Длабоко нурне во Wi-Fi 6: OFDMA и MU-MIMO

Во својот развој, Huawei се потпира на Wi-Fi 6. А прашањата од колегите и клиентите за новата генерација на стандардот не поттикнаа да напишеме објава за теоретските основи и физичките принципи вградени во него. Ајде да продолжиме од историјата кон физиката и да разгледаме детално зошто се потребни технологиите OFDMA и MU-MIMO. Ајде да зборуваме и за тоа како фундаментално редизајниран физички медиум за пренос на податоци овозможи да се постигне гарантиран капацитет на каналот и такво намалување на целокупното ниво на доцнења што тие станаа споредливи со оние на операторот. И ова и покрај фактот што модерните мрежи базирани на 5G се поскапи (во просек 20–30 пати) од внатрешните мрежи Wi-Fi 6 со слични можности.

За Huawei, темата во никој случај не е празна: решенијата што поддржуваат Wi-Fi 6 се меѓу нашите најпробивни производи во 2020 година, во кои се инвестирани огромни ресурси. Еве само еден пример: истражувањата во областа на науката за материјали ни овозможија да избереме легура, чија употреба во радио елементите на пристапната точка го зголеми односот сигнал-шум за 2-3 dB: капа на Дорон Езри за ова достигнување.

Малку историја

Има смисла да се брои историјата на Wi-Fi во 1971 година, кога на Универзитетот на Хаваи, професорот Норман Абрамсон и група колеги ја развија, изградија и лансираа безжичната мрежа за пакети на ALOHAnet.

Во 1980 година, беше одобрена група стандарди и протоколи IEEE 802, кои ја опишуваат организацијата на двата пониски слоеви на моделот на мрежата со седум слоеви OSI. Моравме да чекаме 802.11 долги години пред објавувањето на првата верзија на 17.

Со усвојувањето на стандардот 1997 во 802.11 година, две години пред раѓањето на Wi-Fi Alliance, првата генерација на најпопуларната технологија за безжични податоци на денешницата влезе во поширокиот свет.

IEEE 802 генерации на Wi-Fi

Првиот стандард што беше навистина широко поддржан од производителите на опрема беше 802.11b. Како што можете да видите, зачестеноста на иновациите е прилично стабилна од крајот на XNUMX век: за квалитативните промени е потребно време. Во последниве години, многу се работи за подобрување на медиумот за пренос на физички сигнал. Со цел подобро да ги разбереме современите проблеми на Wi-Fi, да се свртиме кон неговите физички основи.

Да се ​​потсетиме на основите!

Радио брановите се посебен случај на електромагнетни бранови - кои се шират од извор на нарушувања на електричното и магнетното поле. Тие се карактеризираат со три главни параметри: векторот на бранот, како и векторите на јачината на електричното и магнетното поле. Сите три се меѓусебно нормални еден на друг. Во овој случај, фреквенцијата на бранот обично се нарекува број на повторливи осцилации што се вклопуваат во единица време.

Сите овие се добро познати факти. Сепак, за да стигнеме до крајот, принудени сме да почнеме од самиот почеток.

На конвенционалната скала на фреквентни опсези на електромагнетно зрачење, опсегот на радио го зазема најнискиот (нискофреквентен) дел. Вклучува електромагнетни бранови со фреквенција на осцилации од 3 Hz до 3000 GHz. Сите други опсези, вклучувајќи ја и видливата светлина, имаат многу поголема фреквенција.

Колку е поголема фреквенцијата, толку повеќе енергија може да се пренесе на радио бранот, но во исто време тој помалку добро се наведнува околу препреките и слабее побрзо. Спротивното е исто така точно. Земајќи ги предвид овие карактеристики, беа избрани два главни фреквентни опсези за работа со Wi-Fi - 2,4 GHz (фреквентен опсег од 2,4000 до 2,4835 GHz) и 5 ​​GHz (фреквенциски опсези 5,170-5,330, 5,490-5,730 и 5,735 GHz).

Радио брановите се шират во сите правци, а со цел да се спречи меѓусебното влијание на пораките поради ефектот на пречки, фреквентниот опсег обично се дели на посебни тесни делови - канали со еден или друг пропусниот опсег. Дијаграмот погоре покажува дека соседните канали 1 и 2 со пропусен опсег од 20 MHz ќе се мешаат едни со други, но 1 и 6 нема.

Сигналот внатре во каналот се пренесува со користење на радио бран на одредена носачка фреквенција. За пренос на информации, параметрите на брановите можат да бидат модулираат по фреквенција, амплитуда или фаза.

