צלילה עמוקה לתוך Wi-Fi 6: OFDMA ו-MU-MIMO

בפיתוחיה, Huawei מסתמכת על Wi-Fi 6. ושאלות של עמיתים ולקוחות לגבי הדור החדש של התקן הניעו אותנו לכתוב פוסט על היסודות התיאורטיים והעקרונות הפיזיקליים המוטבעים בו. בואו נעבור מההיסטוריה לפיזיקה ונבחן בפירוט מדוע יש צורך בטכנולוגיות OFDMA ו-MU-MIMO. בואו נדבר גם על האופן שבו מדיום שידור נתונים פיזי שעוצב מחדש ביסודו איפשר להשיג קיבולת ערוץ מובטחת והפחתה כזו ברמת העיכובים הכוללת שהם הפכו להיות דומים לאלה של המפעיל. וזאת למרות העובדה שרשתות מודרניות מבוססות 5G יקרות יותר (בממוצע פי 20-30) מרשתות Wi-Fi 6 פנימיות עם יכולות דומות.

עבור Huawei, הנושא אינו בשום אופן סרק: פתרונות התומכים ב-Wi-Fi 6 הם בין המוצרים פורצי הדרך שלנו בשנת 2020, בהם הושקעו משאבים אדירים. הנה רק דוגמה אחת: מחקר בתחום מדעי החומרים אפשר לנו לבחור סגסוגת, שהשימוש בה באלמנטים רדיו של נקודת גישה העלה את יחס האות לרעש ב-2-3 dB: הכובע מוריד בפני דורון עזרי ההישג הזה.

קצת היסטוריה

הגיוני לספור את ההיסטוריה של ה-Wi-Fi עד 1971, כאשר באוניברסיטת הוואי, פרופסור נורמן אברמסון וקבוצת עמיתים פיתחו, בנו והשיקו את רשת נתוני המנות האלחוטית ALOHAnet.

בשנת 1980 אושרה קבוצה של תקנים ופרוטוקולים IEEE 802, המתארים את הארגון של שתי השכבות התחתונות של מודל רשת OSI שבע השכבות. היינו צריכים לחכות 802.11 שנים ארוכות לפני שחרור הגרסה הראשונה של 17.

עם אימוץ תקן 1997 בשנת 802.11, שנתיים לפני לידתה של ברית ה-Wi-Fi, הדור הראשון של טכנולוגיית הנתונים האלחוטיים הפופולריים ביותר של ימינו נכנס לעולם הרחב.

תקן IEEE 802. דורות Wi-Fi

התקן הראשון שזוכה לתמיכה רחבה באמת על ידי יצרני הציוד היה 802.11b. כפי שניתן לראות, תדירות החידושים הייתה יציבה למדי מאז סוף המאה ה-XNUMX: שינויים איכותיים לוקחים זמן. בשנים האחרונות, נעשתה עבודה רבה כדי לשפר את אמצעי העברת האות הפיזי. על מנת להבין טוב יותר את הבעיות המודרניות של Wi-Fi, הבה נפנה ליסודות הפיזיים שלה.

בואו נזכור את היסודות!

גלי רדיו הם מקרה מיוחד של גלים אלקטרומגנטיים - מתפשטים ממקור של הפרעות בשדה חשמלי ומגנטי. הם מאופיינים בשלושה פרמטרים עיקריים: וקטור הגל, כמו גם וקטורי חוזק השדה החשמלי והמגנטי. שלושתם מאונכים זה לזה. במקרה זה, תדירות הגל נקראת בדרך כלל מספר התנודות החוזרות ונשנות המתאימות ליחידת זמן.

כל אלו הן עובדות ידועות. אולם כדי להגיע לסוף, אנו נאלצים להתחיל מההתחלה.

בסולם הקונבנציונלי של טווחי התדרים של קרינה אלקטרומגנטית, טווח הרדיו תופס את החלק הנמוך ביותר (תדר נמוך). הוא כולל גלים אלקטרומגנטיים עם תדר תנודות מ-3 הרץ עד 3000 גיגה-הרץ. לכל שאר הרצועות, כולל אור נראה, יש תדר הרבה יותר גבוה.

ככל שהתדר גבוה יותר, ניתן להקנות יותר אנרגיה לגל הרדיו, אך יחד עם זאת הוא מתכופף פחות טוב סביב מכשולים ומחליש מהר יותר. גם ההפך הוא הנכון. בהתחשב בתכונות אלה, נבחרו שני טווחי תדרים עיקריים לפעולת Wi-Fi - 2,4 גיגה-הרץ (פס תדרים מ-2,4000 עד 2,4835 גיגה-הרץ) ו-5 גיגה-הרץ (רצועות תדרים 5,170-5,330, 5,490-5,730 ו-5,735-5,835 גיגה-הרץ).

