Dalam perkembangannya, Huawei bergantung pada Wi-Fi 6. Dan soalan daripada rakan sekerja dan pelanggan tentang generasi baharu standard mendorong kami untuk menulis siaran tentang asas teori dan prinsip fizikal yang tertanam di dalamnya. Mari kita beralih daripada sejarah kepada fizik dan lihat secara terperinci mengapa teknologi OFDMA dan MU-MIMO diperlukan. Mari kita bincangkan juga tentang cara medium penghantaran data fizikal yang direka bentuk semula secara asas memungkinkan untuk mencapai kapasiti saluran yang terjamin dan pengurangan tahap kelewatan keseluruhan sehingga ia menjadi setanding dengan pengendali. Dan ini walaupun pada hakikatnya rangkaian berasaskan 5G moden lebih mahal (secara purata 20β30 kali ganda) daripada rangkaian Wi-Fi 6 dalaman dengan keupayaan yang serupa.
Bagi Huawei, topik itu bukanlah topik terbiar: penyelesaian yang menyokong Wi-Fi 6 adalah antara produk terobosan kami pada tahun 2020, di mana sumber yang besar telah dilaburkan. Ini hanya satu contoh: penyelidikan dalam bidang sains bahan membenarkan kami memilih aloi, penggunaannya dalam unsur radio titik capaian meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi sebanyak 2-3 dB: terima kasih kepada Doron Ezri untuk pencapaian ini.
Sedikit sejarah
Adalah masuk akal untuk mengira sejarah Wi-Fi kembali ke 1971, apabila di Universiti Hawaii, Profesor Norman Abramson dan sekumpulan rakan sekerja membangunkan, membina dan melancarkan rangkaian data paket tanpa wayar ALOHAnet.
Pada tahun 1980, sekumpulan piawaian dan protokol IEEE 802 telah diluluskan, menerangkan organisasi dua lapisan bawah model rangkaian OSI tujuh lapisan. Kami terpaksa menunggu 802.11 tahun lama sebelum keluaran versi pertama 17.
Dengan penggunaan standard 1997 pada tahun 802.11, dua tahun sebelum kelahiran Wi-Fi Alliance, generasi pertama teknologi data wayarles paling popular hari ini memasuki dunia yang lebih luas.
Piawaian IEEE 802. Generasi Wi-Fi
Piawaian pertama yang benar-benar disokong secara meluas oleh pengeluar peralatan ialah 802.11b. Seperti yang anda lihat, kekerapan inovasi telah agak stabil sejak akhir abad ke-XNUMX: perubahan kualitatif mengambil masa. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, banyak kerja telah dilakukan untuk menambah baik medium penghantaran isyarat fizikal. Untuk lebih memahami masalah moden Wi-Fi, mari beralih kepada asas fizikalnya.
Mari ingat asasnya!
Gelombang radio ialah kes khas gelombang elektromagnet - merambat daripada sumber gangguan elektrik dan medan magnet. Mereka dicirikan oleh tiga parameter utama: vektor gelombang, serta vektor kekuatan medan elektrik dan magnet. Ketiga-tiganya saling berserenjang antara satu sama lain. Dalam kes ini, kekerapan gelombang biasanya dipanggil bilangan ayunan berulang yang sesuai dengan unit masa.
Semua ini adalah fakta yang diketahui umum. Namun, untuk sampai ke penghujung, kita terpaksa bermula dari awal lagi.
Pada skala konvensional julat frekuensi sinaran elektromagnet, julat radio menduduki bahagian paling rendah (frekuensi rendah). Ia termasuk gelombang elektromagnet dengan frekuensi ayunan dari 3 Hz hingga 3000 GHz. Semua jalur lain, termasuk cahaya boleh dilihat, mempunyai frekuensi yang lebih tinggi.
Lebih tinggi frekuensi, lebih banyak tenaga boleh disalurkan kepada gelombang radio, tetapi pada masa yang sama ia membengkok di sekeliling halangan dengan kurang baik dan melemahkan lebih cepat. Begitu juga sebaliknya. Dengan mengambil kira ciri ini, dua julat frekuensi utama telah dipilih untuk operasi Wi-Fi - 2,4 GHz (jalur frekuensi dari 2,4000 hingga 2,4835 GHz) dan 5 GHz (jalur frekuensi 5,170-5,330, 5,490-5,730 dan 5,735-5,835 GHz).
