Onlangs zijn apparaten op de markt gekomen die Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax)-technologie ondersteunen, waarover veel wordt gesproken. Maar weinig mensen weten dat de ontwikkeling van een nieuwe generatie Wi-Fi-technologie al aan de gang is: Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Ontdek in dit artikel hoe Wi-Fi 7 eruit zal zien.
prehistorie
In september 2020 vieren we de 30e verjaardag van het IEEE 802.11-project, dat een aanzienlijke impact heeft gehad op ons leven. Momenteel is Wi-Fi-technologie, gedefinieerd door de IEEE 802.11-standaarden, de meest populaire draadloze technologie die wordt gebruikt om verbinding te maken met internet, waarbij Wi-Fi meer dan de helft van het gebruikersverkeer voor zijn rekening neemt. Hoewel de mobiele technologie elk decennium een nieuwe naam krijgt, zoals het vervangen van de naam 4G door 5G, gebeuren verbeteringen in de datasnelheden en de introductie van nieuwe diensten en nieuwe functies voor Wi-Fi-gebruikers vrijwel onopgemerkt. Weinig klanten geven om de letters "n", "ac" of "ax" die op apparatuurdozen volgen na "802.11". Maar dat betekent niet dat Wi-Fi niet evolueert.
Een bewijs van de evolutie van Wi-Fi is de dramatische toename van de nominale datasnelheden: van 2 Mbps in de versie uit 1997 tot bijna 10 Gbps in de nieuwste 802.11ax-standaard, ook bekend als Wi-Fi 6. Moderne Wi-Fi bereikt zulke mogelijkheden prestatiewinst dankzij snellere signaal- en codeontwerpen, bredere kanalen en het gebruik van technologie .
Naast de mainstream van snelle draadloze lokale netwerken omvat de evolutie van Wi-Fi verschillende nicheprojecten. Wi-Fi HaLow (802.11ah) was bijvoorbeeld een poging om Wi-Fi naar de draadloze Internet of Things-markt te brengen. Millimetergolf-wifi (802.11ad/ay) ondersteunt nominale gegevenssnelheden tot 275 Gbps, zij het over zeer korte afstanden.
Nieuwe toepassingen en diensten met betrekking tot high-definition videostreaming, virtuele en augmented reality, gaming, externe kantoren en cloud computing, evenals de noodzaak om grote aantallen gebruikers met intensief verkeer op draadloze netwerken te ondersteunen, vereisen hoge prestaties.
Wifi 7 doelen
In mei 2019 begon de BE (TGbe)-subgroep van de 802.11-werkgroep van het Local and Metropolitan Area Network Standards Committee te werken aan een nieuwe toevoeging aan de Wi-Fi-standaard die de nominale doorvoer tot meer dan 40 Gbit/s in één frequentiekanaal van het “typische” Wi-Fi-bereik <= 7 GHz. Hoewel veel documenten een "maximale doorvoersnelheid van minimaal 30 Gbps" vermelden, zal het nieuwe fysieke laagprotocol nominale snelheden van meer dan 40 Gbps bieden.
Een andere belangrijke ontwikkelingsrichting voor Wi-Fi 7 is ondersteuning voor real-time toepassingen (games, virtuele en augmented reality, robotbesturing). Het is opmerkelijk dat, hoewel Wi-Fi audio- en videoverkeer op een speciale manier afhandelt, lange tijd werd aangenomen dat het bieden van gegarandeerde lage latentie (milliseconden) op standaardniveau, ook bekend als tijdgevoelige netwerken, in Wi-Fi-netwerken van fundamenteel belang is. onmogelijk. In november 2017 heeft ons team van de IITP RAS en de National Research University Higher School of Economics (beschouw het niet voor PR) een overeenkomstig voorstel gedaan in de IEEE 802.11-groep. Het voorstel trok veel belangstelling en in juli 2018 werd een speciale subgroep opgericht om de kwestie verder te bestuderen. Omdat het ondersteunen van real-time applicaties zowel hoge nominale datasnelheden als verbeterde link-layer functionaliteit vereist, heeft de 802.11 Working Group besloten methoden te ontwikkelen om real-time applicaties binnen Wi-Fi 7 te ondersteunen.
