Өзүнүн иштеп чыгууларында Huawei Wi-Fi 6га таянат. Ал эми кесиптештердин жана кардарлардын стандарттын жаңы муунуна байланыштуу суроолору бизди теориялык негиздер жана андагы физикалык принциптер тууралуу пост жазууга түрттү. Келгиле, тарыхтан физикага өтүп, OFDMA жана MU-MIMO технологиялары эмне үчүн керек экенин майда-чүйдөсүнө чейин карап көрөлү. Ошондой эле, принципиалдуу түрдө кайра иштелип чыккан физикалык маалымат берүү каражаты каналдын кепилденген сыйымдуулугуна жетүү үчүн кандайча мүмкүндүк бергендиги жана кечигүүлөрдүн жалпы деңгээлинин ушунчалык төмөндөшү, алар оператордукуна окшош болуп калганы жөнүндө да сүйлөшөлү. Жана бул заманбап 5G негизиндеги тармактар окшош мүмкүнчүлүктөрү бар ички Wi-Fi 20 тармактарына караганда кымбатыраак (орто эсеп менен 30–6 эсе) экендигине карабастан.
Huawei үчүн бул тема эч кандай бош эмес: Wi-Fi 6ны колдогон чечимдер 2020-жылдагы эң чоң ресурстар жумшалган биздин эң жетишкендиктерибиздин бири. Бул жерде бир эле мисал: материал таануу тармагындагы изилдөөлөр эритме тандоого мүмкүндүк берди, аны кирүү чекитинин радио элементтеринде колдонуу сигнал менен ызы-чуунун катышын 2-3 дБ жогорулатты: Дорон Эзри үчүн шляпалар бул жетишкендик.
Бир аз тарыхы
Гавайи университетинде профессор Норман Абрамсон жана бир топ кесиптештери ALOHAnet зымсыз пакет маалымат тармагын иштеп чыгып, куруп жана ишке киргизген 1971-жылга чейинки Wi-Fi тарыхын санап чыгуунун мааниси бар.
1980-жылы жети катмарлуу OSI тармагынын моделинин эки төмөнкү катмарын уюштурууну сүрөттөгөн IEEE 802 стандарттарынын жана протоколдорунун тобу бекитилген. 802.11 биринчи версиясы чыкканга чейин 17 жыл күтүшүбүз керек болчу.
1997-жылы 802.11 стандартынын кабыл алынышы менен, Wi-Fi Альянсы түзүлгөндөн эки жыл мурун, азыркы эң популярдуу зымсыз маалымат технологиясынын биринчи мууну кеңири дүйнөгө кирди.
IEEE 802 стандарты Wi-Fi муундары
Жабдууларды өндүрүүчүлөр тарабынан чындап колдоого алынган биринчи стандарт 802.11b болгон. Көрүнүп тургандай, инновациялардын жыштыгы XNUMX-кылымдын аягынан бери бир кыйла туруктуу: сапаттык өзгөрүүлөр убакытты талап кылат. Акыркы жылдарда физикалык сигнал берүүнү жакшыртуу боюнча көп иштер аткарылды. Wi-Fi заманбап көйгөйлөрүн жакшыраак түшүнүү үчүн, анын физикалык негиздерине кайрылалы.
Негиздерди эстейли!
Радиотолкундар электромагниттик толкундардын өзгөчө учуру - электр жана магнит талаасынын бузулушунун булагынан таралган. Алар үч негизги параметр менен мүнөздөлөт: толкун вектору, ошондой эле электр жана магнит талаасынын күч векторлору. Үчөө тең бири-бирине перпендикуляр. Бул учурда толкундун жыштыгы адатта убакыт бирдигине туура келген кайталануучу термелүүлөрдүн саны деп аталат.
Булардын баары белгилүү фактылар. Бирок, аягына жетүү үчүн эң башынан баштоого аргасыз болуп жатабыз.
Электромагниттик нурлануунун жыштык диапазонунун шарттуу шкаласында радио диапазон эң төмөнкү (төмөн жыштык) бөлүктү ээлейт. Ал термелүү жыштыгы 3 Гцден 3000 ГГцге чейинки электромагниттик толкундарды камтыйт. Бардык башка тилкелер, анын ичинде көрүнгөн жарык, бир кыйла жогору жыштыкка ээ.