Gelombang radio merambat ke semua arah, dan untuk mengelakkan mesej daripada mempengaruhi satu sama lain disebabkan oleh kesan gangguan, jalur frekuensi biasanya dibahagikan kepada bahagian sempit berasingan - saluran dengan satu atau yang lain. . Rajah di atas menunjukkan bahawa saluran bersebelahan 1 dan 2 dengan lebar jalur 20 MHz akan mengganggu antara satu sama lain, tetapi 1 dan 6 tidak akan.
Isyarat di dalam saluran dihantar menggunakan gelombang radio pada frekuensi pembawa tertentu. Untuk menghantar maklumat, parameter gelombang boleh mengikut frekuensi, amplitud atau fasa.
Pemisahan saluran dalam julat frekuensi Wi-Fi
Julat frekuensi 2,4 GHz dibahagikan kepada 14 saluran separa bertindih dengan lebar optimum 20 MHz. Ia pernah dipercayai bahawa ini cukup untuk mengatur rangkaian wayarles yang kompleks. Tidak lama kemudian menjadi jelas bahawa kapasiti julat telah habis dengan cepat, jadi julat 5 GHz telah ditambahkan padanya, kapasiti spektrum yang jauh lebih tinggi. Di dalamnya, sebagai tambahan kepada saluran 20 MHz, adalah mungkin untuk memperuntukkan saluran dengan lebar 40 dan 80 MHz.
Untuk meningkatkan lagi kecekapan penggunaan spektrum frekuensi radio, teknologi pemultipleksan pembahagian frekuensi ortogonal kini digunakan secara meluas ().
Ia melibatkan penggunaan, bersama-sama dengan frekuensi pembawa, beberapa frekuensi subcarrier dalam saluran yang sama, yang memungkinkan untuk menjalankan penghantaran data selari. OFDM membolehkan anda mengedarkan trafik dengan cara "berbutir" yang agak mudah, tetapi disebabkan usianya yang dihormati, ia mengekalkan beberapa kelemahan yang ketara. Antaranya ialah prinsip bekerja menggunakan protokol rangkaian CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), mengikut mana hanya seorang pengguna boleh bekerja pada satu pembawa dan subpembawa pada masa tertentu.
Aliran ruang
Cara penting untuk meningkatkan daya pemprosesan rangkaian wayarles adalah melalui penggunaan aliran spatial.
Titik capaian membawa beberapa modul radio (satu, dua atau lebih), yang disambungkan kepada bilangan antena tertentu. Antena ini memancar mengikut corak dan modulasi tertentu, dan anda dan saya menerima maklumat yang dihantar melalui medium wayarles. Aliran spatial boleh dibentuk antara antena fizikal tertentu (modul radio) titik capaian dan peranti pengguna. Terima kasih kepada ini, jumlah volum maklumat yang dihantar dari pusat akses meningkat dengan gandaan bilangan aliran (antena).
Mengikut piawaian semasa, sehingga empat aliran spatial boleh dilaksanakan dalam jalur 2,4 GHz, dan sehingga lapan dalam jalur 5 GHz.
Sebelum ini, apabila bekerja dalam jalur 2,4 dan 5 GHz, kami hanya menumpukan pada bilangan modul radio. Kehadiran modul radio kedua memberikan fleksibiliti tambahan, kerana ia membenarkan peranti pelanggan lama beroperasi pada frekuensi 2,4 GHz, dan yang baharu beroperasi pada frekuensi 5 GHz. Dengan kemunculan modul radio ketiga dan seterusnya, beberapa masalah timbul. Elemen pancaran cenderung untuk mengganggu antara satu sama lain, yang meningkatkan kos peranti kerana keperluan untuk reka bentuk yang lebih baik dan melengkapkan pusat akses dengan penapis pampasan. Oleh itu, baru-baru ini mungkin untuk menyokong 16 aliran spatial bagi setiap titik akses secara serentak.
Kelajuan praktikal dan teori
Disebabkan oleh mekanisme pengendalian OFDM, kami tidak dapat memperoleh daya pemprosesan rangkaian maksimum. Pengiraan teori untuk pelaksanaan praktikal OFDM telah dijalankan sejak lama dahulu dan hanya berkaitan dengan persekitaran yang ideal, di mana nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR) dan kadar ralat bit (BER) yang agak tinggi telah dijangkakan. Dalam keadaan moden hingar yang kuat dalam semua spektrum frekuensi radio yang menarik minat kami, daya pemprosesan rangkaian berasaskan OFDM adalah sangat rendah. Dan protokol terus membawa kelemahan ini sehingga baru-baru ini, sehingga teknologi OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) datang untuk menyelamatkan. Mengenai dia - sedikit lebih jauh.