גלי רדיו מתפשטים לכל הכיוונים, וכדי למנוע ממסרים להשפיע זה על זה בגלל אפקט ההפרעות, רצועת התדר מחולק לרוב למקטעים צרים נפרדים - ערוצים עם זה או אחר רוחב פס. התרשים שלמעלה מראה שערוצים סמוכים 1 ו-2 ברוחב פס של 20 מגה-הרץ יפריעו זה לזה, אבל 1 ו-6 לא.

האות בתוך הערוץ מועבר באמצעות גל רדיו בתדר נושא מסוים. כדי להעביר מידע, פרמטרי גל יכולים להיות לְוַסֵת לפי תדר, משרעת או פאזה.

הפרדת ערוצים בטווחי תדרים של Wi-Fi

טווח התדרים של 2,4 גיגה-הרץ מחולק ל-14 ערוצים חופפים חלקית ברוחב אופטימלי של 20 מגה-הרץ. פעם האמינו שזה מספיק כדי לארגן רשת אלחוטית מורכבת. עד מהרה התברר כי קיבולת הטווח הולכת ומתכלה במהירות, ולכן נוסף לו טווח ה-5 גיגה-הרץ, שהקיבולת הספקטרלית שלו גבוהה בהרבה. בו, בנוסף לערוצי 20 מגה-הרץ, ניתן להקצות ערוצים ברוחב של 40 ו-80 מגה-הרץ.

כדי לשפר עוד יותר את היעילות של השימוש בספקטרום תדרי הרדיו, נעשה כיום שימוש נרחב בטכנולוגיית ריבוי חלוקת תדרים אורתוגונלית (OFDM).

זה כרוך בשימוש, יחד עם תדר הנשא, במספר תדרי תת-נשא באותו ערוץ, מה שמאפשר לבצע שידור נתונים מקביל. OFDM מאפשר לך להפיץ את התעבורה בצורה "גרגירית" נוחה למדי, אך בשל גילו המכובד, הוא שומר על מספר חסרונות משמעותיים. ביניהם עקרונות העבודה באמצעות פרוטוקול הרשת CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), לפיו רק משתמש אחד יכול לעבוד על ספק וספק משנה אחד בזמנים מסוימים.

זרימות מרחביות

דרך חשובה להגדיל את תפוקת הרשת האלחוטית היא באמצעות שימוש בזרמים מרחביים.

נקודת הגישה נושאת מספר מודולי רדיו (אחד, שניים או יותר), המחוברים למספר מסוים של אנטנות. האנטנות הללו מקרינות לפי דפוס ומודולציה מסוימים, ואתה ואני מקבלים מידע המועבר על גבי מדיום אלחוטי. הזרם המרחבי יכול להיווצר בין אנטנה פיזית ספציפית (מודול רדיו) של נקודת הגישה והתקן המשתמש. הודות לכך, נפח המידע הכולל המועבר מנקודת הגישה גדל בכפולה של מספר הזרמים (אנטנות).

על פי התקנים הנוכחיים, ניתן ליישם עד ארבעה זרמים מרחביים בפס 2,4 GHz, ועד שמונה בפס 5 GHz.

בעבר, כשעבדנו ברצועות 2,4 ו-5 GHz, התמקדנו רק במספר מודולי הרדיו. הנוכחות של מודול רדיו שני סיפקה גמישות נוספת, שכן היא אפשרה למכשירי מנויים ישנים לפעול בתדר של 2,4 גיגה-הרץ, ולחדשים לפעול בתדר של 5 גיגה-הרץ. עם הופעת מודולי הרדיו השלישיים ואחריו, התעוררו כמה בעיות. אלמנטים מקרינים נוטים להפריע זה לזה, מה שמייקר את עלות המכשיר בשל הצורך בתכנון טוב יותר ובציידת נקודת הגישה במסנני פיצוי. אז רק לאחרונה התאפשר לתמוך בו זמנית ב-16 זרמים מרחביים לכל נקודת גישה.

