרעות ברצף (בערך כמו ב-NOMA). למרות שעדיין לא פותחו גישות לתיאום 11be, אין ספק שהתקן יאפשר לנקודות גישה מיצרנים שונים לתאם את לוחות הזמנים של שידור זה עם זה כדי להפחית הפרעות הדדיות. גישות אחרות ומורכבות יותר (כגון MU-MIMO מבוזרות) יהיו קשות יותר ליישום בתקן, אם כי חלק מחברי הקבוצה נחושים לעשות זאת בגרסה 2. ללא קשר לתוצאה, גורלן של שיטות תיאום נקודות גישה אינו ברור. גם אם נכללים בתקן, ייתכן שהם לא יגיעו לשוק. דבר דומה קרה בעבר כאשר מנסים לעשות סדר בשידורי Wi-Fi באמצעות פתרונות כמו HCCA (11e) ו-HCCA TXOP Negotiation (11be).

לסיכום, נראה כי רוב ההצעות הקשורות לחמש הקבוצות הראשונות יהפכו לחלק מ-Wi-Fi 7, בעוד שההצעות המשויכות לשתי הקבוצות האחרונות דורשות מחקר נוסף משמעותי כדי להוכיח את יעילותן.

פרטים טכניים נוספים

ניתן לקרוא פרטים טכניים על Wi-Fi 7 כאן (באנגלית)

מקור: www.habr.com