Wi-Fi 6 の詳細: OFDMA と MU-MIMO

ファーウェイは開発において Wi-Fi 6 に依存しています。そして、新世代の規格に関する同僚や顧客からの質問を受けて、それに組み込まれている理論的基礎と物理的原理について記事を書くことにしました。歴史から物理学の話に移り、OFDMA と MU-MIMO テクノロジーが必要な理由を詳しく見てみましょう。また、根本的に再設計された物理データ伝送媒体により、保証されたチャネル容量と、全体的な遅延レベルがオペレータの遅延レベルに匹敵するほどの削減をどのように達成できるようになったのかについても話しましょう。そして、最新の 5G ベースのネットワークは、同様の機能を備えた屋内 Wi-Fi 20 ネットワークよりも高価 (平均 30 ～ 6 倍) であるという事実にもかかわらず、これは可能です。

ファーウェイにとって、このテーマは決して無駄なものではありません。Wi-Fi 6 をサポートするソリューションは、2020 年に当社の最も画期的な製品の 2 つであり、それに膨大なリソースが投資されています。これはほんの一例です。材料科学分野の研究により、合金を選択することができました。その合金をアクセス ポイントの無線要素に使用すると、信号対雑音比が 3 ～ XNUMX dB 増加しました。Doron Ezri 氏の功績には脱帽です。この功績。

歴史を少し

Wi-Fi の歴史を 1971 年に遡るのは理にかなっています。当時、ハワイ大学でノーマン アブラムソン教授と同僚のグループが ALOHAnet ワイヤレス パケット データ ネットワークを開発、構築、立ち上げました。

1980 年に、802 層 OSI ネットワーク モデルの下位 802.11 層の構成を説明する標準およびプロトコルのグループ IEEE 17 が承認されました。 XNUMX の最初のバージョンがリリースされるまで、XNUMX 年もの長い間待たなければなりませんでした。

Wi-Fi Alliance 誕生の 1997 年前、802.11 年に XNUMX 標準が採用され、現在最も人気のあるワイヤレス データ テクノロジの第 XNUMX 世代がより広い世界に普及しました。

IEEE 802規格、Wi-Fi世代

機器メーカーによって真に広くサポートされた最初の規格は 802.11b でした。ご覧のとおり、イノベーションの頻度は XNUMX 世紀末以来非常に安定しています。質的な変化には時間がかかります。近年、物理的な信号伝送媒体を改善するために多くの研究が行われてきました。 Wi-Fi の現代の問題をよりよく理解するために、その物理的基盤に目を向けてみましょう。

基本を覚えていきましょう！

電波は電磁波の特殊なケースであり、電界および磁界の妨害源から伝播します。これらは、波動ベクトル、電界および磁界強度ベクトルという XNUMX つの主要なパラメータによって特徴付けられます。 XNUMX つはすべて互いに直角です。この場合、波の周波数は通常、単位時間に収まる繰り返し振動の数と呼ばれます。

これらはすべて周知の事実です。しかし、最後に到達するには最初から始めなければなりません。

電磁放射の周波数範囲の従来のスケールでは、無線範囲が最も低い (低周波数) 部分を占めます。発振周波数が 3 Hz ～ 3000 GHz の電磁波が含まれます。可視光を含む他のすべての帯域の周波数ははるかに高くなります。

周波数が高くなるほど、より多くのエネルギーを電波に与えることができますが、同時に障害物の周りでうまく曲がりにくくなり、減衰が早くなります。その逆もまた真です。これらの機能を考慮して、Wi-Fi 動作には 2,4 GHz (周波数帯域 2,4000 ～ 2,4835 GHz) と 5 GHz (周波数帯域 5,170 ～ 5,330、5,490 ～ 5,730、および 5,735 ～ 5,835 GHz) の XNUMX つの主な周波数範囲が選択されました。

電波はあらゆる方向に伝播し、干渉効果によってメッセージが相互に影響を与えるのを防ぐために、周波数帯域は通常、別々の狭いセクション、つまりチャネルごとに分割されます。 帯域幅。上の図は、帯域幅 1 MHz の隣接するチャネル 2 と 20 は相互に干渉しますが、1 と 6 は干渉しないことを示しています。

チャネル内の信号は、特定の搬送周波数の電波を使用して送信されます。情報を送信するには、波のパラメータを次のように指定できます。 変調する 周波数、振幅、または位相によって。

Wi-Fi周波数範囲でのチャネル分離

2,4 GHz の周波数範囲は、14 MHz の最適な幅を持つ 20 の部分的に重複するチャネルに分割されます。かつては、複雑なワイヤレス ネットワークを構成するにはこれで十分だと考えられていました。この範囲の容量が急速に枯渇していることがすぐに明らかになったため、スペクトル容量がはるかに高い 5 GHz 範囲が追加されました。その中で、20 MHz チャネルに加えて、40 MHz および 80 MHz の幅のチャネルを割り当てることができます。

無線周波数スペクトルの利用効率をさらに向上させるために、現在、直交周波数分割多重技術が広く使用されています（OFDM).

