Bij Huawei zetten we in op Wi-Fi 6. Vragen van collega's en klanten over de nieuwe generatie standaard hebben ons ertoe aangezet om een post te schrijven over de theoretische basis en de fysische principes die eraan ten grondslag liggen. Laten we van de geschiedenis naar de fysica gaan en grondig onderzoeken waarom de technologieën OFDMA en MU-MIMO nodig zijn. We zullen ook bespreken hoe de fundamenteel herwerkte fysieke omgeving voor gegevensoverdracht heeft bijgedragen aan gegarandeerde bandbreedtes en een dergelijke verlaging van de algehele latentie dat deze nu vergelijkbaar is met die van 'operators'. En dit terwijl moderne netwerken op basis van 5G duurder zijn (gemiddeld 20-30 keer) dan vergelijkbare indoor-netwerken op Wi-Fi 6.
Voor Huawei is dit onderwerp allesbehalve trivial: oplossingen met ondersteuning voor Wi-Fi 6 behoren tot onze meest baanbrekende producten in 2020, waarin enorme middelen zijn geïnvesteerd. Hier is slechts één voorbeeld: onderzoek op het gebied van materiaalkunde heeft ons in staat gesteld een legering te selecteren, waarvan het gebruik in radio-elementen van de toegangspunten de verhouding 'signaal - ruis' met 2-3 dB heeft verhoogd: we buigen respectvol voor Doron Ezri voor deze prestatie.
Een beetje geschiedenis
De geschiedenis van Wi-Fi kan worden getraceerd vanaf 1971, toen professor Norman Abramson aan de Universiteit van Hawaii samen met een groep collega's een draadloos netwerk voor pakketvervoer, ALOHAnet, ontwikkelde, bouwde en lanceerde.
In 1980 werd een reeks standaarden en protocollen, IEEE 802, goedgekeurd die de organisatie van de onderste twee lagen van het zevenlagenmodel OSI beschrijven. Het zou nog 17 jaar duren voordat de eerste versie van 802.11 werd uitgebracht.
Met de aanneming van de standaard 802.11 in 1997, twee jaar voordat de Wi-Fi Alliance werd opgericht, stapte de eerste generatie van de momenteel populairste draadloze gegevensoverdrachtstechnologie de grote wereld in.
Standaard IEEE 802. Generaties van Wi-Fi
De eerste standaard die op grote schaal door apparatuurproducenten werd ondersteund, was 802.11b. Zoals je kunt zien, was de frequentie van innovaties sinds het einde van de 20e eeuw behoorlijk consistent: voor kwalitatieve veranderingen is tijd nodig. In de afgelopen jaren is er voornamelijk gewerkt aan het verbeteren van de fysieke omgeving van het signaal. Om de hedendaagse problematiek van Wi-Fi beter te begrijpen, zullen we kijken naar de fysieke grondslagen ervan.
Laten we de basisprincipes herinneren!
Radiogolven zijn een speciaal geval van elektromagnetische golven — die zich verspreiden vanaf een bron van verstoringen in het elektrische en magnetische veld. Ze worden gekarakteriseerd door drie hoofdparameters: de golfvector en de vectoren van de elektrische en magnetische velden. Al deze drie zijn onderling loodrecht op elkaar. De frequentie van de golf wordt gedefinieerd als het aantal herhaalde oscillaties dat binnen een tijdseenheid valt.
Dit zijn allemaal bekende feiten. Echter, om verder te komen, moeten we beginnen vanaf het begin.
Op een hypothetische schaal van frequentiebanden van elektromagnetische straling neemt de radioband de laagste (laagfrequente) plaats in. Dit omvat elektromagnetische golven met een frequentie van oscillaties van 3 Hz tot 3000 GHz. Alle andere banden, inclusief zichtbaar licht, hebben een veel hogere frequentie.
Hoe hoger de frequentie, hoe meer energie aan de radiogolf kan worden gegeven, maar tegelijkertijd kan deze ook moeilijker obstakels omhelzen en vervaagt deze sneller. Het omgekeerde is ook waar. Gezien deze eigenschappen zijn er twee hoofd frequentiebanden gekozen voor Wi-Fi — 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 verspreiden zich in alle richtingen, en om ervoor te zorgen dat boodschappen elkaar niet beïnvloeden door interferentie, is het gebruikelijk om de frequentieband op te splitsen in afzonderlijke smalle segmenten — kanalen met een bepaalde . In de afbeelding hierboven is te zien dat de aangrenzende kanalen 1 en 2 met een doorlatingsbandbreedte van 20 MHz elkaar zullen storen, terwijl 1 en 6 dat niet doen.
Het signaal binnen een kanaal wordt verzonden met behulp van een radiogolf op een bepaalde draagfrequentie. Voor de transmissie van informatie kunnen de parameters van de golf op frequentie, amplitude of fase.
Het splitsen van kanalen in frequentiebanden van Wi-Fi
De frequentieband van 2,4 GHz is verdeeld in 14 gedeeltelijk overlappende kanalen van optimale breedte — 20 MHz. Ooit werd gedacht dat dit voldoende was voor het opzetten van een complexe draadloze netwerk. Al snel bleek dat de capaciteit van de band snel uitgeput raakte, zodat er een 5 GHz-band werd toegevoegd, waarvan de spectrale capaciteit veel hoger is. Hierin zijn, naast de 20 MHz kanalen, ook kanalen van 40 en 80 MHz breedte mogelijk.
Om de efficiëntie van het gebruik van het radiospectrum verder te verhogen, wordt momenteel op grote schaal de technologie van orthogonale frequentiedeling ().