Жыштык канчалык жогору болсо, радиотолкунга ошончолук көп энергия берилиши мүмкүн, бирок ошол эле учурда ал тоскоолдуктарды азыраак ийилет жана тезирээк басаңдайт. Мунун тескериси да чындык. Ушул өзгөчөлүктөрдү эске алуу менен, Wi-Fi иштеши үчүн эки негизги жыштык диапазону тандалды - 2,4 ГГц (2,4000ден 2,4835 ГГцке чейин жыштык тилкеси) жана 5 ГГц (5,170-5,330, 5,490-5,730 жана 5,735-5,835 ГГц жыштык тилкелери).
Радиотолкундар бардык багыттар боюнча тарайт жана интерференция эффектинин натыйжасында кабарлардын бири-бирине таасирин тийгизбөө үчүн жыштык тилкеси адатта өзүнчө кууш бөлүкчөлөргө - тигил же бул каналдарга бөлүнөт. . Жогорудагы диаграммада 1 МГц өткөрүү жөндөмдүүлүгү менен чектеш каналдар 2 жана 20 бири-бирине тоскоол болоорун көрсөтүп турат, бирок 1 жана 6-каналдар тоскоолдук кылбайт.
Каналдын ичиндеги сигнал белгилүү бир алып жүрүүчү жыштыктагы радио толкундун жардамы менен берилет. маалымат берүү үчүн, толкун параметрлери болушу мүмкүн жыштык, амплитуда же фаза боюнча.
Wi-Fi жыштык диапазондорунда каналды бөлүү
2,4 ГГц жыштык диапазону оптималдуу туурасы 14 МГц болгон 20 жарым-жартылай кайталанган каналга бөлүнгөн. Бир жолу бул татаал зымсыз тармакты уюштуруу үчүн жетиштүү деп эсептелген. Көп өтпөй диапазонун кубаттуулугу тез түгөнүп баратканы айкын болду, ошондуктан ага 5 ГГц диапазону кошулду, анын спектрдик сыйымдуулугу алда канча жогору. Анда 20 МГц каналдарынан тышкары, туурасы 40 жана 80 МГц каналдарды бөлүштүрүүгө болот.
Радио жыштык спектрин колдонуунун эффективдүүлүгүн мындан ары жогорулатуу үчүн ортогоналдык жыштык бөлүштүрүү мультиплекстөө технологиясы кеңири колдонулууда ().
Ал алып жүрүүчү жыштык менен бирге бир эле каналда бир нече субташуучу жыштыктарды колдонууну камтыйт, бул параллелдүү маалыматтарды берүүнү ишке ашырууга мүмкүндүк берет. OFDM сизге трафикти кыйла ыңгайлуу "гранул" түрдө бөлүштүрүүгө мүмкүндүк берет, бирок анын улуу курагынан улам бир катар олуттуу кемчиликтерди сактайт. Алардын арасында CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) тармактык протоколун колдонуу менен иштөө принциптери бар, ага ылайык бир гана колдонуучу белгилүү бир убакытта бир оператордо жана субташуучуда иштей алат.
Мейкиндик агымдары
Зымсыз тармактын өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жогорулатуунун маанилүү жолу мейкиндик агымдарын пайдалануу болуп саналат.
Кирүү чекити белгилүү бир сандагы антенналарга туташтырылган бир нече радио модулдарды (бир, эки же андан көп) алып жүрөт. Бул антенналар белгилүү бир калыпка жана модуляцияга ылайык нурланышат жана сиз жана мен зымсыз чөйрө аркылуу берилүүчү маалыматты алабыз. Мейкиндик агымы кирүү чекитинин белгилүү бир физикалык антеннасы (радио модулу) менен колдонуучу түзүлүштүн ортосунда түзүлүшү мүмкүн. Мунун аркасында кирүү түйүнүнөн берилүүчү маалыматтын жалпы көлөмү агымдардын (антенналардын) санына бир эсе көбөйөт.