מהירות מעשית ותיאורטית

עקב מנגנוני הפעלה של OFDM, לא הצלחנו להשיג תפוקת רשת מקסימלית. חישובים תיאורטיים ליישום מעשי של OFDM בוצעו לפני זמן רב ורק ביחס לסביבות אידיאליות, שבהן היה צפוי יחס אות לרעש גבוה למדי (SNR) ושיעור שגיאות סיביות (BER). בתנאים מודרניים של רעש חזק בכל ספקטרום תדרי הרדיו שמעניינים אותנו, התפוקה של רשתות מבוססות OFDM נמוך באופן מדכא. והפרוטוקול המשיך לשאת את החסרונות הללו עד לאחרונה, עד שטכנולוגיית OFDMA (אורתוגונלית חלוקת תדרים מרובה גישה) באה לעזרה. עליה - עוד קצת.

בואו נדבר על אנטנות

כידוע, לכל אנטנה יש רווח, בהתאם לערך שלה נוצרת תבנית מרחבית של התפשטות האות (היווצרות קרן) עם אזור כיסוי מסוים (אנחנו לא לוקחים בחשבון השתקפות מחדש של האות וכו'). זה בדיוק מה שמעצבים תמיד ביססו את הנימוקים שלהם על היכן בדיוק יש למקם נקודות גישה. במשך זמן רב, צורת התבנית נותרה ללא שינוי ורק גדלה או ירדה ביחס למאפייני האנטנה.

רכיבי אנטנה מודרניים הופכים יותר ויותר ניתנים לשליטה ומאפשרים שינויים דינמיים בתבנית המרחבית של התפשטות האות בזמן אמת.

האיור השמאלי שלמעלה מציג את העיקרון של התפשטות גלי רדיו באמצעות אנטנה רגילה לכל-כיווני. על ידי הגדלת עוצמת האות, נוכל לשנות רק את רדיוס הכיסוי ללא יכולת להשפיע באופן משמעותי על איכות השימוש בערוץ - KQI (Key Quality Indicators). ומחוון זה חשוב ביותר בעת ארגון תקשורת בתנאים של תנועה תכופה של מכשיר המנוי בסביבה אלחוטית.

הפתרון לבעיה היה שימוש במספר רב של אנטנות קטנות, שניתן לכוונן את העומס עליהן בזמן אמת, וליצור דפוסי התפשטות בהתאם למיקום המרחבי של המשתמש.

כך, ניתן היה להתקרב לשימוש בטכנולוגיית MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). בעזרתה, נקודת הגישה מייצרת בכל עת זרימות קרינה המכוונות במיוחד למכשירי מנויים.

מפיזיקה לתקני 802.11

ככל שהתפתחו תקני Wi-Fi, עקרונות העבודה עם השכבה הפיזית של הרשת השתנו. השימוש במנגנוני אפנון אחרים איפשר - החל מגרסאות של 802.11g/n - להכניס כמות הרבה יותר גדולה של מידע לתוך משבצת זמן ובהתאם, לעבוד עם מספר גדול יותר של משתמשים. בין היתר, זה הושג באמצעות שימוש בזרימות מרחביות. והגמישות החדשה שנמצאה במונחים של רוחב הערוץ אפשרה לייצר משאבים נוספים עבור MIMO.

אישור תקן Wi-Fi 7 מתוכנן לשנה הבאה. מה ישתנה עם הגעתו? בנוסף לעלייה הרגילה במהירות ותוספת פס ה-6 גיגה-הרץ, ניתן יהיה לעבוד עם ערוצים מצטברים רחבים, כמו 320 מגה-הרץ. זה מעניין במיוחד בהקשר של יישומים תעשייתיים.

תפוקה תיאורטית של Wi-Fi 6

הנוסחה התיאורטית לחישוב המהירות הנומינלית של Wi-Fi 6 מורכבת למדי ותלויה בפרמטרים רבים, החל במספר הזרמים המרחביים וכלה במידע שאנו יכולים להכניס לנשא משנה (או לנשאי משנה, אם יש כמה אותם) ליחידת זמן.

כפי שאתה יכול לראות, הרבה תלוי בזרימות מרחביות. אבל לפני כן, עלייה במספרם בשילוב עם השימוש ב-STC (Space-Time Coding) ו-MRC (Maximum Ratio Combining) החמירו את הביצועים של הפתרון האלחוטי בכללותו.

טכנולוגיות מפתח חדשות בשכבה פיזית

נעבור לטכנולוגיות המפתח של השכבה הפיזית – ונתחיל בשכבה הראשונה של מודל הרשת של OSI.

הבה נזכיר ש-OFDM משתמש במספר מסוים של ספקי משנה, אשר מבלי להשפיע זה על זה, מסוגלים להעביר כמות מסוימת של מידע.