Mari kita bercakap tentang antena
Seperti yang anda ketahui, setiap antena mempunyai keuntungan, bergantung pada nilai yang mana corak spatial perambatan isyarat (beamforming) dibentuk dengan kawasan liputan tertentu (kami tidak mengambil kira pantulan semula isyarat, dll.). Ini adalah perkara yang selalu pereka bentuk berdasarkan alasan mereka di mana sebenarnya titik akses harus diletakkan. Untuk masa yang lama, bentuk corak kekal tidak berubah dan hanya bertambah atau berkurang mengikut perkadaran dengan ciri-ciri antena.
Elemen antena moden menjadi semakin terkawal dan membenarkan perubahan dinamik dalam corak spatial perambatan isyarat dalam masa nyata.
Rajah kiri di atas menunjukkan prinsip perambatan gelombang radio menggunakan antena omnidirectional standard. Dengan meningkatkan kuasa isyarat, kami hanya boleh menukar jejari liputan tanpa keupayaan untuk mempengaruhi kualiti penggunaan saluran dengan ketara - KQI (Petunjuk Kualiti Utama). Dan penunjuk ini sangat penting apabila mengatur komunikasi dalam keadaan pergerakan peranti pelanggan yang kerap dalam persekitaran tanpa wayar.
Penyelesaian kepada masalah itu ialah penggunaan sejumlah besar antena kecil, beban yang boleh dilaraskan dalam masa nyata, membentuk corak penyebaran bergantung pada kedudukan spatial pengguna.
Oleh itu, adalah mungkin untuk mendekati penggunaan teknologi MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Dengan bantuannya, titik capaian pada bila-bila masa menjana aliran sinaran yang ditujukan khusus kepada peranti pelanggan.
Daripada fizik kepada piawaian 802.11
Apabila piawaian Wi-Fi berkembang, prinsip bekerja dengan lapisan fizikal rangkaian berubah. Penggunaan mekanisme modulasi lain telah memungkinkan - bermula dengan versi 802.11g/n - untuk memuatkan jumlah maklumat yang lebih besar ke dalam slot masa dan, dengan itu, berfungsi dengan bilangan pengguna yang lebih besar. Antara lain, ini dicapai melalui penggunaan aliran spatial. Dan fleksibiliti baru dalam lebar saluran telah memungkinkan untuk menjana lebih banyak sumber untuk MIMO.
Kelulusan standard Wi-Fi 7 dijadualkan pada tahun depan. Apakah yang akan berubah dengan ketibaannya? Sebagai tambahan kepada peningkatan biasa dalam kelajuan dan penambahan jalur 6 GHz, ia akan dapat berfungsi dengan saluran agregat yang luas, seperti 320 MHz. Ini amat menarik dalam konteks aplikasi perindustrian.
Daya pemprosesan Wi-Fi 6 teoritikal
Formula teori untuk mengira kelajuan nominal Wi-Fi 6 agak rumit dan bergantung pada banyak parameter, bermula dengan bilangan aliran spatial dan berakhir dengan maklumat yang boleh kita masukkan ke dalam subcarrier (atau subcarrier, jika terdapat beberapa mereka) setiap unit masa.
Seperti yang anda lihat, banyak bergantung pada aliran spatial. Tetapi sebelum ini, peningkatan bilangan mereka dalam kombinasi dengan penggunaan STC (Space-Time Coding) dan MRC (Maximum Ratio Combining) memburukkan prestasi penyelesaian wayarles secara keseluruhan.
Teknologi Lapisan Fizikal Utama Baharu
Mari kita beralih kepada teknologi utama lapisan fizikal - dan mulakan dengan lapisan pertama model rangkaian OSI.
Mari kita ingat bahawa OFDM menggunakan beberapa subpembawa tertentu, yang, tanpa menjejaskan satu sama lain, mampu menghantar sejumlah maklumat tertentu.
Dalam contoh, kami menggunakan jalur 5,220 GHz, yang mengandungi 48 subsaluran. Dengan mengagregatkan saluran ini, kami mendapat bilangan subpembawa yang lebih besar, setiap satunya menggunakan skema modulasinya sendiri.
