Huawei vertrouwt bij zijn ontwikkelingen op Wi-Fi 6. En vragen van collega's en klanten over de nieuwe generatie van de standaard waren voor ons aanleiding om een post te schrijven over de theoretische grondslagen en fysieke principes die daarin verankerd zijn. Laten we verder gaan van de geschiedenis naar de natuurkunde en in detail bekijken waarom OFDMA- en MU-MIMO-technologieën nodig zijn. Laten we het ook hebben over hoe een fundamenteel opnieuw ontworpen fysiek datatransmissiemedium het mogelijk maakte om gegarandeerde kanaalcapaciteit te bereiken en een zodanige vermindering van het totale niveau van vertragingen dat ze vergelijkbaar werden met die van een operator. En dit ondanks het feit dat moderne op 5G gebaseerde netwerken duurder zijn (gemiddeld 20 tot 30 keer) dan indoor Wi-Fi 6-netwerken met vergelijkbare mogelijkheden.
Voor Huawei is het onderwerp zeker geen ijdel onderwerp: oplossingen die Wi-Fi 6 ondersteunen behoren tot onze meest baanbrekende producten in 2020, waarin enorme middelen zijn geïnvesteerd. Hier is slechts één voorbeeld: door onderzoek op het gebied van de materiaalkunde konden we een legering selecteren, waarvan het gebruik in radio-elementen van een toegangspunt de signaal-ruisverhouding met 2-3 dB verhoogde: petje af voor Doron Ezri voor deze prestatie.
Een beetje geschiedenis
Het is logisch om de geschiedenis van Wi-Fi terug te tellen tot 1971, toen professor Norman Abramson en een groep collega's aan de Universiteit van Hawaï het draadloze pakketdatanetwerk ALOHAnet ontwikkelden, bouwden en lanceerden.
In 1980 werd een groep standaarden en protocollen IEEE 802 goedgekeurd, die de organisatie van de twee onderste lagen van het zevenlaagse OSI-netwerkmodel beschrijft. We moesten 802.11 lange jaren wachten voordat de eerste versie van 17 uitkwam.
Met de goedkeuring van de 1997-standaard in 802.11, twee jaar vóór de geboorte van de Wi-Fi Alliance, betrad de eerste generatie van de populairste draadloze datatechnologie van dit moment de wijdere wereld.
IEEE 802-standaard Wi-Fi-generaties
De eerste standaard die echt breed werd ondersteund door fabrikanten van apparatuur was 802.11b. Zoals u kunt zien, is de frequentie van innovaties sinds het einde van de XNUMXe eeuw vrij stabiel: kwalitatieve veranderingen kosten tijd. De afgelopen jaren is er veel werk verricht om het fysieke signaaloverdrachtmedium te verbeteren. Om de moderne problemen van Wi-Fi beter te begrijpen, gaan we naar de fysieke basis ervan.
Laten we de basis onthouden!
Radiogolven zijn een speciaal geval van elektromagnetische golven, die zich voortplanten vanuit een bron van elektrische en magnetische veldstoringen. Ze worden gekenmerkt door drie hoofdparameters: de golfvector, evenals de elektrische en magnetische veldsterktevectoren. Alle drie staan onderling loodrecht op elkaar. In dit geval wordt de frequentie van een golf gewoonlijk het aantal zich herhalende oscillaties genoemd dat in een tijdseenheid past.
Dit zijn allemaal bekende feiten. Om het einde te bereiken zijn we echter genoodzaakt vanaf het allereerste begin te beginnen.
Op de conventionele schaal van frequentiebereiken van elektromagnetische straling beslaat het radiobereik het laagste (laagfrequente) deel. Het omvat elektromagnetische golven met een oscillatiefrequentie van 3 Hz tot 3000 GHz. Alle andere banden, inclusief zichtbaar licht, hebben een veel hogere frequentie.
Hoe hoger de frequentie, hoe meer energie er aan de radiogolf kan worden doorgegeven, maar tegelijkertijd buigt deze minder goed om obstakels heen en verzwakt sneller. Het tegendeel is ook waar. Rekening houdend met deze kenmerken zijn er twee hoofdfrequentiebereiken geselecteerd voor Wi-Fi-gebruik: 2,4 GHz (frequentieband van 2,4000 tot 2,4835 GHz) en 5 GHz (frequentiebanden 5,170-5,330, 5,490-5,730 en 5,735-5,835 GHz).