בדוגמה, אנו משתמשים בפס 5,220 גיגה-הרץ, המכיל 48 תתי-ערוצים. על ידי צבירה של ערוץ זה, אנו מקבלים מספר גדול יותר של ספקי משנה, שכל אחד מהם משתמש בסכימת אפנון משלו.

Wi-Fi 5 משתמש באפנון משרעת נצב 256 QAM (Modulation Quadrature Amplitude), המאפשר לך ליצור שדה של 16 x 16 נקודות בתוך תדר הנשא במשבצת זמן אחת, השונה באמפליטודה ובפאזה. אי הנוחות היא שבכל רגע נתון רק תחנה אחת יכולה לשדר בתדר הנשא.

ריבוי חלוקת תדרים אורתוגונלית (OFDMA) הגיע מעולם המפעילים הסלולריים, התפשט במקביל ל-LTE ומשמש לארגון downlink (ערוץ תקשורת למנוי). זה מאפשר לך לעבוד עם הערוץ ברמה של מה שנקרא יחידות משאבים. יחידות אלו עוזרות לפרק בלוק למספר מסוים של רכיבים. בתוך בלוק, בכל רגע לא נוכל לעבוד אך ורק עם אלמנט פולט אחד (משתמש או נקודת גישה), אלא לשלב עשרות אלמנטים. זה מאפשר לך להשיג תוצאות יוצאות דופן.

חיבור קל של ערוצים ב-Wi-Fi 6

חיבור ערוצים ב-Wi-Fi 6 מאפשר לך להשיג ערוצים משולבים ברוחב של 20 עד 160 מגה-הרץ. יתרה מכך, החיבור אינו חייב להתבצע בטווחים קרובים. לדוגמה, ניתן לקחת בלוק אחד מפס 5,17 גיגה-הרץ, והשני מפס 5,135 גיגה-הרץ. זה מאפשר לך לבנות באופן גמיש סביבת רדיו גם בנוכחות גורמי הפרעה חזקים או בקרבה לתחנות אחרות הפולטות כל הזמן.

מ-SIMO ל-MIMO

שיטת MIMO לא תמיד הייתה איתנו. פעם, התקשורת הסלולרית הייתה צריכה להיות מוגבלת למצב SIMO, מה שמרמז על נוכחות של מספר אנטנות בתחנת המנוי, שפועלות במקביל לקבלת מידע.

MU-MIMO נועד להעביר מידע למשתמשים באמצעות כל מלאי האנטנות הנוכחי. זה מסיר את ההגבלות שהוטלו בעבר על ידי פרוטוקול CSMA/CA הקשורים לשליחת אסימונים למכשירי מנויים לצורך שידור. כעת משתמשים מאוחדים בקבוצה וכל חבר בקבוצה מקבל את חלקו במשאב האנטנה של נקודת הגישה, במקום לחכות לתורם.

היווצרות קרן רדיו

כלל חשוב לפעולה של MU-MIMO הוא לשמור על אופן פעולה של מערך האנטנות שלא יוביל לחפיפה הדדית של גלי רדיו ואובדן מידע עקב הוספת פאזה.

זה דורש חישובים מתמטיים מורכבים בצד נקודת הגישה. אם המסוף תומך בתכונה זו, MU-MIMO מאפשר לו לומר לנקודת הגישה כמה זמן לוקח לקבל אות בכל אנטנה ספציפית. ונקודת הגישה, בתורה, מתאימה את האנטנות שלה כדי ליצור אלומה מכוונת בצורה אופטימלית.

מה זה נותן לנו באופן כללי?

עיגולים לבנים עם מספרים בטבלה מציינים תרחישים נוכחיים לשימוש ב-Wi-Fi של דורות קודמים. העיגולים הכחולים (ראה איור למעלה) מתארים את היכולות של Wi-Fi 6, והאפורים הם עניין של העתיד הקרוב.

היתרונות העיקריים שמביאים פתרונות חדשים התומכים ב-OFDMA קשורים ליחידות משאבים המיושמות ברמה דומה ל-TDM (Time Division Multiplexing). זה מעולם לא היה המקרה עם Wi-Fi לפני כן. זה מאפשר לך לשלוט בבירור ברוחב הפס המוקצה, תוך הבטחת זמן מעבר אות מינימלי דרך המדיום ואת רמת האמינות הנדרשת. למרבה המזל, אף אחד לא מטיל ספק בכך שמחווני אמינות Wi-Fi זקוקים לשיפור.