Wi-Fi 5 menggunakan modulasi amplitud kuadratur 256 QAM (Modulasi Amplitud Kuadratur), yang membolehkan anda membentuk medan 16 x 16 titik dalam frekuensi pembawa dalam satu slot masa, berbeza dalam amplitud dan fasa. Kesulitannya ialah pada bila-bila masa hanya satu stesen boleh menghantar pada frekuensi pembawa.
Pemultipleks pembahagian frekuensi ortogonal (OFDMA) berasal dari dunia pengendali mudah alih, menjadi meluas serentak dengan LTE dan digunakan untuk mengatur pautan bawah (saluran komunikasi kepada pelanggan). Ia membolehkan anda bekerja dengan saluran pada tahap yang dipanggil unit sumber. Unit ini membantu memecahkan satu blok kepada beberapa komponen tertentu. Dalam satu blok, pada setiap saat kita tidak boleh bekerja dengan ketat dengan satu elemen pemancar (pengguna atau titik akses), tetapi menggabungkan berpuluh-puluh elemen. Ini membolehkan anda mencapai hasil yang luar biasa.
Sambungan mudah saluran dalam Wi-Fi 6
Ikatan Saluran dalam Wi-Fi 6 membolehkan anda mendapatkan saluran gabungan dengan lebar 20 hingga 160 MHz. Selain itu, sambungan tidak perlu dibuat dalam julat berdekatan. Sebagai contoh, satu blok boleh diambil daripada jalur 5,17 GHz, dan yang kedua daripada jalur 5,135 GHz. Ini membolehkan anda membina persekitaran radio secara fleksibel walaupun dengan adanya faktor gangguan yang kuat atau berdekatan dengan stesen pemancar yang lain.
Dari SIMO kepada MIMO
Kaedah MIMO tidak selalu bersama kami. Suatu ketika dahulu, komunikasi mudah alih terpaksa dihadkan kepada mod SIMO, yang membayangkan kehadiran beberapa antena di stesen pelanggan, pada masa yang sama berfungsi untuk menerima maklumat.
MU-MIMO direka untuk menghantar maklumat kepada pengguna menggunakan keseluruhan stok antena semasa. Ini mengalih keluar sekatan yang sebelum ini dikenakan oleh protokol CSMA/CA yang dikaitkan dengan penghantaran token kepada peranti pelanggan untuk penghantaran. Kini pengguna disatukan dalam satu kumpulan dan setiap ahli kumpulan menerima bahagian mereka daripada sumber antena titik akses, dan bukannya menunggu giliran mereka.
Pembentukan pancaran radio
Peraturan penting untuk pengendalian MU-MIMO adalah untuk mengekalkan mod operasi tatasusunan antena yang tidak akan membawa kepada pertindihan bersama gelombang radio dan kehilangan maklumat akibat penambahan fasa.
Ini memerlukan pengiraan matematik yang kompleks pada bahagian titik akses. Jika terminal menyokong ciri ini, MU-MIMO membenarkannya memberitahu titik akses berapa lama masa yang diperlukan untuk menerima isyarat pada setiap antena tertentu. Dan titik capaian pula, melaraskan antenanya untuk membentuk pancaran terarah secara optimum.
Apa yang diberikan ini kepada kita secara umum?
Bulatan putih dengan nombor dalam jadual menunjukkan senario semasa untuk menggunakan Wi-Fi generasi sebelumnya. Bulatan biru (lihat ilustrasi di atas) menerangkan keupayaan Wi-Fi 6, dan bulatan kelabu adalah masalah dalam masa terdekat.
Faedah utama yang dibawa oleh penyelesaian berdaya OFDMA baharu adalah berkaitan dengan unit sumber yang dilaksanakan pada tahap yang serupa dengan TDM (Time Division Multiplexing). Ini tidak pernah berlaku dengan Wi-Fi sebelum ini. Ini membolehkan anda mengawal dengan jelas lebar jalur yang diperuntukkan, memastikan masa transit isyarat minimum melalui medium dan tahap kebolehpercayaan yang diperlukan. Nasib baik, tiada siapa yang meragui bahawa penunjuk kebolehpercayaan Wi-Fi memerlukan penambahbaikan.
Sejarah bergerak dalam lingkaran, dan keadaan semasa adalah serupa dengan yang berkembang di sekitar Ethernet pada satu masa. Walaupun begitu, pendapat telah ditetapkan bahawa medium penghantaran CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) tidak memberikan sebarang daya pengeluaran yang terjamin. Dan ini berterusan sehingga peralihan kepada IEEE 802.3z.