Radiogolven planten zich in alle richtingen voort, en om te voorkomen dat berichten elkaar door het interferentie-effect beïnvloeden, wordt de frequentieband meestal opgedeeld in afzonderlijke smalle secties: kanalen met de een of de ander . Het diagram hierboven laat zien dat aangrenzende kanalen 1 en 2 met een bandbreedte van 20 MHz met elkaar zullen interfereren, maar 1 en 6 niet.
Het signaal binnen het kanaal wordt verzonden met behulp van een radiogolf op een bepaalde draaggolffrequentie. Om informatie te verzenden, kunnen golfparameters worden gebruikt op frequentie, amplitude of fase.
Kanaalscheiding in Wi-Fi-frequentiebereiken
Het 2,4 GHz-frequentiebereik is verdeeld in 14 gedeeltelijk overlappende kanalen met een optimale breedte van 20 MHz. Ooit geloofde men dat dit voldoende was om een complex draadloos netwerk te organiseren. Al snel werd duidelijk dat de capaciteit van het bereik snel uitgeput raakte, dus werd het 5 GHz-bereik toegevoegd, waarvan de spectrale capaciteit veel hoger is. Daarin is het naast 20 MHz mogelijk om kanalen met een breedte van 40 en 80 MHz toe te wijzen.
Om de efficiëntie van het gebruik van het radiofrequentiespectrum verder te verbeteren, wordt nu op grote schaal gebruik gemaakt van orthogonale frequentieverdelingsmultiplextechnologie ().
Hierbij wordt, naast de draaggolffrequentie, gebruik gemaakt van meerdere subdraaggolffrequenties in hetzelfde kanaal, waardoor parallelle datatransmissie mogelijk wordt. Met OFDM kunt u het verkeer op een redelijk gemakkelijke “granulaire” manier distribueren, maar vanwege de eerbiedwaardige leeftijd behoudt het een aantal belangrijke nadelen. Daartoe behoren de principes van het werken met het CSMA/CA-netwerkprotocol (Carrier Sense Multiple Access with Collision Vermijdance), volgens hetwelk slechts één gebruiker op bepaalde tijden op één vervoerder en subdraaggolf kan werken.
Ruimtelijke stromen
Een belangrijke manier om de doorvoersnelheid van draadloze netwerken te vergroten is door het gebruik van ruimtelijke stromen.
Het toegangspunt bevat meerdere radiomodules (één, twee of meer), die zijn aangesloten op een bepaald aantal antennes. Deze antennes stralen volgens een bepaald patroon en modulatie uit, en jij en ik ontvangen informatie die via een draadloos medium wordt verzonden. De ruimtelijke stroom kan worden gevormd tussen een specifieke fysieke antenne (radiomodule) van het toegangspunt en het gebruikersapparaat. Hierdoor neemt het totale volume aan informatie dat vanaf het toegangspunt wordt verzonden toe met een veelvoud van het aantal streams (antennes).
Volgens de huidige normen kunnen er maximaal vier ruimtelijke stromen worden geïmplementeerd in de 2,4 GHz-band, en maximaal acht in de 5 GHz-band.
Voorheen concentreerden we ons bij het werken in de 2,4 en 5 GHz-banden alleen op het aantal radiomodules. De aanwezigheid van een tweede radiomodule zorgde voor extra flexibiliteit, omdat oude abonneeapparaten op een frequentie van 2,4 GHz konden werken, en nieuwe op een frequentie van 5 GHz. Met de komst van de derde en daaropvolgende radiomodules ontstonden er enkele problemen. Stralende elementen hebben de neiging met elkaar te interfereren, wat de kosten van het apparaat verhoogt vanwege de behoefte aan een beter ontwerp en het uitrusten van het toegangspunt met compensatiefilters. Het is dus pas sinds kort mogelijk om tegelijkertijd 16 ruimtelijke stromen per access point te ondersteunen.