これには、搬送波周波数とともに、同じチャネル内で複数の副搬送波周波数を使用することが含まれ、これにより並列データ送信の実行が可能になります。 OFDM を使用すると、非常に便利な「粒度の高い」方法でトラフィックを分散できますが、古くからあるため、多くの重大な欠点が残っています。その中には、CSMA/CA (衝突回避機能付きキャリアセンス多元接続) ネットワーク プロトコルを使用して動作する原則が含まれており、これに従って、特定の時間に XNUMX 人のユーザーのみが XNUMX つのキャリアとサブキャリアで動作できるようになります。

空間の流れ

ワイヤレス ネットワークのスループットを向上させる重要な方法は、空間ストリームを使用することです。

アクセス ポイントには、特定の数のアンテナに接続された複数の無線モジュール (XNUMX つ、XNUMX つ、またはそれ以上) が搭載されています。これらのアンテナは特定のパターンと変調に従って放射し、あなたと私は無線媒体を介して送信された情報を受信します。空間ストリームは、アクセス ポイントの特定の物理アンテナ (無線モジュール) とユーザー デバイスの間で形成できます。これにより、アクセスポイントから送信される情報の総量は、ストリーム（アンテナ）の数の倍数に増加します。

現在の標準によれば、2,4 GHz 帯域では最大 5 つの空間ストリーム、XNUMX GHz 帯域では最大 XNUMX つの空間ストリームを実装できます。

以前は、2,4 GHz および 5 GHz 帯域で作業する場合、無線モジュールの数のみに注目していました。 2,4 番目の無線モジュールの存在により、古い加入者デバイスが 5 GHz の周波数で動作し、新しい加入者デバイスが 16 GHz の周波数で動作できるため、柔軟性がさらに高まりました。 XNUMX 番目以降の無線モジュールの登場により、いくつかの問題が発生しました。放射要素は互いに干渉する傾向があり、より優れた設計とアクセス ポイントに補償フィルタを装備する必要があるため、デバイスのコストが増加します。したがって、アクセス ポイントごとに XNUMX の空間ストリームを同時にサポートできるようになったのはつい最近のことです。

実用的かつ理論的な速度

OFDM 動作メカニズムにより、最大のネットワーク スループットを得ることができませんでした。 OFDM を実際に実装するための理論計算はずっと前に行われ、かなり高い信号対雑音比 (SNR) とビット誤り率 (BER) が予測どおりに期待される理想的な環境に関してのみ行われました。私たちが関心を寄せるすべての無線周波数スペクトルに強いノイズが存在する現代の状況では、OFDM ベースのネットワークのスループットは憂鬱なほど低くなります。そして、OFDMA (直交周波数分割多元接続) テクノロジーが救いの手を差し伸べるまで、このプロトコルは最近までこれらの欠点を抱え続けました。彼女についてはもう少し詳しく説明します。

アンテナについて話しましょう

ご存知のとおり、各アンテナにはゲインがあり、その値に応じて信号伝播​​ (ビームフォーミング) の空間パターンが特定のカバレッジ エリアで形成されます (信号の再反射などは考慮されていません)。これはまさに、設計者がアクセス ポイントを正確に配置する場所に常に基づいて推論してきたことです。長い間、パターンの形状は変化せず、アンテナの特性に比例して増加または減少するだけでした。

最新のアンテナ素子はますます制御可能になってきており、信号伝播の空間パターンをリアルタイムで動的に変化させることができます。

上左図は、標準的な全方向性アンテナを使用した電波伝播の原理を示しています。信号パワーを増やすことによって、チャネル使用の品質、つまり KQI (主要品質指標) に大きな影響を与えることなく、カバレッジ半径を変更することしかできません。そして、この指標は、ワイヤレス環境で加入者デバイスが頻繁に移動する状況で通信を組織するときに非常に重要です。