Раздвојување на канали во фреквенциските опсези на Wi-Fi

Фреквенцискиот опсег од 2,4 GHz е поделен на 14 делумно преклопувачки канали со оптимална ширина од 20 MHz. Некогаш се веруваше дека ова е сосема доволно за да се организира комплексна безжична мрежа. Набрзо стана јасно дека капацитетот на опсегот брзо се исцрпува, па на него е додаден опсегот од 5 GHz, чиј спектрален капацитет е многу поголем. Во него, покрај каналите од 20 MHz, можно е да се доделат и канали со ширина од 40 и 80 MHz.

За понатамошно подобрување на ефикасноста на користењето на радиофреквенцискиот спектар, сега широко се користи технологијата за мултиплексирање со ортогонална поделба на фреквенцијата (ОФДМ).

Вклучува користење, заедно со носачката фреквенција, неколку подносачки фреквенции во истиот канал, што овозможува паралелен пренос на податоци. OFDM ви овозможува да го дистрибуирате сообраќајот на прилично удобен „грануларен“ начин, но поради неговата преподобна старост, тој задржува голем број значајни недостатоци. Меѓу нив се и принципите на работа со користење на мрежниот протокол CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), според кој само еден корисник може да работи на еден оператор и подносач во одредено време.

Просторни текови

Важен начин да се зголеми пропусната моќ на безжичната мрежа е преку употреба на просторни текови.

Пристапната точка носи неколку радио модули (еден, два или повеќе), кои се поврзани со одреден број антени. Овие антени зрачат според одредена шема и модулација, а вие и јас добиваме информации пренесени преку безжичен медиум. Просторниот тек може да се формира помеѓу одредена физичка антена (радио модул) на пристапната точка и корисничкиот уред. Благодарение на ова, вкупниот волумен на информации што се пренесуваат од пристапната точка се зголемува за повеќекратно од бројот на струи (антени).

Според сегашните стандарди, може да се имплементираат до четири просторни текови во опсегот од 2,4 GHz и до осум во опсегот од 5 GHz.

Претходно, кога работевме во опсезите од 2,4 и 5 GHz, се фокусиравме само на бројот на радио модули. Присуството на втор радио модул обезбеди дополнителна флексибилност, бидејќи дозволуваше старите претплатнички уреди да работат на фреквенција од 2,4 GHz, а новите да работат на фреквенција од 5 GHz. Со доаѓањето на третиот и последователните радио модули, се појавија некои проблеми. Елементите кои зрачат имаат тенденција да се мешаат едни со други, што ја зголемува цената на уредот поради потребата за подобар дизајн и опремување на пристапната точка со филтри за компензација. Така, неодамна стана возможно истовремено да се поддржуваат 16 просторни текови по пристапна точка.

Практична и теоретска брзина

Поради механизмите за работа на OFDM, не можевме да добиеме максимална пропусност на мрежата. Теоретските пресметки за практичната имплементација на OFDM беа извршени многу одамна и само во однос на идеалните средини, каде што беше очекувано да се очекува прилично висок сооднос сигнал-шум (SNR) и стапка на грешка на битови (BER). Во современи услови на силен шум во сите радиофреквенциски спектри што не интересираат, пропусната моќ на мрежите базирани на OFDM е депресивно ниска. И протоколот продолжи да ги носи овие недостатоци до неодамна, сè додека не дојде на помош технологијата OFDMA (ортогонална фреквентна поделба на повеќекратен пристап). За неа - малку подалеку.

Ајде да зборуваме за антени

Како што знаете, секоја антена има засилување, во зависност од чија вредност се формира просторна шема на ширење на сигналот (формирање на зрак) со одредена област на покриеност (не ја земаме предвид рефлексијата на сигналот итн.). Токму тоа е она што дизајнерите отсекогаш го засновале своето размислување на тоа каде точно треба да се постават пристапните точки. Долго време, обликот на шаблонот остана непроменет и само се зголемуваше или намалуваше пропорционално на карактеристиките на антената.

Современите елементи на антената стануваат сè поконтролливи и овозможуваат динамични промени во просторниот модел на ширење на сигналот во реално време.

Левата слика погоре го прикажува принципот на ширење на радио бранови со користење на стандардна сенасочна антена. Со зголемување на моќноста на сигналот, можевме само да го промениме радиусот на покриеност без можност значително да влијаеме на квалитетот на користењето на каналот - KQI (Key Quality Indicators). И овој индикатор е исклучително важен кога се организираат комуникации во услови на често движење на претплатничкиот уред во безжична средина.

Решението на проблемот беше употребата на голем број мали антени, чие оптоварување може да се прилагоди во реално време, формирајќи обрасци на ширење во зависност од просторната положба на корисникот.