Praktische en theoretische snelheid
Vanwege OFDM-bedieningsmechanismen konden we geen maximale netwerkdoorvoer verkrijgen. Theoretische berekeningen voor de praktische implementatie van OFDM zijn lang geleden uitgevoerd en alleen in relatie tot ideale omgevingen, waar voorspelbaar een vrij hoge signaal-ruisverhouding (SNR) en bitfoutpercentage (BER) werden verwacht. In moderne omstandigheden met sterke ruis in alle radiofrequentiespectra die ons interesseren, is de doorvoersnelheid van op OFDM gebaseerde netwerken deprimerend laag. En het protocol bleef tot voor kort deze tekortkomingen met zich meebrengen, totdat de OFDMA-technologie (orthogonale frequentieverdeling meervoudige toegang) te hulp kwam. Over haar - een beetje verder.
Laten we het over antennes hebben
Zoals u weet heeft elke antenne een versterking, afhankelijk van de waarde waarvan een ruimtelijk patroon van signaalvoortplanting (beamforming) wordt gevormd met een bepaald dekkingsgebied (we houden geen rekening met signaalherreflectie, enz.). Dit is precies waar ontwerpers hun redenering altijd op hebben gebaseerd waar de toegangspunten precies moeten worden geplaatst. Lange tijd bleef de vorm van het patroon onveranderd en nam alleen toe of af in verhouding tot de eigenschappen van de antenne.
Moderne antenne-elementen worden steeds beter controleerbaar en maken dynamische veranderingen in het ruimtelijke patroon van signaalvoortplanting in realtime mogelijk.
De linkerfiguur hierboven toont het principe van de voortplanting van radiogolven met behulp van een standaard omnidirectionele antenne. Door het signaalvermogen te vergroten, konden we alleen de dekkingsradius veranderen zonder de mogelijkheid om de kwaliteit van het kanaalgebruik aanzienlijk te beïnvloeden - KQI (Key Quality Indicators). En deze indicator is uiterst belangrijk bij het organiseren van communicatie in omstandigheden van frequente beweging van het abonneeapparaat in een draadloze omgeving.
De oplossing voor het probleem was het gebruik van een groot aantal kleine antennes, waarvan de belasting in realtime kan worden aangepast, waardoor voortplantingspatronen worden gevormd afhankelijk van de ruimtelijke positie van de gebruiker.
Het was dus mogelijk om in de buurt te komen van het gebruik van MU-MIMO-technologie (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Met zijn hulp genereert het toegangspunt op elk moment stralingsstromen die specifiek op abonnee-apparaten zijn gericht.
Van natuurkunde tot 802.11-standaarden
Naarmate de Wi-Fi-standaarden evolueerden, veranderden de principes van het werken met de fysieke laag van het netwerk. Het gebruik van andere modulatiemechanismen heeft het mogelijk gemaakt - te beginnen met versies van 802.11g/n - om een veel grotere hoeveelheid informatie in een tijdslot te passen en dienovereenkomstig met een groter aantal gebruikers te werken. Dit werd onder meer bereikt door het gebruik van ruimtelijke stromen. En de hernieuwde flexibiliteit in kanaalbreedte heeft het mogelijk gemaakt om meer middelen voor MIMO te genereren.
De goedkeuring van de Wi-Fi 7-standaard staat gepland voor volgend jaar, wat verandert er met de komst ervan? Naast de gebruikelijke snelheidsverhoging en de toevoeging van de 6 GHz-band wordt het mogelijk om met brede geaggregeerde kanalen te werken, zoals 320 MHz. Dit is vooral interessant in de context van industriële toepassingen.
Theoretische Wi-Fi 6-doorvoer
De theoretische formule voor het berekenen van de nominale snelheid van Wi-Fi 6 is behoorlijk complex en hangt van veel parameters af, beginnend met het aantal ruimtelijke stromen en eindigend met de informatie die we in een subdraaggolf kunnen plaatsen (of subdraaggolven, als er meerdere zijn). ze) per tijdseenheid.
Zoals je kunt zien, hangt veel af van ruimtelijke stromen. Maar voorheen verslechterde een toename van hun aantal in combinatie met het gebruik van STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combinen) de prestaties van de draadloze oplossing als geheel.
Nieuwe belangrijke fysieke laagtechnologieën
Laten we verder gaan met de belangrijkste technologieën van de fysieke laag - en beginnen met de eerste laag van het OSI-netwerkmodel.
Laten we niet vergeten dat OFDM een bepaald aantal subdragers gebruikt, die, zonder elkaar te beïnvloeden, in staat zijn een bepaalde hoeveelheid informatie te verzenden.