Een belangrijk probleem met Wi-Fi 7 is het naast elkaar bestaan ervan met mobiele netwerktechnologieën (4G/5G) die door 3GPP worden ontwikkeld en in dezelfde frequentiebanden zonder licentie werken. We hebben het over LTE-LAA/NR-U. Om de problemen in verband met het naast elkaar bestaan van Wi-Fi en mobiele netwerken te bestuderen, lanceerde IEEE 802.11 het Coexisting Standing Committee (Coex SC). Ondanks talrijke bijeenkomsten en zelfs een gezamenlijke workshop van 3GPP- en IEEE 802.11-deelnemers in juli 2019 in Wenen zijn technische oplossingen nog niet goedgekeurd. Een mogelijke verklaring voor deze nutteloosheid is dat zowel IEEE 802 als 3GPP terughoudend zijn om hun eigen technologieën te veranderen om zich aan de andere aan te passen. Dus, Het is momenteel onduidelijk of de Coex SC-besprekingen gevolgen zullen hebben voor de Wi-Fi 7-standaard.
Ontwikkelingsproces
Hoewel het ontwikkelingsproces van Wi-Fi 7 zich nog in de beginfase bevindt, zijn er tot nu toe bijna 500 voorstellen gedaan voor nieuwe functionaliteit voor de komende Wi-Fi 7, ook bekend als IEEE 802.11be. De meeste ideeën worden nog maar net besproken in de be-subgroep en er is nog geen besluit over genomen. Andere ideeën zijn onlangs goedgekeurd. Hieronder wordt duidelijk aangegeven welke voorstellen worden goedgekeurd en welke alleen in behandeling zijn.
Oorspronkelijk was het de bedoeling dat de ontwikkeling van de belangrijkste nieuwe mechanismen in maart 2021 voltooid zou zijn. De definitieve versie van de standaard wordt begin 2024 verwacht. In januari 2020 uitten zij hun bezorgdheid over de vraag of de ontwikkeling bij het huidige werktempo op schema zou blijven. Om het standaardontwikkelingsproces te versnellen, kwam de subgroep overeen een kleine reeks functies met hoge prioriteit te selecteren die tegen 11 (Release 2021) zouden kunnen worden uitgebracht, en de rest bij Release 1 te laten. Functies met hoge prioriteit zouden de belangrijkste prestatieverbeteringen moeten opleveren en omvatten ondersteuning voor 2 MHz, 320K-QAM, duidelijke verbeteringen aan OFDMA van Wi-Fi 4, MU-MIMO met 6 streams.
Vanwege het coronavirus komt de groep momenteel niet persoonlijk bijeen, maar houdt ze regelmatig teleconferenties. De ontwikkeling vertraagde dus enigszins, maar stopte niet.
Technologiedetails
Laten we eens kijken naar de belangrijkste innovaties van Wi-Fi 7.
- Het nieuwe fysieke laagprotocol is een ontwikkeling van het Wi-Fi 6-protocol met een dubbele toename bandbreedte tot 320 MHz, verdubbel het aantal ruimtelijke MU-MIMO-streams, waardoor de nominale doorvoer met 2×2 = 4 keer toeneemt. Wi-Fi 7 begint ook modulatie te gebruiken 4K-QAM, wat nog eens 20% toevoegt aan de nominale doorvoer. Daarom biedt Wi-Fi 7 2x2x1,2 = 4,8 maal de nominale gegevenssnelheid van Wi-Fi 6: de maximale nominale doorvoer van Wi-Fi 7 is 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbit/s. Bovendien zal er een revolutionaire verandering plaatsvinden in het fysieke laagprotocol om compatibiliteit met toekomstige versies van Wi-Fi te garanderen, maar het zal onzichtbaar blijven voor gebruikers.
- De kanaaltoegangsmethode wijzigen voor real-time applicatie-ondersteuning zal worden uitgevoerd rekening houdend met de ervaring met IEEE 802 TSN voor bekabelde netwerken. Lopende discussies in de normcommissie hebben betrekking op de willekeurige uitstelprocedure voor kanaaltoegang, verkeersdienstcategorieën en dus afzonderlijke wachtrijen voor real-time verkeer, en pakketdienstbeleid.