この問題の解決策は、多数の小型アンテナを使用することであり、その負荷はリアルタイムで調整でき、ユーザーの空間的位置に応じて伝播パターンを形成します。

したがって、MU-MIMO (マルチユーザー複数入力、複数出力) テクノロジーの使用に近づくことができました。その助けを借りて、アクセス ポイントは、特に加入者デバイスに向けられた放射線流をいつでも生成します。

物理学から 802.11 標準まで

Wi-Fi 標準が進化するにつれて、ネットワークの物理層の操作原則も変化しました。他の変調メカニズムの使用により、802.11g/n のバージョンからは、はるかに大量の情報をタイムスロットに収めることが可能になり、その結果、より多くのユーザーと連携できるようになりました。とりわけ、これは空間フローの使用によって実現されました。また、新たに発見されたチャネル幅の柔軟性により、MIMO 用により多くのリソースを生成できるようになりました。

Wi-Fi 7規格の承認は来年予定されていますが、それによって何が変わるのでしょうか？通常の速度の向上と 6 GHz 帯域の追加に加えて、320 MHz などの幅広い集約チャネルを使用できるようになります。これは、産業用途のコンテキストにおいて特に興味深いものです。

理論上の Wi-Fi 6 スループット

Wi-Fi 6 の公称速度を計算する理論式は非常に複雑で、空間ストリームの数から始まり、サブキャリア (複数のサブキャリアがある場合は複数のサブキャリア) に入力できる情報で終わる多くのパラメータに依存します。それら）単位時間当たり。

ご覧のとおり、多くは空間の流れに依存します。しかし以前は、その数の増加と STC (時空間符号化) および MRC (最大比結合) の使用を組み合わせることで、ワイヤレス ソリューション全体のパフォーマンスが悪化していました。

新しい主要な物理層テクノロジー

物理層の主要なテクノロジーに移り、OSI ネットワーク モデルの最初の層から始めましょう。

OFDM では一定数のサブキャリアが使用され、相互に影響を与えることなく一定量の情報を送信できることを思い出してください。

この例では、5,220 のサブチャネルを含む 48 GHz 帯域を使用します。このチャネルを集約することにより、それぞれが独自の変調方式を使用するより多くのサブキャリアが得られます。

Wi-Fi 5 は直交振幅変調 256 QAM (直交振幅変調) を使用します。これにより、16 つのタイム スロット内のキャリア周波数内で、振幅と位相が異なる 16 x XNUMX ポイントのフィールドを形成できます。不便な点は、常に XNUMX つのステーションだけが搬送周波数で送信できることです。

直交周波数分割多重 (OFDMA) は移動体通信事業者の世界から生まれ、LTE と同時に普及し、ダウンリンク (加入者への通信チャネル) を編成するために使用されます。これにより、いわゆるリソースユニットのレベルでチャネルを操作できるようになります。これらの単位は、ブロックを特定の数のコンポーネントに分割するのに役立ちます。ブロック内では、常に XNUMX つの発光要素 (ユーザーまたはアクセス ポイント) を厳密に操作することはできませんが、数十の要素を組み合わせます。これにより、素晴らしい結果を達成することができます。

Wi-Fi 6でチャンネルを簡単接続

Wi-Fi 6 のチャネル ボンディングを使用すると、20 ～ 160 MHz の幅の結合チャネルを取得できます。さらに、近くの範囲で接続する必要はありません。たとえば、5,17 つのブロックは 5,135 GHz 帯域から取得し、XNUMX つ目のブロックは XNUMX GHz 帯域から取得できます。これにより、強い妨害要因が存在する場合や、常時発信している他の局が近接している場合でも、柔軟に無線環境を構築できます。

SIMOからMIMOへ

MIMO 方式は、以前から存在していたわけではありません。かつて、モバイル通信は SIMO モードに限定される必要がありました。これは、加入者局に複数のアンテナが存在し、情報を受信するために同時に動作することを意味していました。

MU-MIMO は、現在のアンテナ ストック全体を使用してユーザーに情報を送信するように設計されています。これにより、送信のために加入者デバイスにトークンを送信することに関連する CSMA/CA プロトコルによって以前課されていた制限が削除されます。ユーザーはグループに団結し、各グループ メンバーは順番を待つのではなく、アクセス ポイントのアンテナ リソースの割り当てを受け取ります。

電波ビーム形成

MU-MIMO の動作における重要なルールは、電波の相互オーバーラップや位相加算による情報の損失を引き起こさないアンテナ アレイの動作モードを維持することです。

これには、アクセス ポイント側で複雑な数学的計算が必要になります。端末がこの機能をサポートしている場合、MU-MIMO により、特定のアンテナごとに信号を受信するのにかかる時間をアクセス ポイントに伝えることができます。そして、アクセス ポイントはアンテナを調整して、最適に指向されたビームを形成します。

これは一般的に何をもたらすのでしょうか?

