Wi-Fi 6 심층 분석: OFDMA 및 MU-MIMO

Huawei는 개발 과정에서 Wi-Fi 6를 사용합니다. 그리고 차세대 표준에 대한 동료 및 고객의 질문에 따라 우리는 여기에 포함된 이론적 기초와 물리적 원리에 대한 게시물을 작성하게 되었습니다. 역사에서 물리학으로 넘어가 OFDMA 및 MU-MIMO 기술이 필요한 이유를 자세히 살펴보겠습니다. 또한 근본적으로 재설계된 물리적 데이터 전송 매체를 통해 어떻게 보장된 채널 용량을 달성하고 전체 지연 수준을 줄여 운영자의 지연 수준과 비교할 수 있게 되었는지에 대해서도 이야기해 보겠습니다. 그리고 이는 최신 5G 기반 네트워크가 유사한 기능을 갖춘 실내 Wi-Fi 20 네트워크보다 더 비싸다는 사실(평균 30~6배)에도 불구하고 그렇습니다.

Huawei의 경우 이 주제는 결코 유휴 주제가 아닙니다. Wi-Fi 6를 지원하는 솔루션은 막대한 자원이 투자된 2020년 가장 획기적인 제품 중 하나입니다. 다음은 한 가지 예입니다. 재료 과학 분야의 연구를 통해 우리는 합금을 선택할 수 있었고, 액세스 포인트의 무선 요소에서 이 합금을 사용하면 신호 대 잡음비가 2-3dB 증가했습니다. Doron Ezri에게 경의를 표합니다. 이 성과.

역사의 비트

Wi-Fi의 역사는 하와이 대학의 Norman Abramson 교수와 동료 그룹이 ALOHAnet 무선 패킷 데이터 네트워크를 개발, 구축 및 출시했던 1971년으로 거슬러 올라갑니다.

1980년에 IEEE 802 표준 및 프로토콜 그룹이 승인되어 802.11계층 OSI 네트워크 모델의 두 하위 계층 구성을 설명했습니다. 17의 첫 번째 버전이 출시되기까지 우리는 XNUMX년을 기다려야 했습니다.

Wi-Fi Alliance가 탄생하기 1997년 전인 802.11년에 XNUMX 표준이 채택되면서 오늘날 가장 널리 사용되는 XNUMX세대 무선 데이터 기술이 더 넓은 세계로 진출했습니다.

IEEE 802 표준 Wi-Fi 세대

장비 제조업체가 실제로 널리 지원한 최초의 표준은 802.11b였습니다. 보시다시피, 혁신의 빈도는 XNUMX세기 말부터 상당히 안정적이었습니다. 질적 변화에는 시간이 걸립니다. 최근 몇 년 동안 물리적 신호 전송 매체를 개선하기 위해 많은 노력이 이루어졌습니다. Wi-Fi의 현대적인 문제를 더 잘 이해하기 위해 Wi-Fi의 물리적 기반을 살펴보겠습니다.

기본을 기억하자!

전파는 전기장 및 자기장 교란의 원인으로부터 전파되는 전자기파의 특별한 경우입니다. 이는 파동 벡터와 전기장 및 자기장 강도 벡터의 세 가지 주요 매개 변수로 특징 지어집니다. 세 개 모두 서로 수직입니다. 이 경우 파동의 주파수는 일반적으로 단위 시간에 맞는 반복 진동 수라고 합니다.

이 모든 것은 잘 알려진 사실입니다. 그러나 끝까지 도달하려면 처음부터 다시 시작해야 합니다.

전자기 복사의 기존 주파수 범위 규모에서 무선 범위는 가장 낮은(저주파) 부분을 차지합니다. 여기에는 3Hz ~ 3000GHz의 발진 주파수를 갖는 전자기파가 포함됩니다. 가시광선을 포함한 다른 모든 대역은 훨씬 더 높은 주파수를 갖습니다.

주파수가 높을수록 전파에 더 많은 에너지가 전달될 수 있지만 동시에 장애물 주위를 덜 잘 구부리고 더 빨리 감쇠됩니다. 그 반대도 마찬가지입니다. 이러한 기능을 고려하여 Wi-Fi 작동을 위해 2,4GHz(2,4000~2,4835GHz의 주파수 대역)와 5GHz(주파수 대역 5,170~5,330, 5,490~5,730 및 5,735~5,835GHz)의 두 가지 주요 주파수 범위가 선택되었습니다.