- Geïntroduceerd in Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – Kanaaltoegangsmethode met tijd- en frequentieverdeling (vergelijkbaar met die gebruikt in 4G- en 5G-netwerken) – biedt nieuwe mogelijkheden voor optimale toewijzing van middelen. In 11ax is OFDMA echter niet flexibel genoeg. Ten eerste maakt het het toegangspunt mogelijk om slechts één bronblok van een vooraf bepaalde grootte aan het cliëntapparaat toe te wijzen. Ten tweede ondersteunt het geen directe transmissie tussen clientstations. Beide nadelen verminderen de spectrale efficiëntie. Bovendien verslechtert het gebrek aan flexibiliteit van oudere Wi-Fi 6 OFDMA de prestaties in dichte netwerken en verhoogt de latentie, wat van cruciaal belang is voor realtime toepassingen. 11be zal deze OFDMA-problemen oplossen.
- Een van de bevestigde revolutionaire veranderingen van Wi-Fi 7 is native ondersteuning gelijktijdig gebruik van meerdere parallelle verbindingen op verschillende frequenties, wat erg handig is voor zowel enorme datasnelheden als extreem lage latentie. Hoewel moderne chipsets al meerdere verbindingen tegelijk kunnen gebruiken, bijvoorbeeld in de 2.4 en 5 GHz-banden, zijn deze verbindingen onafhankelijk, wat de effectiviteit van een dergelijke operatie beperkt. In 11be zal een niveau van synchronisatie tussen kanalen worden gevonden dat efficiënt gebruik van kanaalbronnen mogelijk maakt en dat significante veranderingen in de regels van het kanaaltoegangsprotocol met zich mee zal brengen.
- Het gebruik van zeer brede kanalen en een groot aantal ruimtelijke stromen leidt tot het probleem van hoge overhead die gepaard gaat met de kanaalstatusschattingsprocedure die vereist is voor MIMO en OFDMA. Deze overhead doet alle winsten uit het verhogen van de nominale datasnelheden teniet. Had dat verwacht de beoordelingsprocedure voor de kanaalconditie zal worden herzien.
- In de context van Wi-Fi 7 bespreekt de normcommissie het gebruik van enkele "geavanceerde" methoden voor gegevensoverdracht. In theorie verbeteren deze methoden de spectrale efficiëntie in het geval van herhaalde transmissiepogingen, evenals gelijktijdige transmissies in dezelfde of tegengestelde richtingen. We hebben het over hybride automatische herhaalverzoeken (HARQ), die momenteel worden gebruikt in mobiele netwerken, full-duplexmodus en niet-orthogonale meervoudige toegang (NOMA). Deze technieken zijn in theorie goed bestudeerd in de literatuur, maar het is nog niet duidelijk of de productiviteitswinst die ze opleveren de moeite waard zal zijn om ze te implementeren.
- Gebruiken HARQ gecompliceerd door het volgende probleem. Bij Wi-Fi worden pakketten aan elkaar gelijmd om de overhead te verminderen. In de huidige versies van Wi-Fi wordt de levering van elk pakketje in het gelijmde pakket bevestigd en als er geen bevestiging komt, wordt de verzending van het pakket herhaald met behulp van kanaaltoegangsprotocolmethoden. HARQ verplaatst nieuwe pogingen van de datalink naar de fysieke laag, waar er geen pakketten meer zijn, maar alleen codewoorden, en de grenzen van de codewoorden niet samenvallen met de grenzen van de pakketten. Deze desynchronisatie bemoeilijkt de implementatie van HARQ in Wi-Fi.