Така, беше можно да се приближи до употребата на технологијата MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Со негова помош, пристапната точка во секое време генерира текови на зрачење насочени конкретно кон претплатнички уреди.

Од физика до стандарди 802.11

Како што еволуираа стандардите за Wi-Fi, се менуваа принципите на работа со физичкиот слој на мрежата. Употребата на други механизми за модулација овозможи - почнувајќи од верзии на 802.11g/n - да се вклопи многу поголема количина на информации во временскиот отвор и, соодветно, да се работи со поголем број корисници. Меѓу другото, тоа беше постигнато со користење на просторни текови. И новооткриената флексибилност во ширината на каналот овозможи да се генерираат повеќе ресурси за MIMO.

Одобрувањето на стандардот Wi-Fi 7 е закажано за следната година Што ќе се промени со неговото пристигнување? Покрај вообичаеното зголемување на брзината и додавањето на опсегот од 6 GHz, ќе може да се работи и со широки агрегирани канали, како што се 320 MHz. Ова е особено интересно во контекст на индустриските апликации.

Теоретска пропусност на Wi-Fi 6

Теоретската формула за пресметување на номиналната брзина на Wi-Fi 6 е доста сложена и зависи од многу параметри, почнувајќи од бројот на просторни текови и завршувајќи со информациите што можеме да ги ставиме во подносач (или подносачи, доколку има неколку од нив) по единица време.

Како што можете да видите, многу зависи од просторните текови. Но, претходно, зголемувањето на нивниот број во комбинација со употребата на STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining) ги влоши перформансите на безжичното решение како целина.

Нови клучни технологии за физички слој

Ајде да преминеме на клучните технологии на физичкиот слој - и да започнеме со првиот слој на моделот на мрежата OSI.

Да потсетиме дека OFDM користи одреден број на подносачи, кои, без да влијаат едни на други, се способни да пренесат одредена количина на информации.

Во примерот, го користиме опсегот од 5,220 GHz, кој содржи 48 подканали. Со агрегирање на овој канал, добиваме поголем број на подносачи, од кои секој користи своја шема за модулација.

Wi-Fi 5 користи квадратна амплитудна модулација 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), која ви овозможува да формирате поле од 16 x 16 точки во рамките на фреквенцијата на носителот во еден временски слот, што се разликува по амплитуда и фаза. Непријатноста е што во секој даден момент само една станица може да емитува на фреквенцијата на носителот.

Ортогоналното мултиплексирање со поделба на фреквенцијата (OFDMA) дојде од светот на мобилните оператори, стана широко распространето истовремено со LTE и се користи за организирање на надолна врска (комуникациски канал до претплатникот). Ви овозможува да работите со каналот на ниво на таканаречени ресурсни единици. Овие единици помагаат да се разложи блокот на одреден број компоненти. Во рамките на еден блок, во секој момент не можеме да работиме строго со еден елемент што емитува (корисник или пристапна точка), туку да комбинираме десетици елементи. Ова ви овозможува да постигнете извонредни резултати.

Лесно поврзување на канали во Wi-Fi 6

Channel Bonding во Wi-Fi 6 ви овозможува да добиете комбинирани канали со ширина од 20 до 160 MHz. Покрај тоа, врската не мора да се врши во блиските опсези. На пример, еден блок може да се земе од опсегот од 5,17 GHz, а вториот од опсегот од 5,135 GHz. Ова ви овозможува флексибилно да изградите радио средина дури и во присуство на фактори на силни пречки или во близина на други станици кои постојано емитуваат.

Од SIMO до MIMO

Методот MIMO не бил секогаш со нас. Некогаш, мобилните комуникации мораа да бидат ограничени на режимот SIMO, што подразбираше присуство на неколку антени на претплатничката станица, истовремено работејќи на примање информации.

MU-MIMO е дизајниран да пренесува информации до корисниците кои го користат целиот тек на антената. Ова ги отстранува ограничувањата претходно наметнати од протоколот CSMA/CA поврзани со испраќање токени до претплатнички уреди за пренос. Сега корисниците се обединети во група и секој член на групата го добива својот дел од ресурсот на антената на пристапната точка, наместо да го чека својот ред.

Формирање на радио зрак

Важно правило за работа на MU-MIMO е да се одржи режим на работа на антената што нема да доведе до меѓусебно преклопување на радио брановите и губење на информации поради додавање фаза.

Ова бара сложени математички пресметки на страната на пристапната точка. Ако терминалот ја поддржува оваа функција, MU-MIMO му дозволува да и каже на пристапната точка колку време е потребно за да прими сигнал на секоја специфична антена. А пристапната точка, пак, ги прилагодува своите антени за да формира оптимално насочен зрак.