전파는 모든 방향으로 전파되며 간섭 효과로 인해 메시지가 서로 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 주파수 대역은 일반적으로 별도의 좁은 섹션으로 나뉩니다. 대역폭. 위 다이어그램은 1MHz 대역폭을 갖는 인접 채널 2과 20가 서로 간섭하지만 1과 6은 그렇지 않음을 보여줍니다.

채널 내부의 신호는 특정 반송파 주파수의 전파를 사용하여 전송됩니다. 정보를 전송하기 위해 파동 매개 변수는 다음과 같습니다. 변조하다 주파수, 진폭 또는 위상별로.

Wi-Fi 주파수 범위의 채널 분리

2,4GHz 주파수 범위는 최적 폭이 14MHz인 20개의 부분적으로 겹치는 채널로 나뉩니다. 한때 이것은 복잡한 무선 네트워크를 구성하는 데 충분하다고 믿었습니다. 범위의 용량이 빠르게 소진되고 있다는 것이 곧 분명해졌기 때문에 스펙트럼 용량이 훨씬 더 높은 5GHz 범위가 추가되었습니다. 여기에는 20MHz 채널 외에도 40MHz 및 80MHz 폭의 채널을 할당하는 것이 가능합니다.

무선 주파수 스펙트럼의 사용 효율성을 더욱 향상시키기 위해 직교 주파수 분할 다중화 기술이 현재 널리 사용되고 있습니다.OFDM).

이는 반송파 주파수와 함께 동일한 채널에서 여러 부반송파 주파수를 사용하여 병렬 데이터 전송을 수행하는 것을 가능하게 합니다. OFDM을 사용하면 상당히 편리한 "세분화된" 방식으로 트래픽을 분산할 수 있지만, 오랜 세월이 지났기 때문에 여러 가지 중요한 단점이 있습니다. 그 중에는 특정 시간에 한 명의 사용자만 하나의 캐리어와 서브캐리어에서 작업할 수 있는 CSMA/CA(충돌 회피를 통한 캐리어 감지 다중 액세스) 네트워크 프로토콜을 사용하여 작업하는 원칙이 있습니다.

공간 흐름

무선 네트워크 처리량을 늘리는 중요한 방법은 공간 스트림을 사용하는 것입니다.

액세스 포인트에는 특정 수의 안테나에 연결된 여러 무선 모듈(XNUMX개, XNUMX개 이상)이 있습니다. 이 안테나는 특정 패턴과 변조에 따라 방사되며, 당신과 나는 무선 매체를 통해 전송되는 정보를 수신합니다. 공간 스트림은 액세스 포인트의 특정 물리적 안테나(라디오 모듈)와 사용자 장치 사이에 형성될 수 있습니다. 이로 인해 액세스 포인트에서 전송되는 정보의 총량이 스트림(안테나) 수의 배수만큼 증가합니다.

현재 표준에 따르면 2,4GHz 대역에서는 최대 5개의 공간 스트림을 구현할 수 있고, XNUMXGHz 대역에서는 최대 XNUMX개까지 구현할 수 있습니다.

이전에는 2,4GHz 및 5GHz 대역에서 작업할 때 무선 모듈 수에만 중점을 두었습니다. 두 번째 무선 모듈이 있으면 기존 가입자 장치가 2,4GHz 주파수에서 작동하고 새 장치가 5GHz 주파수에서 작동할 수 있으므로 추가적인 유연성이 제공되었습니다. 세 번째 및 후속 무선 모듈의 출현으로 몇 가지 문제가 발생했습니다. 방사 요소는 서로 간섭하는 경향이 있으며, 이는 더 나은 설계와 액세스 포인트에 보상 필터 장착이 필요하기 때문에 장치 비용을 증가시킵니다. 따라서 최근에야 액세스 포인트당 16개의 공간 스트림을 동시에 지원하는 것이 가능해졌습니다.