- ten opzichte van Full-Duplex, dan is het momenteel noch in mobiele netwerken, noch in Wi-Fi-netwerken mogelijk om tegelijkertijd gegevens in hetzelfde frequentiekanaal van en naar het toegangspunt (basisstation) te verzenden. Vanuit technisch oogpunt komt dit door het grote verschil in kracht van het verzonden en ontvangen signaal. Hoewel er prototypes bestaan die digitale en analoge aftrekking van het verzonden signaal van het ontvangen signaal combineren en die tijdens de transmissie een Wi-Fi-signaal kunnen ontvangen, kan de winst die ze in de praktijk kunnen opleveren verwaarloosbaar zijn vanwege het feit dat op een gegeven moment de stroomafwaartse is niet gelijk aan de stijgende (gemiddeld “in het ziekenhuis” is de dalende aanzienlijk groter). Bovendien zal een dergelijke tweerichtingstransmissie het protocol aanzienlijk compliceren.
- Terwijl het verzenden van meerdere streams met behulp van MIMO meerdere antennes vereist voor de zender en de ontvanger, kan het toegangspunt bij niet-orthogonale toegang tegelijkertijd gegevens naar twee ontvangers verzenden vanaf één enkele antenne. In de nieuwste 5G-specificaties zijn diverse niet-orthogonale toegangsmogelijkheden opgenomen. Prototype NOMA Wi-Fi werd voor het eerst gecreëerd in 2018 bij de IITP RAS (nogmaals, beschouw het niet als PR). Het toonde een prestatieverbetering van 30-40% aan. Het voordeel van de ontwikkelde technologie is de achterwaartse compatibiliteit: een van de twee ontvangers kan een verouderd apparaat zijn dat Wi-Fi 7 niet ondersteunt. Over het algemeen is het probleem van achterwaartse compatibiliteit erg belangrijk, omdat apparaten van verschillende generaties tegelijkertijd kunnen werken op een Wi-Fi-netwerk. Momenteel analyseren verschillende teams over de hele wereld de effectiviteit van het gecombineerde gebruik van NOMA en MU-MIMO, waarvan de resultaten het toekomstige lot van de aanpak zullen bepalen. We werken ook verder aan het prototype: de volgende versie zal worden gepresenteerd op de IEEE INFOCOM-conferentie in juli 2020.
- Tenslotte is er nog een belangrijke innovatie, maar met een onduidelijk lot gecoördineerde werking van toegangspunten. Hoewel veel leveranciers hun eigen gecentraliseerde controllers voor zakelijke Wi-Fi-netwerken hebben, zijn de mogelijkheden van dergelijke controllers over het algemeen beperkt tot parameterconfiguratie en kanaalselectie op de lange termijn. De normcommissie bespreekt nauwere samenwerking tussen aangrenzende toegangspunten, waaronder gecoördineerde transmissieplanning, beamforming en zelfs gedistribueerde MIMO-systemen. Sommige van de onderzochte benaderingen maken gebruik van sequentiële interferentie-onderdrukking (ongeveer hetzelfde als bij NOMA). Hoewel er nog geen benaderingen voor 11be-coördinatie zijn ontwikkeld, lijdt het geen twijfel dat de standaard toegangspunten van verschillende fabrikanten in staat zal stellen transmissieschema's met elkaar te coördineren om wederzijdse interferentie te verminderen. Andere, complexere benaderingen (zoals gedistribueerde MU-MIMO) zullen moeilijker in de standaard te implementeren zijn, hoewel sommige leden van de groep vastbesloten zijn dit binnen Release 2 te doen. Ongeacht de uitkomst zal het lot van methoden voor de coördinatie van toegangspunten is onduidelijk. Zelfs als ze in de standaard zijn opgenomen, is het mogelijk dat ze niet op de markt komen. Iets soortgelijks is eerder gebeurd bij het proberen orde te scheppen in Wi-Fi-transmissies met behulp van oplossingen zoals HCCA (11e) en HCCA TXOP Negotiation (11be).
Samenvattend lijkt het erop dat de meeste voorstellen die verband houden met de eerste vijf groepen onderdeel zullen worden van Wi-Fi 7, terwijl de voorstellen die verband houden met de laatste twee groepen aanzienlijk aanvullend onderzoek vereisen om hun effectiviteit te bewijzen.
Meer technische details
Technische details over Wi-Fi 7 zijn te lezen (in Engels)
Bron: www.habr.com