Учурдагы стандарттарга ылайык, 2,4 ГГц диапазондо төрт мейкиндик агымына чейин, 5 ГГц диапазондо сегизге чейин ишке ашырылышы мүмкүн.
Мурда 2,4 жана 5 ГГц диапазондорунда иштегенде биз радиомодулдардын санына гана көңүл бурчубуз. Экинчи радиомодулдун болушу кошумча ийкемдүүлүктү камсыз кылды, анткени ал эски абоненттик түзүлүштөргө 2,4 ГГц жыштыкта, ал эми жаңылары 5 ГГц жыштыкта иштөөгө мүмкүндүк берди. Үчүнчү жана андан кийинки радио модулдардын пайда болушу менен кээ бир көйгөйлөр пайда болду. Радиациялоочу элементтер бири-бирине тоскоол болушат, бул жакшыраак долбоорлоо жана кирүү пунктун компенсациялык фильтрлер менен жабдуу зарылдыгынан улам аппараттын баасын жогорулатат. Ошентип, бир эле учурда ар бир кирүү чекитине 16 мейкиндик агымын колдоо жакында эле мүмкүн болду.
Практикалык жана теориялык ылдамдык
OFDM иштөө механизмдеринен улам биз тармактын максималдуу өткөрүү жөндөмдүүлүгүн ала алган жокпуз. OFDMди практикалык ишке ашыруу үчүн теориялык эсептөөлөр алда канча убакыт мурун жана идеалдуу чөйрөлөргө карата гана жүргүзүлгөн, анда сигналдын ызы-чуу катышы (SNR) жана бит катасынын ылдамдыгы (BER) алдын ала күтүлгөн. Бизди кызыктырган бардык радиожыштык спектрлериндеги күчтүү ызы-чуунун заманбап шарттарында OFDM негизиндеги тармактардын өткөрүү жөндөмдүүлүгү өтө төмөн. Ал эми протокол OFDMA (ортогоналдык жыштык-бөлүштүрүү көп жетүү) технологиясы жардамга келгенге чейин, акыркы убакка чейин бул кемчиликтерди алып жүрдү. Ал жөнүндө - бир аз ары.
Келгиле, антенналар жөнүндө сүйлөшөлү
Белгилүү болгондой, ар бир антеннада белгилүү бир камтуу зонасы менен сигналдын таралышынын мейкиндик схемасы түзүлөт (сигналдын кайра чагылдырылышы ж. Дизайнерлор ар дайым кирүү чекиттерин так кайда жайгаштыруу керек экендигине негизденип келишкен. Узак убакыт бою оюмдун формасы өзгөрүүсүз калган жана антеннанын өзгөчөлүктөрүнө жараша гана көбөйгөн же азайган.
Заманбап антеннанын элементтери барган сайын башкарылуучу болуп баратат жана реалдуу убакытта сигналдын таралышынын мейкиндик схемасын динамикалык өзгөртүүгө мүмкүндүк берет.
Жогорудагы сол сүрөттө стандарттуу ар тараптуу антеннаны колдонуу менен радио толкундардын таралуу принциби көрсөтүлгөн. Сигналдын күчүн жогорулатуу менен биз каналды колдонуунун сапатына олуттуу таасир этпестен гана камтуу радиусун өзгөртө алганбыз - KQI (Сапаттын негизги көрсөткүчтөрү). Жана бул көрсөткүч зымсыз чөйрөдө абоненттик түзүлүштүн тез-тез кыймылынын шарттарында байланышты уюштурууда өтө маанилүү.
Көйгөйдүн чечилишин колдонуучунун мейкиндик абалына жараша таралуу схемаларын түзүүчү, жүктү реалдуу убакыт режиминде жөнгө салууга мүмкүн болгон көп сандагы чакан антенналарды колдонуу болду.
Ошентип, MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) технологиясын колдонууга жакын келүүгө мүмкүн болду. Анын жардамы менен кирүү түйүнү каалаган убакта абоненттик түзүлүштөргө багытталган радиациялык агымдарды жаратат.