실용적이고 이론적인 속도

OFDM 운영 메커니즘으로 인해 최대 네트워크 처리량을 얻을 수 없었습니다. OFDM의 실제 구현을 위한 이론적 계산은 상당히 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 비트 오류율(BER)이 예상되는 이상적인 환경과 관련하여 오래 전에 수행되었습니다. 우리가 관심을 갖는 모든 무선 주파수 스펙트럼에 강한 잡음이 있는 현대 상황에서 OFDM 기반 네트워크의 처리량은 우울할 정도로 낮습니다. 그리고 프로토콜은 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 접속) 기술이 구제될 때까지 최근까지 이러한 단점을 계속 가지고 있었습니다. 그녀에 대해 - 조금 더.

안테나에 대해 이야기해보자

아시다시피, 각 안테나에는 특정 적용 범위에서 신호 전파(빔 형성)의 공간 패턴이 형성되는 값에 따라 이득이 있습니다(신호 재반사 등은 고려하지 않음). 이것이 바로 설계자가 액세스 포인트를 정확히 어디에 배치해야 하는지에 대한 추론을 항상 기반으로 삼아온 것입니다. 오랜 시간 동안 패턴의 모양은 변하지 않고 안테나의 특성에 비례하여 증가하거나 감소했습니다.

최신 안테나 요소는 점점 더 제어 가능해지고 신호 전파의 공간 패턴을 실시간으로 동적으로 변경할 수 있게 되었습니다.

위의 왼쪽 그림은 표준 무지향성 안테나를 이용한 전파 전파 원리를 보여줍니다. 신호 전력을 높이면 채널 사용 품질(KQI(핵심 품질 지표))에 큰 영향을 주지 않고 적용 범위 반경만 변경할 수 있습니다. 그리고 이 표시기는 무선 환경에서 가입자 장치가 자주 이동하는 조건에서 통신을 구성할 때 매우 중요합니다.

문제에 대한 해결책은 실시간으로 부하를 조정하고 사용자의 공간적 위치에 따라 전파 패턴을 형성할 수 있는 다수의 소형 안테나를 사용하는 것이었습니다.

이로써 MU-MIMO(다중 사용자 다중 입력, 다중 출력) 기술 활용에 근접할 수 있게 됐다. 이를 통해 액세스 포인트는 언제든지 특히 가입자 장치를 향한 방사선 흐름을 생성합니다.

물리학에서 802.11 표준까지

Wi-Fi 표준이 발전함에 따라 네트워크의 물리적 계층 작업 원칙이 변경되었습니다. 다른 변조 메커니즘을 사용하면 802.11g/n 버전부터 훨씬 더 많은 양의 정보를 시간 슬롯에 맞추고 더 많은 수의 사용자와 작업할 수 있게 되었습니다. 무엇보다도 이는 공간 흐름을 사용하여 달성되었습니다. 그리고 채널 폭의 새로운 유연성 덕분에 MIMO를 위한 더 많은 리소스를 생성할 수 있게 되었습니다.

Wi-Fi 7 표준 승인은 내년으로 예정되어 있는데, 출시되면 어떤 변화가 생길까요? 일반적인 속도 증가와 6GHz 대역 추가 외에도 320MHz와 같은 폭넓은 집계 채널로 작업하는 것이 가능해집니다. 이는 산업 응용 분야에서 특히 흥미롭습니다.

이론적인 Wi-Fi 6 처리량

Wi-Fi 6의 공칭 속도를 계산하기 위한 이론적 공식은 매우 복잡하며 공간 스트림 수에서 시작하여 하위 캐리어(또는 여러 개의 하위 캐리어가 있는 경우 하위 캐리어)에 넣을 수 있는 정보로 끝나는 많은 매개 변수에 따라 달라집니다. 그들) 단위 시간당.

보시다시피 많은 것이 공간 흐름에 따라 달라집니다. 하지만 이전에는 STC(Space-Time Coding) 및 MRC(Maximum Ratio Combining) 사용과 결합하여 그 수의 증가로 인해 무선 솔루션 전체의 성능이 저하되었습니다.

새로운 핵심 물리 계층 기술

물리 계층의 핵심 기술로 넘어가서 OSI 네트워크 모델의 첫 번째 계층부터 시작하겠습니다.

OFDM은 서로 영향을 주지 않고 특정 양의 정보를 전송할 수 있는 특정 수의 부반송파를 사용한다는 점을 기억해 보겠습니다.