ההיסטוריה נעה בספירלה, והמצב הנוכחי דומה לזה שהתפתח סביב אתרנט בעת ובעונה אחת. כבר אז נקבעה הדעה שאמצעי השידור CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) אינו מספק תפוקה מובטחת כלשהי. וזה נמשך עד המעבר ל-IEEE 802.3z.

באשר לדגמי היישומים הכלליים, כפי שניתן לראות, עם כל דור של Wi-Fi, תרחישי השימוש בו הולכים ומתרבים, רגישים יותר ויותר לעיכובים, כללי לְהִתְעַצְבֵּן ואמינות.

ושוב על הסביבה הפיזית

ובכן, עכשיו בואו נדבר על איך נוצרת הסביבה הפיזית החדשה. בעת שימוש ב-CSMA/CA ו-OFDM, עלייה במספר ה-STAs הפעילים הובילה לירידה רצינית בתפוקה של ערוץ ה-20 מגה-הרץ. זה נבע ממה שכבר הוזכר: לא הטכנולוגיות החדשות ביותר STC (Coding Space-Time) ו-MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA, באמצעות שימוש ביחידות משאבים, יכול ליצור אינטראקציה יעילה עם תחנות ארוכות ותחנות כוח נמוכות. אנו מקבלים את ההזדמנות לעבוד באותו טווח ספקים עם משתמשים שצורכים כמויות שונות של משאבים. משתמש אחד יכול לתפוס יחידה אחת, ואחר - כל האחרים.

למה לא היה OFDMA קודם?

ולבסוף, השאלה העיקרית: מדוע לא היה OFDMA קודם? באופן מוזר, הכל הסתכם בכסף.

במשך זמן רב האמינו כי המחיר של מודול Wi-Fi צריך להיות מינימלי. כשהפרוטוקול הושק לפעולה מסחרית ב-1997, הוחלט שעלות הייצור של מודול כזה לא תעלה על 1$. כתוצאה מכך, התפתחות הטכנולוגיה עברה דרך לא אופטימלית. כאן אנחנו לא לוקחים בחשבון את המפעיל LTE, שבו נעשה שימוש ב-OFDMA כבר די הרבה זמן.

בסופו של דבר, קבוצת העבודה של Wi-Fi החליטה לקחת את הפיתוחים הללו מעולם מפעילי הטלקום ולהביא אותם לעולם הרשתות הארגוניות. המשימה העיקרית הייתה המעבר לשימוש באלמנטים איכותיים יותר, כגון מסננים ומתנדים.

מדוע היה לנו כל כך קשה לעבוד בקידודי MRC הישנים עם או בלי הפרעות? מכיוון שמנגנון יצירת האלומות MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) הגדיל באופן דרמטי את מספר השגיאות ברגע שניסינו לשלב מספר רב של נקודות שידור. OFDMA הוכיחה שניתן לפתור את הבעיה.

המאבק בהפרעות מבוסס כעת על מתמטיקה. אם חלון השידור ארוך מספיק, ההפרעה הדינמית שנוצרת גורמת לבעיות. אלגוריתמי הפעלה חדשים מאפשרים להימנע מהם, ומבטלים את ההשפעה לא רק של הפרעות הקשורות לשידור Wi-Fi, אלא גם של כל דבר אחר המתרחש בטווח זה.

הודות לאנטי-הפרעות אדפטיביות, אנו יכולים להשיג רווחים של עד 11 dB אפילו בסביבות הטרוגניות מורכבות. השימוש בפתרונות האלגוריתמיים של Huawei עצמו איפשר להגיע לאופטימיזציה רצינית בדיוק היכן שהיה צורך - בפתרונות פנימיים. מה שטוב ב-5G לא בהכרח טוב בסביבת Wi-Fi 6. גישות מסיביות של MIMO ו-MU-MIMO שונות במקרה של פתרונות פנימיים וחיצוניים. במידת הצורך, ראוי להשתמש בפתרונות יקרים, כמו ב-5G. אבל יש צורך באפשרויות אחרות, כמו Wi-Fi 6, שיכול לספק את ההשהיה ומדדים אחרים שלמדנו מצפים מהספקים.

אנו משאילים מהם את הכלים שיהיו שימושיים עבורנו כצרכנים ארגוניים, והכל במאמץ לספק סביבה פיזית שאנו יכולים לסמוך עליה.

***

אגב, אל תשכח את הסמינרים המקוונים הרבים שלנו על מוצרי Huawei חדשים לשנת 2020, שנערכו לא רק בפלח השפה הרוסית, אלא גם ברמה הגלובלית. רשימה של סמינרים מקוונים לשבועות הקרובים זמינה בכתובת קשר.

מקור: www.habr.com