Физикадан 802.11 стандарттарына чейин
Wi-Fi стандарттары өнүккөн сайын тармактын физикалык катмары менен иштөө принциптери өзгөрдү. Башка модуляция механизмдерин колдонуу - 802.11g/n версияларынан баштап - убакыт аралыгына көбүрөөк көлөмдөгү маалыматты батырууга жана ошого жараша колдонуучулардын көбүрөөк саны менен иштөөгө мүмкүндүк берди. Башка нерселер менен катар бул мейкиндик агымдарын пайдалануу аркылуу жетишилди. Жана каналдын туурасынын жаңы ийкемдүүлүгү MIMO үчүн көбүрөөк ресурстарды түзүүгө мүмкүндүк берди.
Wi-Fi 7 стандартын бекитүү келерки жылга пландаштырылган, анын келиши менен эмне өзгөрөт? Кадимки ылдамдыкты жогорулатуудан жана 6 ГГц диапазонун кошуудан тышкары, 320 МГц сыяктуу кеңири агрегацияланган каналдар менен иштөө мүмкүн болот. Бул өнөр жай колдонмолорунун контекстинде өзгөчө кызыктуу.
Теориялык Wi-Fi 6 өткөрүү жөндөмдүүлүгү
Wi-Fi 6нын номиналдык ылдамдыгын эсептөөнүн теориялык формуласы абдан татаал жана мейкиндик агымдарынын санынан баштап, биз суб-ташуучуга (же бир нече бар болсо, суб-ташуучуларга) киргизе ала турган маалыматка чейин көптөгөн параметрлерге көз каранды. аларды) убакыт бирдигине.
Көрүнүп тургандай, көп нерсе мейкиндик агымдарынан көз каранды. Бирок буга чейин, STC (Космос-убакыт коддоо) жана MRC (максималдуу катышы айкалыштыруу) менен айкалышта алардын санынын өсүшү бүтүндөй зымсыз чечимдин иштешин начарлаткан.
Жаңы негизги физикалык катмар технологиялары
Физикалык катмардын негизги технологияларына өтүп, OSI тармак моделинин биринчи катмарынан баштайлы.
Эске сала кетсек, OFDM бир-бирине таасир этпестен, белгилүү бир көлөмдөгү маалыматты өткөрүүгө жөндөмдүү болгон белгилүү бир сандагы субташуучуларды колдонот.
Мисалда биз 5,220 субканалды камтыган 48 ГГц тилкесин колдонобуз. Бул каналды бириктирүү менен, биз ар бири өзүнүн модуляция схемасын колдоно турган көбүрөөк сандагы субташуучуларды алабыз.
Wi-Fi 5 амплитудасы жана фазасы боюнча айырмаланган бир убакыт уясында алып жүрүүчү жыштыктын ичинде 256 x 16 чекиттик талааны түзүүгө мүмкүндүк берген 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) квадраттык амплитудалык модуляциясын колдонот. Ыңгайсыздык, кайсы учурда болбосун, бир гана станция алып жүрүүчү жыштыкта өткөрө алат.
Ортогоналдык жыштык бөлүштүрүү мультиплекси (OFDMA) уюлдук операторлор дүйнөсүнөн келип, LTE менен бир убакта кеңири таралган жана төмөн байланышты (абонент менен байланыш каналын) уюштуруу үчүн колдонулат. Бул ресурстук бирдиктердин деңгээлинде канал менен иштөөгө мүмкүндүк берет. Бул бирдиктер блокту белгилүү бир сандагы компоненттерге бөлүүгө жардам берет. Блоктун ичинде, ар бир учурда биз бир чыгаруучу элемент (колдонуучу же кирүү чекити) менен так иштей албайбыз, бирок ондогон элементтерди бириктиребиз. Бул укмуштуудай натыйжаларга жетишүүгө мүмкүндүк берет.
Wi-Fi 6дагы каналдарды оңой туташтыруу
Wi-Fi 6дагы каналдарды бириктирүү 20дан 160 МГцге чейинки туурасы менен бириктирилген каналдарды алууга мүмкүндүк берет. Мындан тышкары, байланышты жакын аралыкта жасоонун кажети жок. Мисалы, бир блокту 5,17 ГГц диапазонунан, экинчисин 5,135 ГГц диапазонунан алса болот. Бул күчтүү интерференция факторлору болгон учурда же башка тынымсыз бөлүп чыгаруучу станцияларга жакын жерде да радио чөйрөсүн ийкемдүү курууга мүмкүндүк берет.