이 예에서는 5,220개의 하위 채널이 포함된 48GHz 대역을 사용합니다. 이 채널을 통합함으로써 우리는 각각 자체 변조 방식을 사용하는 더 많은 수의 부반송파를 얻게 됩니다.

Wi-Fi 5는 직교 진폭 변조 256 QAM(직교 진폭 변조)을 사용합니다. 이를 통해 하나의 시간 슬롯에서 반송파 주파수 내에서 진폭과 위상이 다른 16 x 16 포인트 필드를 형성할 수 있습니다. 불편한 점은 특정 순간에 오직 하나의 스테이션만이 반송파 주파수로 전송할 수 있다는 것입니다.

OFDMA(직교 주파수 분할 다중화)는 이동통신 사업자의 세계에서 유래되었으며 LTE와 동시에 널리 보급되었으며 다운링크(가입자에 대한 통신 채널)를 구성하는 데 사용됩니다. 이를 통해 소위 자원 단위 수준에서 채널 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 단위는 블록을 특정 수의 구성 요소로 나누는 데 도움이 됩니다. 블록 내에서 매 순간 하나의 방출 요소(사용자 또는 액세스 포인트)로만 엄격하게 작업할 수는 없지만 수십 개의 요소를 결합합니다. 이를 통해 놀라운 결과를 얻을 수 있습니다.

Wi-Fi 6에서 채널을 쉽게 연결

Wi-Fi 6의 채널 본딩을 사용하면 20~160MHz 폭의 결합 채널을 얻을 수 있습니다. 또한, 꼭 가까운 범위에서 연결을 할 필요도 없습니다. 예를 들어, 한 블록은 5,17GHz 대역에서 가져오고 두 번째 블록은 5,135GHz 대역에서 가져올 수 있습니다. 이를 통해 강한 간섭 요인이 있거나 지속적으로 방출되는 다른 방송국과 근접한 경우에도 유연하게 무선 환경을 구축할 수 있습니다.

SIMO에서 MIMO로

MIMO 방법이 항상 우리와 함께 있었던 것은 아닙니다. 옛날 옛적에 모바일 통신은 SIMO 모드로 제한되어야 했는데, 이는 가입자 스테이션에 여러 안테나가 동시에 정보 수신을 위해 작동함을 의미했습니다.

MU-MIMO는 현재 안테나 스톡 전체를 이용해 사용자에게 정보를 전송하도록 설계됐다. 이는 전송을 위해 가입자 장치에 토큰을 보내는 것과 관련하여 이전에 CSMA/CA 프로토콜에 의해 부과된 제한 사항을 제거합니다. 이제 사용자는 그룹으로 통합되고 각 그룹 구성원은 차례를 기다리지 않고 액세스 포인트의 안테나 리소스를 공유받습니다.

무선빔 형성

MU-MIMO 작동에 대한 중요한 규칙은 전파의 상호 중첩과 위상 추가로 인한 정보 손실로 이어지지 않는 안테나 어레이의 작동 모드를 유지하는 것입니다.

이를 위해서는 액세스 포인트 측에서 복잡한 수학적 계산이 필요합니다. 단말기가 이 기능을 지원하는 경우 MU-MIMO를 통해 각 특정 안테나에서 신호를 수신하는 데 걸리는 시간을 액세스 포인트에 알려줄 수 있습니다. 그리고 액세스 포인트는 안테나를 조정하여 최적의 지향성 빔을 형성합니다.

이것은 일반적으로 우리에게 무엇을 제공합니까?

표에 숫자가 있는 흰색 원은 이전 세대의 Wi-Fi 사용에 대한 현재 시나리오를 나타냅니다. 파란색 원(위 그림 참조)은 Wi-Fi 6의 기능을 설명하고 회색 원은 가까운 미래의 문제입니다.

새로운 OFDMA 지원 솔루션이 제공하는 주요 이점은 TDM(시분할 다중화)과 유사한 수준에서 구현되는 리소스 단위와 관련이 있습니다. 이전에는 Wi-Fi에서는 이런 일이 없었습니다. 이를 통해 할당된 대역폭을 명확하게 제어하여 매체를 통한 신호 전송 시간을 최소화하고 필요한 수준의 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 다행스럽게도 Wi-Fi 신뢰성 지표에 개선이 필요하다는 사실을 의심하는 사람은 아무도 없습니다.