In het voorbeeld gebruiken we de 5,220 GHz-band, die 48 subkanalen bevat. Door dit kanaal samen te voegen, krijgen we een groter aantal subdraaggolven, die elk hun eigen modulatieschema gebruiken.
Wi-Fi 5 maakt gebruik van kwadratuuramplitudemodulatie 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), waarmee u binnen de draaggolffrequentie in één tijdslot een veld van 16 x 16 punten kunt vormen, verschillend in amplitude en fase. Het ongemak is dat er op elk moment slechts één station op de draaggolffrequentie kan zenden.
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDMA) kwam uit de wereld van mobiele operators, werd gelijktijdig met LTE wijdverspreid en wordt gebruikt om een downlink (communicatiekanaal naar de abonnee) te organiseren. Hiermee kunt u met het kanaal werken op het niveau van zogenaamde resource-eenheden. Deze eenheden helpen een blok op te splitsen in een specifiek aantal componenten. Binnen een blok kunnen we niet op elk moment strikt met één uitzendend element (gebruiker of toegangspunt) werken, maar tientallen elementen combineren. Hierdoor kunt u opmerkelijke resultaten bereiken.
Gemakkelijke verbinding van kanalen in Wi-Fi 6
Met Channel Bonding in Wi-Fi 6 kunt u gecombineerde kanalen verkrijgen met een breedte van 20 tot 160 MHz. Bovendien hoeft de verbinding niet in nabijgelegen gebieden tot stand te worden gebracht. Eén blok kan bijvoorbeeld uit de 5,17 GHz-band worden gehaald en het tweede uit de 5,135 GHz-band. Hierdoor kunt u flexibel een radioomgeving opbouwen, zelfs in de aanwezigheid van sterke interferentiefactoren of in de nabijheid van andere constant uitzendende stations.
Van SIMO tot MIMO
De MIMO-methode is niet altijd bij ons geweest. Ooit moest mobiele communicatie worden beperkt tot de SIMO-modus, wat de aanwezigheid inhield van meerdere antennes op het abonneestation, die tegelijkertijd werkten om informatie te ontvangen.
MU-MIMO is ontworpen om informatie naar gebruikers te verzenden met behulp van de volledige huidige antennevoorraad. Hiermee worden de beperkingen verwijderd die eerder werden opgelegd door het CSMA/CA-protocol in verband met het verzenden van tokens naar abonneeapparaten voor verzending. Nu zijn gebruikers verenigd in een groep en ontvangt elk groepslid zijn deel van de antennebron van het toegangspunt, in plaats van op zijn beurt te wachten.
Vorming van radiostralen
Een belangrijke regel voor de werking van MU-MIMO is het handhaven van een werkingsmodus van de antenne-array die niet zou leiden tot wederzijdse overlap van radiogolven en verlies van informatie als gevolg van fasetoevoeging.
Dit vereist complexe wiskundige berekeningen aan de kant van het toegangspunt. Als de terminal deze functie ondersteunt, kan MU-MIMO het toegangspunt vertellen hoe lang het duurt voordat een signaal wordt ontvangen bij elke specifieke antenne. En het toegangspunt past op zijn beurt zijn antennes aan om een optimaal gerichte straal te vormen.
Wat levert dit ons in het algemeen op?
Witte cirkels met cijfers in de tabel geven huidige scenario's voor het gebruik van Wi-Fi van vorige generaties aan. De blauwe cirkels (zie afbeelding hierboven) beschrijven de mogelijkheden van Wi-Fi 6, en de grijze cirkels zijn een kwestie van de nabije toekomst.
De belangrijkste voordelen die nieuwe OFDMA-compatibele oplossingen met zich meebrengen, houden verband met resource-eenheden die zijn geïmplementeerd op een niveau dat vergelijkbaar is met TDM (Time Division Multiplexing). Dit was voorheen nooit het geval met Wi-Fi. Hierdoor kunt u de toegewezen bandbreedte duidelijk beheren, waardoor een minimale signaaltransittijd via het medium en het vereiste betrouwbaarheidsniveau wordt gegarandeerd. Gelukkig twijfelt niemand eraan dat de Wi-Fi-betrouwbaarheidsindicatoren verbeterd moeten worden.
