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.
Для Huawei тема отнюдь не праздная: решения с поддержкой Wi-Fi 6 — среди самых прорывных наших продуктов в 2020 году, в которые были вложены огромные ресурсы. Вот только один пример: исследования в области материаловедения позволили нам подобрать сплав, использование которого в радиоэлементах точки доступа увеличило соотношение «сигнал — шум» на 2–3 дБ: снимаем шляпу в почтении перед Дороном Эзри (Doron Ezri) за это достижение.
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.
В 1980 году была утверждена группа стандартов и протоколов IEEE 802, описывающих организацию двух нижних слоёв семиуровневой сетевой модели OSI. До релиза первой версии 802.11 оставалось ждать долгих 17 лет.
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!
Радиоволны являются частным случаем электромагнитных волн — распространяющихся от источника возмущений электрического и магнитного поля. Они характеризуются тремя основными параметрами: волновым вектором, а также векторами напряжённости электрического и магнитного полей. Все три взаимно перпендикулярны между собой. Частотой волны при этом принято называть количество повторяющихся колебаний, укладывающихся в единицу времени.
Dit zijn allemaal bekende feiten. Om het einde te bereiken zijn we echter genoodzaakt vanaf het allereerste begin te beginnen.
На условной шкале частотных диапазонов электромагнитного излучения радиодиапазон занимает самую нижнюю (низкочастотную) часть. К нему относятся электромагнитные волны с частотой колебаний от 3 Гц до 3000 ГГц. Все прочие диапазоны, включая видимый свет, имеют гораздо более высокую частоту.
Чем выше частота, тем большую энергию можно сообщить радиоволне, однако вместе с тем она хуже огибает препятствия и быстрее затухает. Верно и обратное. С учётом этих особенностей для работы Wi-Fi были выбраны два основных частотных диапазона — 2,4 ГГц (полоса частот от 2,4000 до 2,4835 ГГц) и 5 ГГц (полосы частот 5,170—5,330, 5,490—5,730 и 5,735—5,835 ГГц).
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
Частотный диапазон 2,4 ГГц разделён на 14 частично накладывающихся друг на друга каналов оптимальной ширины — 20 МГц. Когда-то считалось, что этого вполне достаточно для организации сложной беспроводной сети. Вскоре выяснилось, что ёмкость диапазона стремительно исчерпывается, так что к нему был добавлен диапазон 5 ГГц, спектральная ёмкость которого гораздо выше. В нём, помимо 20-мегагерцовых, возможно выделение каналов шириной 40 и 80 МГц.
Для дополнительного повышения эффективности использования радиочастотного спектра в настоящее время широко применяется технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов ().
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
Важный способ увеличить пропускную способность беспроводной сети — использование пространственных потоков.
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.
Прежде при работе в диапазонах 2,4 и 5 ГГц мы ориентировались только на количество радиомодулей. Наличие второго радиомодуля давало дополнительную гибкость, так как позволяло старым абонентским устройствам функционировать на частоте 2,4 ГГц, а новым — на частоте 5 ГГц. С появлением третьего и последующих радиомодулей возникали кое-какие проблемы. Излучающие элементы склонны создавать наводки друг на друга, что повышает стоимость устройства в связи с необходимостью более качественного проектирования и оснащения точки доступа компенсационными фильтрами. Так что только недавно стало возможным одновременное поддержание 16 пространственных потоков на одну точку доступа.
Скорость практическая и теоретическая
Из-за механизмов работы OFDM мы не могли получить максимальную пропускную способность сети. Теоретические расчеты для практического внедрения OFDM проводились очень давно и лишь применительно к идеальным средам, где предсказуемо ожидались достаточно высокий показатель отношения «сигнал — шум» (SNR) и вероятность ошибки на бит (BER). В современных условиях сильной зашумлённости всех интересующих нас радиочастотных спектров показатели пропускной способности сетей на основе OFDM удручающе малы. И протокол до последнего времени продолжал нести в себе эти недостатки, пока на помощь не подоспела технология OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). О ней — чуть дальше.
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.
Современные антенные элементы становятся всё более управляемыми и позволяют динамически изменять пространственный паттерн распространения сигнала в реальном времени.
Слева на рисунке вверху показан принцип распространения радиоволн при использовании стандартной всенаправленной антенны. Увеличивая мощность сигнала, мы могли изменять только радиус покрытия в отсутствие возможности значительно влиять на качество использования канала — KQI (Key Quality Indicators). А этот показатель чрезвычайно важен при организации связи в условиях частого перемещения абонентского устройства в беспроводной среде.
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.
Таким образом удалось вплотную подойти к применению технологии MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). С её помощью точка доступа в любой момент времени формирует потоки излучения, направленные именно в сторону абонентских устройств.
От физики к стандартам 802.11
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.
Новые ключевые технологии физического уровня
Перейдём к ключевым технологиям физического уровня — и начнём с первого уровня сетевой модели OSI.
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
Соединение каналов (Channel Bonding) в Wi-Fi 6 позволяет получать объединённые каналы шириной от 20 до 160 МГц. Причём соединение не обязательно делать в близлежащих диапазонах. Например, один блок можно взять из диапазона 5,17 ГГц, а второй — из диапазона 5,135 ГГц. Это позволяет гибко строить радиосреду даже при наличии сильных интерференционных факторов или при соседстве с другими постоянно излучающими станциями.
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 призван передавать информацию пользователям, используя весь текущий антенный фонд. Это снимает накладывавшиеся прежде протоколом CSMA/CA ограничения, связанные с отправкой абонентским устройствам токенов на передачу. Теперь пользователи объединяются в группу и каждый участник группы получает свою часть ресурса антенного фонда точки доступа, а не ждёт своей очереди.
Формирование радиолуча
Важным правилом работы MU-MIMO является поддержание такого режима работы антенного фонда, который не приводил бы к взаимному перекрытию радиоволн и потере информации из-за сложения фаз.
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.
История движется по спирали, и текущая ситуация похожа на ту, которая сложилась в своё время вокруг Ethernet. Уже тогда утвердилось мнение, что среда передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не обеспечивает никакой гарантированной пропускной способности. И так продолжалось вплоть до перехода на 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.
И снова о физической среде
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 за счёт использования ресурсных юнитов может эффективно взаимодействовать с дальними и маломощными станциями. Мы получаем возможность работы в одном несущем диапазоне с пользователями, потребляющими разные объёмы ресурсов. Один пользователь может занимать один юнит, а другой — все остальные.
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.
Благодаря адаптивной борьбе с интерференцией мы можем получить выигрыш до 11 дБ даже в сложной неоднородной среде. Использование собственных алгоритмических решений Huawei позволило добиться серьёзной оптимизации именно там, где нужно, — в indoor-решениях. То, что хорошо в 5G, не обязательно хорошо в среде Wi-Fi 6. Подходы Massive MIMO и MU-MIMO различаются в случае с indoor- и outdoor-решениями. Там, где требуется, уместно использовать дорогостоящие решения, как в 5G. Но необходимы и другие варианты, такие как Wi-Fi 6, способные обеспечить задержки и другие показатели, которых мы привыкли ожидать от операторов связи.
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