역사는 나선형으로 움직이며 현재의 상황은 한때 이더넷을 중심으로 발전했던 상황과 비슷합니다. 그럼에도 불구하고 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Protection) 전송 매체는 보장된 처리량을 제공하지 않는다는 의견이 확립되었습니다. 이는 IEEE 802.3z로 전환될 때까지 계속되었습니다.

일반 애플리케이션 모델의 경우, 보시다시피 Wi-Fi의 각 세대마다 사용 시나리오가 늘어나고 지연에 점점 더 민감해집니다. 지터 그리고 신뢰성.

그리고 다시 물리적 환경에 대해

자, 이제 새로운 물리적 환경이 어떻게 형성되는지 이야기해 보겠습니다. CSMA/CA 및 OFDM을 사용할 경우 활성 STA 수의 증가로 인해 20MHz 채널의 처리량이 크게 저하되었습니다. 이는 이미 언급한 최신 기술인 STC(Space-Time Coding) 및 MRC(Maximum Ratio Combining) 때문이 아닙니다.

OFDMA는 자원 단위를 사용하여 장거리 및 저전력 스테이션과 효과적으로 상호 작용할 수 있습니다. 우리는 사용자가 서로 다른 양의 리소스를 소비하는 동일한 통신사 범위에서 작업할 수 있는 기회를 얻습니다. 한 사용자는 한 유닛을 점유할 수 있고 다른 사용자는 다른 모든 유닛을 차지할 수 있습니다.

이전에는 왜 OFDMA가 없었나요?

그리고 마지막으로 주요 질문은 이전에는 OFDMA가 없었던 이유입니다. 이상하게도 모든 것이 돈으로 귀결되었습니다.

오랫동안 Wi-Fi 모듈의 가격은 최소화되어야 한다고 믿어졌습니다. 1997년에 프로토콜이 상업적으로 운영되기 시작했을 때, 그러한 모듈의 생산 비용은 1달러를 초과할 수 없다고 결정되었습니다. 결과적으로 기술의 발전은 차선의 길을 택하게 되었습니다. 여기서 우리는 OFDMA가 오랫동안 사용되어 온 사업자 LTE를 고려하지 않습니다.

궁극적으로 Wi-Fi 실무 그룹은 통신 사업자의 세계에서 이러한 개발을 가져와 기업 네트워크의 세계로 가져오기로 결정했습니다. 주요 작업은 필터 및 발진기와 같은 더 높은 품질의 요소를 사용하도록 전환하는 것이었습니다.

간섭이 있든 없든 기존 MRC 인코딩으로 작업하는 것이 왜 그렇게 어려웠습니까? MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 빔포밍 메커니즘은 많은 수의 송신 지점을 결합하려고 시도하자마자 오류 수가 급격히 증가했기 때문입니다. OFDMA는 문제가 해결될 수 있음을 입증했습니다.

간섭과의 싸움은 이제 수학을 기반으로 합니다. 전송 창이 충분히 길면 결과적인 동적 간섭으로 인해 문제가 발생합니다. 새로운 작동 알고리즘을 사용하면 Wi-Fi 전송과 관련된 간섭뿐만 아니라 이 범위에서 발생하는 다른 간섭의 영향도 제거하여 이를 방지할 수 있습니다.

적응형 간섭 방지 덕분에 복잡한 이기종 환경에서도 최대 11dB의 이득을 얻을 수 있습니다. Huawei의 자체 알고리즘 솔루션을 사용하면 실내 솔루션에서 정확히 필요한 곳에서 심각한 최적화를 달성할 수 있었습니다. 5G에서 좋다고 해서 Wi-Fi 6 환경에서도 반드시 좋은 것은 아닙니다.Massive MIMO와 MU-MIMO 접근 방식은 실내 솔루션과 실외 솔루션의 경우 다릅니다. 필요한 경우 5G와 같이 값비싼 솔루션을 사용하는 것이 적절합니다. 그러나 통신업체에서 기대하는 대기 시간 및 기타 측정 항목을 제공할 수 있는 Wi-Fi 6와 같은 다른 옵션이 필요합니다.

우리는 신뢰할 수 있는 물리적 환경을 제공하기 위한 노력의 일환으로 기업 소비자로서 우리에게 유용한 도구를 그들로부터 빌립니다.

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출처 : habr.com