Што ни дава ова воопшто?

Белите кругови со бројки во табелата ги означуваат тековните сценарија за користење на Wi-Fi од претходните генерации. Сините кругови (види ја илустрацијата погоре) ги опишуваат можностите на Wi-Fi 6, а сивите се прашање на блиска иднина.

Главните придобивки што ги носат новите решенија со овозможен OFDMA се поврзани со единиците на ресурси имплементирани на ниво слично на TDM (Time Division Multiplexing). Ова никогаш порано не било случај со Wi-Fi. Ова ви овозможува јасно да го контролирате доделениот пропусен опсег, обезбедувајќи минимално време на транзит на сигналот низ медиумот и потребното ниво на доверливост. За среќа, никој не се сомнева дека индикаторите за доверливост на Wi-Fi имаат потреба од подобрување.

Историјата се движи во спирала, а моменталната ситуација е слична на онаа што се развиваше околу Ethernet во еден момент. Дури и тогаш, беше утврдено мислењето дека медиумот за пренос CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не обезбедува никаква гарантирана пропусност. И ова продолжи до транзицијата кон IEEE 802.3z.

Што се однесува до моделите на општи апликации, како што можете да видите, со секоја генерација на Wi-Fi, сценаријата за негова употреба се множат, сè повеќе се чувствителни на одложувања, општо нервоза и доверливост.

И повторно за физичката средина

Па, сега да разговараме за тоа како се формира новата физичка средина. При користење на CSMA/CA и OFDM, зголемувањето на бројот на активни STA доведе до сериозен пад на пропусната моќ на каналот од 20 MHz. Ова се должи на она што веќе беше споменато: не најновите технологии STC (Space-Time Coding) и MRC (Maximum Ratio Combining).

OFDMA, преку употреба на ресурсни единици, може ефективно да комуницира со станици на долги и ниско-енергетски станици. Добиваме можност да работиме во истиот опсег на оператори со корисници кои трошат различни количини на ресурси. Еден корисник може да зазема една единица, а друг - сите други.

Зошто претходно го немаше ОФДМА?

И конечно, главното прашање: зошто претходно немаше ОФДМА? Доволно чудно, сето тоа се сведе на пари.

Долго време се веруваше дека цената на модулот за Wi-Fi треба да биде минимална. Кога протоколот беше пуштен во комерцијална работа во 1997 година, беше одлучено дека трошоците за производство на таков модул не можат да надминат 1 долар. Како резултат на тоа, развојот на технологијата тргна на неоптимален пат. Овде не го земаме предвид операторот LTE, каде што OFDMA се користи доста долго време.

На крајот, работната група за Wi-Fi одлучи да ги преземе овие случувања од светот на телекомуникациските оператори и да ги донесе во светот на претпријатијата мрежи. Главната задача беше преминот кон употреба на поквалитетни елементи, како што се филтри и осцилатори.

Зошто ни беше толку тешко да работиме во старите шифри на MRC со или без пречки? Бидејќи механизмот за формирање на зрак MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) драматично го зголеми бројот на грешки веднаш штом се обидовме да комбинираме голем број преносни точки. ОФДМА докажа дека проблемот може да се реши.

Борбата против пречки сега се заснова на математика. Ако прозорецот за пренос е доволно долг, добиените динамички пречки предизвикуваат проблеми. Новите алгоритми за работа овозможуваат нивно избегнување, елиминирајќи го влијанието не само на пречки поврзани со преносот на Wi-Fi, туку и на сите други што се појавуваат во овој опсег.

Благодарение на адаптивните анти-пречки, можеме да постигнеме добивки до 11 dB дури и во сложени хетерогени средини. Употребата на сопствените алгоритамски решенија на Huawei овозможи да се постигне сериозна оптимизација токму онаму каде што беше потребно - во решенија за затворени простории. Она што е добро во 5G не е нужно добро во опкружувањето со Wi-Fi 6 Масивните пристапи MIMO и MU-MIMO се разликуваат во случајот со решенијата за внатрешни и надворешни работи. Онаму каде што е потребно, соодветно е да се користат скапи решенија, како во 5G. Но, потребни се други опции, како што е Wi-Fi 6, кој може да ја испорача латентноста и другите метрики што ги очекувавме од операторите.

Ние ги позајмуваме од нив алатките што ќе ни бидат корисни како потрошувачи на претпријатијата, сè во обид да обезбедиме физичка средина на која можеме да се потпреме.

***

Патем, не заборавајте за нашите бројни вебинари за новите производи на Huawei од 2020 година, одржани не само во сегментот на руски јазик, туку и на глобално ниво. Список на вебинари за наредните недели е достапен на линк.

Извор: www.habr.com