表内の数字の付いた白丸は、前世代の Wi-Fi を使用する現在のシナリオを示しています。青い円 (上の図を参照) は Wi-Fi 6 の機能を表し、灰色の円は近い将来のことを示しています。

新しい OFDMA 対応ソリューションがもたらす主な利点は、TDM (時分割多重) と同様のレベルで実装されたリソース ユニットに関連しています。以前の Wi-Fi ではこのようなことはありませんでした。これにより、割り当てられた帯域幅を明確に制御でき、媒体を介した信号通過時間を最小限に抑え、必要な信頼性レベルを確保できます。幸いなことに、Wi-Fi の信頼性指標に改善の必要があることを疑う人はいません。

歴史は螺旋状に進み、現在の状況はかつてイーサネットを中心に発展した状況と似ています。その時点でも、CSMA/CD (衝突検出機能付きキャリアセンス多元接続) 伝送媒体は保証されたスループットを提供しないという意見が確立されていました。そして、これは IEEE 802.3z への移行まで続きました。

一般的なアプリケーション モデルに関しては、ご覧のとおり、Wi-Fi の世代が進むごとに、その使用シナリオは増加しており、遅延の影響をますます受けやすくなっています。 ジッター そして信頼性。

そして再び物理的環境について

さて、新しい物理環境がどのように形成されるかについて話しましょう。 CSMA/CA および OFDM を使用する場合、アクティブな STA の数が増加すると、20 MHz チャネルのスループットが大幅に低下します。これはすでに述べたように、最新のテクノロジである STC (時空間符号化) や MRC (最大比結合) によるものではありませんでした。

OFDMA は、リソース ユニットを使用することで、長距離の低電力局と効果的に通信できます。異なる量のリソースを消費するユーザーと同じキャリア範囲で作業する機会が得られます。 XNUMX 人のユーザーが XNUMX つのユニットを占有し、別のユーザーが他のすべてのユニットを占有することができます。

なぜ以前は OFDMA がなかったのですか?

そして最後に、主要な疑問は、なぜこれまで OFDMA がなかったのかということです。奇妙なことに、すべてはお金の問題でした。

長い間、Wi-Fi モジュールの価格は最小限であるべきだと考えられていました。 1997 年にこのプロトコルが商用運用を開始したとき、そのようなモジュールの製造コストは 1 ドルを超えてはいけないと決定されました。その結果、テクノロジーの開発は最適とは言えない道を歩むことになりました。ここでは、OFDMA がかなり長い間使用されてきた通信事業者 LTE は考慮していません。

最終的に、Wi-Fi ワーキング グループは、通信事業者の世界からのこれらの開発を企業ネットワークの世界に持ち込むことを決定しました。主な課題は、フィルターやオシレーターなどのより高品質な要素の使用への移行でした。

干渉の有無にかかわらず、古い MRC エンコーディングで作業することがこれほど困難だったのはなぜでしょうか? MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) ビームフォーミング メカニズムにより、多数の送信ポイントを結合しようとするとすぐにエラーの数が劇的に増加したためです。 OFDMA はこの問題を解決できることを証明しました。

干渉との戦いは現在、数学に基づいています。送信ウィンドウが十分に長い場合、結果として生じる動的干渉が問題を引き起こします。新しい動作アルゴリズムにより、Wi-Fi 伝送に関連する干渉だけでなく、この範囲内で発生するその他の干渉の影響も排除して、それらを回避することが可能になります。

適応型干渉防止機能のおかげで、複雑な異種混合環境でも最大 11 dB のゲインを達成できます。ファーウェイ独自のアルゴリズムソリューションを使用することで、屋内ソリューションなど、必要な場所で厳密な最適化を実現することが可能になりました。 5G で優れていることが、Wi-Fi 6 環境でも必ずしも優れているとは限りません。Massive MIMO と MU-MIMO のアプローチは、屋内ソリューションと屋外ソリューションの場合では異なります。必要に応じて、5G のように高価なソリューションを使用することが適切です。ただし、通信事業者に期待される遅延やその他の指標を提供できる Wi-Fi 6 など、他のオプションも必要です。

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ちなみに、2020年のファーウェイの新製品に関する多数のウェビナーも忘れないでください。このウェビナーはロシア語セグメントだけでなく、世界レベルでも開催されています。今後数週間のウェビナーのリストは、次の場所でご覧いただけます。 リンク.

出所： habr.com