SIMOдон MIMOго чейин
MIMO ыкмасы ар дайым биз менен болгон эмес. Бир кезде мобилдик байланыш SIMO режими менен чектелиши керек болчу, бул абоненттик станцияда бир эле учурда маалымат алуу үчүн иштеген бир нече антенналардын болушун билдирген.
MU-MIMO бардык учурдагы антенна запасын колдонуу менен колдонуучуларга маалымат берүү үчүн иштелип чыккан. Бул CSMA/CA протоколу тарабынан токендерди берүү үчүн абоненттик түзмөктөргө жөнөтүүгө байланыштуу мурда коюлган чектөөлөрдү алып салат. Эми колдонуучулар бир топко биригип, топтун ар бир мүчөсү өз кезегин күтпөстөн, кирүү чекитинин антенна ресурсунан өз үлүшүн алат.
Радио нурларынын пайда болушу
MU-MIMOнун иштөөсүнүн маанилүү эрежеси антенна массивинин иштөө режимин сактоо болуп саналат, ал радиотолкундардын өз ара кайталанышына жана фазалардын кошулуусунан улам маалыматтын жоголушуна алып келбейт.
Бул кирүү чекити тарабында татаал математикалык эсептөөлөрдү талап кылат. Эгерде терминал бул функцияны колдосо, MU-MIMO ага кирүү чекитине ар бир конкреттүү антеннада сигналды кабыл алуу үчүн канча убакыт талап кылынарын айтууга мүмкүндүк берет. Ал эми кирүү чекити өз кезегинде антенналарын оптималдуу багытталган нурду түзүү үчүн тууралайт.
Бул бизге жалпысынан эмне берет?
Таблицада сандары бар ак тегерекчелер мурунку муундардын Wi-Fi тармагын колдонуунун учурдагы сценарийлерин көрсөтөт. Көк чөйрөлөр (жогорудагы сүрөттү караңыз) Wi-Fi 6нын мүмкүнчүлүктөрүн сүрөттөйт, ал эми боз түстөр - жакынкы келечектин маселеси.
Жаңы OFDMA иштетилген чечимдер алып келген негизги артыкчылыктар TDM (Time Division Multiplexing) деңгээлинде ишке ашырылган ресурстук бирдиктерге байланыштуу. Буга чейин Wi-Fi менен мындай болгон эмес. Бул бөлүштүрүлгөн өткөрүү жөндөмдүүлүгүн так көзөмөлдөөгө мүмкүндүк берет, сигналдын чөйрө аркылуу минималдуу өтүү убактысын жана ишенимдүүлүктүн талап кылынган деңгээлин камсыз кылат. Бактыга жараша, Wi-Fi ишенимдүүлүгүнүн көрсөткүчтөрү жакшыртылышы керек экенине эч ким шектенбейт.
Тарых спираль менен жылат жана азыркы кырдаал бир убакта Ethernetтин айланасында түзүлгөн кырдаалга окшош. Ошондо да CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) берүү чөйрөсү эч кандай кепилденген өткөрүү мүмкүнчүлүгүн бербейт деген пикир аныкталган. Бул IEEE 802.3z өтүү чейин уланган.
Колдонмонун жалпы моделдерине келсек, сиз көрүп тургандай, Wi-Fi ар бир мууну менен аны колдонуу сценарийлери көбөйүүдө, кечигүүлөргө көбүрөөк сезгич, жалпы жана ишенимдүүлүк.
Жана дагы физикалык чөйрө жөнүндө
Келгиле, эми жаңы физикалык чөйрө кандайча түзүлөөрү жөнүндө сүйлөшөлү. CSMA/CA жана OFDMди колдонууда активдүү STAлардын санынын көбөйүшү 20 МГц каналынын өткөрүү жөндөмдүүлүгүнүн олуттуу төмөндөшүнө алып келди. Бул буга чейин айтылган нерселер менен шартталган: STC (Космос-убакытты коддоо) жана MRC (максималдуу катышты бириктирүү) жаңы технологиялары эмес.