Bagi model aplikasi umum, seperti yang anda lihat, dengan setiap generasi Wi-Fi, senario penggunaannya semakin berganda, semakin sensitif kepada kelewatan, umum. dan kebolehpercayaan.
Dan sekali lagi tentang persekitaran fizikal
Nah, sekarang mari kita bercakap tentang bagaimana persekitaran fizikal baharu terbentuk. Apabila menggunakan CSMA/CA dan OFDM, peningkatan dalam bilangan STA aktif membawa kepada penurunan yang serius dalam pemprosesan saluran 20 MHz. Ini disebabkan oleh perkara yang telah disebutkan: bukan teknologi terbaru STC (Pengekodan Masa-Ruang) dan MRC (Penggabungan Nisbah Maksimum).
OFDMA, melalui penggunaan unit sumber, boleh berinteraksi dengan berkesan dengan stesen jarak jauh dan kuasa rendah. Kami mendapat peluang untuk bekerja dalam julat pembawa yang sama dengan pengguna menggunakan jumlah sumber yang berbeza. Seorang pengguna boleh menduduki satu unit, dan satu lagi - semua yang lain.
Mengapa tidak ada OFDMA sebelum ini?
Dan akhirnya, persoalan utama: mengapa tiada OFDMA sebelum ini? Peliknya, semuanya berpunca daripada wang.
Untuk masa yang lama dipercayai bahawa harga modul Wi-Fi sepatutnya minimum. Apabila protokol itu dilancarkan ke dalam operasi komersial pada tahun 1997, telah diputuskan bahawa kos pengeluaran modul sedemikian tidak boleh melebihi $1. Akibatnya, perkembangan teknologi mengambil jalan yang tidak optimum. Di sini kami tidak mengambil kira pengendali LTE, di mana OFDMA telah digunakan untuk masa yang agak lama.
Akhirnya, kumpulan kerja Wi-Fi memutuskan untuk mengambil perkembangan ini daripada dunia pengendali telekom dan membawanya ke dunia rangkaian perusahaan. Tugas utama ialah peralihan kepada penggunaan elemen berkualiti tinggi, seperti penapis dan pengayun.
Mengapakah begitu sukar bagi kami untuk bekerja dalam pengekodan MRC lama dengan atau tanpa gangguan? Oleh kerana mekanisme pembentukan pancaran MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) secara mendadak meningkatkan bilangan ralat sebaik sahaja kami cuba menggabungkan sejumlah besar titik pemancar. OFDMA telah membuktikan bahawa masalah itu boleh diselesaikan.
Perjuangan menentang gangguan kini berdasarkan matematik. Jika tetingkap penghantaran cukup panjang, gangguan dinamik yang terhasil menyebabkan masalah. Algoritma pengendalian baharu memungkinkan untuk mengelakkannya, menghapuskan pengaruh bukan sahaja gangguan yang berkaitan dengan penghantaran Wi-Fi, tetapi juga mana-mana yang lain yang berlaku dalam julat ini.
Terima kasih kepada anti-gangguan adaptif, kami boleh mencapai keuntungan sehingga 11 dB walaupun dalam persekitaran heterogen yang kompleks. Penggunaan penyelesaian algoritma Huawei sendiri memungkinkan untuk mencapai pengoptimuman yang serius tepat di tempat yang diperlukan - dalam penyelesaian dalaman. Perkara yang baik dalam 5G tidak semestinya baik dalam persekitaran Wi-Fi 6. Pendekatan MIMO dan MU-MIMO besar-besaran berbeza dalam kes penyelesaian dalaman dan luaran. Jika perlu, adalah wajar untuk menggunakan penyelesaian yang mahal, seperti dalam 5G. Tetapi pilihan lain diperlukan, seperti Wi-Fi 6, yang boleh menyampaikan kependaman dan metrik lain yang kami jangkakan daripada pembawa.
Kami meminjam daripada mereka alat yang akan berguna kepada kami sebagai pengguna perusahaan, semuanya dalam usaha untuk menyediakan persekitaran fizikal yang boleh kami harapkan.
***
Ngomong-ngomong, jangan lupa tentang banyak webinar kami tentang produk Huawei baharu 2020, yang diadakan bukan sahaja dalam segmen bahasa Rusia, tetapi juga di peringkat global. Senarai webinar untuk minggu-minggu akan datang boleh didapati di .
Sumber: www.habr.com