De geschiedenis beweegt zich in een spiraal en de huidige situatie is vergelijkbaar met de situatie die zich ooit rond Ethernet ontwikkelde. Toen al stond de mening vast dat het transmissiemedium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) geen gegarandeerde doorvoer biedt. En dit ging door tot de overgang naar IEEE 802.3z.
Wat de algemene toepassingsmodellen betreft, zoals u kunt zien, vermenigvuldigen de gebruiksscenario's zich met elke generatie Wi-Fi, en worden ze steeds gevoeliger voor vertragingen, algemene en betrouwbaarheid.
En nogmaals over de fysieke omgeving
Laten we het nu hebben over hoe de nieuwe fysieke omgeving wordt gevormd. Bij gebruik van CSMA/CA en OFDM leidde een toename van het aantal actieve STA's tot een ernstige daling van de doorvoer van het 20 MHz-kanaal. Dit kwam door wat al is genoemd: niet de nieuwste technologieën STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan, door het gebruik van hulpbroneenheden, effectief communiceren met langeafstands- en lage-energiecentrales. We krijgen de kans om binnen hetzelfde bereik van providers te werken, met gebruikers die verschillende hoeveelheden bronnen verbruiken. Eén gebruiker kan één eenheid bezetten, en een andere - alle andere.
Waarom was er niet eerder OFDMA?
En tot slot de belangrijkste vraag: waarom was er voorheen geen OFDMA? Vreemd genoeg draaide het allemaal om geld.
Lange tijd werd aangenomen dat de prijs van een wifi-module minimaal moest zijn. Toen het protocol in 1997 commercieel werd gelanceerd, werd besloten dat de productiekosten van een dergelijke module niet hoger mochten zijn dan $ 1. Als gevolg hiervan volgde de ontwikkeling van de technologie een suboptimaal pad. Hier houden we geen rekening met operator LTE, waar OFDMA al geruime tijd wordt gebruikt.
Uiteindelijk besloot de Wi-Fi-werkgroep deze ontwikkelingen uit de wereld van telecomoperatoren te halen en naar de wereld van bedrijfsnetwerken te brengen. De belangrijkste taak was de overgang naar het gebruik van elementen van hogere kwaliteit, zoals filters en oscillatoren.
Waarom was het zo moeilijk voor ons om met of zonder interferentie in de oude MRC-coderingen te werken? Omdat het MVDR-bundelvormingsmechanisme (Minimum Variance Distortionless Response) het aantal fouten dramatisch verhoogde zodra we probeerden een groot aantal zendpunten te combineren. OFDMA heeft bewezen dat het probleem kan worden opgelost.
De strijd tegen interferentie is nu gebaseerd op wiskunde. Als het transmissievenster lang genoeg is, veroorzaakt de resulterende dynamische interferentie problemen. Nieuwe bedieningsalgoritmen maken het mogelijk om deze te vermijden, waardoor niet alleen de invloed van interferentie die verband houdt met Wi-Fi-transmissie wordt geëlimineerd, maar ook van alle andere interferentie die zich in dit bereik voordoet.
Dankzij adaptieve anti-interferentie kunnen we zelfs in complexe heterogene omgevingen winsten tot 11 dB bereiken. Het gebruik van Huawei's eigen algoritmische oplossingen maakte het mogelijk om serieuze optimalisatie te realiseren, precies daar waar dat nodig was: in indooroplossingen. Wat goed is in 5G, is niet noodzakelijkerwijs goed in een Wi-Fi 6-omgeving. De enorme MIMO- en MU-MIMO-benaderingen verschillen bij binnen- en buitenoplossingen. Waar nodig is het aangewezen om dure oplossingen in te zetten, zoals bij 5G. Maar er zijn andere opties nodig, zoals Wi-Fi 6, die de latentie en andere statistieken kan leveren die we van providers gewend zijn.
We lenen van hen de hulpmiddelen die nuttig zullen zijn voor ons als zakelijke consumenten, allemaal in een poging een fysieke omgeving te bieden waarop we kunnen vertrouwen.
***
Vergeet trouwens onze talrijke webinars over de nieuwe Huawei-producten van 2020 niet, die niet alleen in het Russischtalige segment worden gehouden, maar ook op mondiaal niveau. Een lijst met webinars voor de komende weken is beschikbaar op .
Bron: www.habr.com