OFDMA, ресурстук бирдиктерди колдонуу аркылуу алыскы жана аз электр станциялары менен натыйжалуу өз ара аракеттене алат. Биз ар кандай көлөмдөгү ресурстарды керектеген колдонуучулар менен бир оператор диапазонунда иштөө мүмкүнчүлүгүн алабыз. Бир колдонуучу бир бирдикти ээлей алат, ал эми башка - бардык башка.
Эмне үчүн мурда OFDMA болгон эмес?
Акыр-аягы, негизги суроо: эмне үчүн мурда OFDMA болгон эмес? Кызык, мунун баары акчага келип калган.
Узак убакыт бою ал Wi-Fi модулунун баасы минималдуу болушу керек деп эсептелген. Протокол 1997-жылы коммерциялык ишке киргизилгенде, мындай модулдун өндүрүштүк баасы 1 доллардан ашпоого тийиш деген чечим кабыл алынган. Натыйжада технологиянын өнүгүшү субоптималдуу жолго түштү. Бул жерде биз OFDMA көптөн бери колдонулуп келе жаткан LTE операторун эске албайбыз.
Акыр-аягы, Wi-Fi жумушчу тобу бул иштеп чыгууларды байланыш операторлорунун дүйнөсүнөн алып, ишкана тармактарынын дүйнөсүнө алып келүүнү чечти. Негизги милдет фильтрлер жана осцилляторлор сыяктуу жогорку сапаттагы элементтерди колдонууга өтүү болду.
Эмне үчүн биз үчүн эски MRC коддоолорунда кийлигишүү менен же тоскоолдуксуз иштөө мынчалык кыйын болду? Анткени MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) нур түзүүчү механизм биз көп сандагы өткөрүү пункттарын бириктирүүгө аракет кылганыбызда каталардын санын кескин көбөйттү. OFDMA көйгөйдү чечсе болорун далилдеди.
Интерференцияга каршы күрөш азыр математикага негизделген. Эгерде берүү терезеси жетиштүү узун болсо, натыйжада пайда болгон динамикалык тоскоолдук көйгөйлөрдү жаратат. Жаңы иштөө алгоритмдери Wi-Fi өткөрүү менен байланышкан тоскоолдуктардын гана эмес, ошондой эле бул диапазондо пайда болгон башкалардын да таасирин жок кылуу менен, аларды болтурбоого мүмкүндүк берет.
Адаптивдүү анти-кийлигишүүнүн аркасында биз татаал гетерогендүү чөйрөлөрдө да 11 дБге чейин утушка жете алабыз. Huawei компаниясынын өзүнүн алгоритмдик чечимдерин колдонуу зарыл болгон жерде - ички чечимдерде олуттуу оптималдаштырууга жетишүүгө мүмкүндүк берди. 5Gде жакшы нерсе Wi-Fi 6 чөйрөсүндө сөзсүз түрдө жакшы эмес, Массивдүү MIMO жана MU-MIMO ыкмалары ички жана тышкы чечимдерде айырмаланат. Зарыл болгон учурда, 5G сыяктуу кымбат чечимдерди колдонуу туура болот. Бирок Wi-Fi 6 сыяктуу башка опциялар керек, алар күтүү убактысын жана операторлордон күткөн башка көрсөткүчтөрдү жеткире алат.
Биз алардан ишкананын керектөөчүлөрү катары бизге пайдалуу куралдарды карызга алабыз, бардыгы биз таяна турган физикалык чөйрөнү камсыз кылуу аракетинде.
***
Айтмакчы, орус тилдүү сегментте гана эмес, ошондой эле дүйнөлүк деңгээлде өткөрүлүүчү 2020-жылдагы жаңы Huawei өнүмдөрү боюнча көптөгөн вебинарларыбызды унутпаңыз. Алдыдагы жумалар үчүн вебинарлардын тизмеси бул жерден жеткиликтүү .
Source: www.habr.com