) toegepast. Dit houdt in dat naast de draaggolffrequentie ook meerdere onderliggende frequenties in hetzelfde kanaal worden gebruikt, wat de mogelijkheid biedt voor parallelle gegevensoverdracht. OFDM maakt het mogelijk om verkeer op een vrij handige 'granulaire' manier te verdelen, maar door zijn ouderdom behoudt het verschillende belangrijke nadelen. Een daarvan is de werking volgens het netwerkprotocol CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), volgens welke op bepaalde momenten slechts één gebruiker op een draaggolf en subdraaggolf kan werken.
Ruimtelijke stromen
Een belangrijke manier om de bandbreedte van een draadloos netwerk te vergroten is het gebruik van ruimtelijke stromen.
Een toegangspunt bevat meerdere radiomodules (één, twee of meer), die zijn verbonden met een aantal antennes. Deze antennes zenden volgens een bepaald schema en modulatie uit, en zo ontvangen we de informatie die via de draadloze omgeving wordt verzonden. Een ruimtelijke stroom kan worden gevormd tussen een specifieke fysieke antenne (radiomodule) van het toegangspunt en het eindapparaat. Hierdoor neemt de totale hoeveelheid informatie die van het toegangspunt wordt verzonden toe met het aantal stromen (antenne).
Volgens de huidige normen kunnen in het 2,4 GHz-bereik tot vier ruimtelijke stromen worden gerealiseerd, terwijl in het 5 GHz-bereik tot acht stromen kunnen worden gerealiseerd.
Voorheen richtten we ons bij het werken in de 2,4 en 5 GHz banden alleen op het aantal radiomodules. Het hebben van een tweede radiomodule bood extra flexibiliteit, omdat oude abonneeapparaten op 2,4 GHz konden functioneren en nieuwe op 5 GHz. Met de introductie van een derde en volgende radiomodules ontstonden er enkele problemen. De uitstralende elementen zijn geneigd elkaar te storen, wat de kosten van het apparaat verhoogt vanwege de noodzaak voor een betere ontwerpen en het inrichten van toegangspunten met compensatiefilters. Pas recentelijk werd het mogelijk om gelijktijdig 16 ruimtelijke streams op één toegangspunt te ondersteunen.
Praktische en theoretische snelheid
Vanwege de mechanismen van OFDM konden we de maximale netwerkcapaciteit niet bereiken. Theoretische berekeningen voor de praktische implementatie van OFDM werden lang geleden gedaan en alleen in ideale omgevingen toegepast, waar een voldoende hoge signaal-ruisverhouding (SNR) en bitfoutpercentage (BER) voorspelbaar werden verwacht. In moderne omstandigheden, met veel ruis in alle relevante radiofrequentiespectra, zijn de doorvoercapaciteitsresultaten van netwerken op basis van OFDM teleurstellend laag. Tot voor kort bleef het protocol deze tekortkomingen vertonen, totdat de technologie van OFDMA (orthogonale frequentiedeling voor meerdere toegang) opkwam. Daarover later meer.
Laten we het over antennes hebben
Zoals u weet, heeft elke antenne een versterkingsfactor, afhankelijk van welke de ruimtelijke patroon van signaalverspreiding (beamforming) wordt gevormd met een bepaald bereik (we houden geen rekening met de terugkaatsing van signalen, enz.). Hierop steunden ontwerpers altijd hun redeneringen over waar de toegangspunten precies geplaatst moesten worden. Lange tijd bleef de vorm van het patroon onveranderlijk en veranderde deze alleen in verhouding tot de eigenschappen van de antenne.
Moderne antenne-elementen worden steeds beter beheersbaar en stellen ons in staat om het ruimtelijke patroon van signaalverspreiding in real-time dynamisch te wijzigen.
Links op de afbeelding bovenaan wordt het principe van de verspreiding van radiogolven weergegeven bij het gebruik van een standaard omnidirectionele antenne. Door de zendkracht te verhogen, konden we alleen de dekking vergroten zonder de kwaliteit van het gebruik van het kanaal aanzienlijk te beïnvloeden — KQI (Key Quality Indicators). Deze indicator is uiterst belangrijk voor het organiseren van communicatie in omstandigheden waarin het abonneeapparaat vaak in een draadloze omgeving zich verplaatst.
De oplossing voor dit probleem was het gebruik van een groot aantal kleine antennes, waarvan de belasting in realtime kan worden geregeld, waardoor stralingspatronen kunnen worden gevormd afhankelijk van de ruimtelijke positie van de gebruiker.
Op deze manier konden we ons dicht bij de implementatie van de MU-MIMO-technologie (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) bewegen. Hiermee vormt de toegangspunt op elk moment van de tijd stralen van straling die specifiek gericht zijn op de abonneeapparaten.
Van de fysica naar de standaarden 802.11
Naarmate de Wi-Fi-standaarden zich ontwikkelden, veranderden de principes voor het werken met de fysieke laag van het netwerk. Het gebruik van andere modulatiemechanismen maakte het mogelijk — vanaf de versies 802.11g/n — om veel meer informatie in een tijdslot te verpakken en dus met meer gebruikers te werken. Dit werd ook bereikt door het gebruik van ruimtelijke stromen. De nieuw verworven flexibiliteit wat betreft de kanaalbreedte maakte het mogelijk om meer bronnen voor MIMO te vormen.
Voor het volgende jaar is de goedkeuring van de Wi-Fi 7-standaard gepland. Wat zal er veranderen met zijn komst? Naast de gebruikelijke snelheidstoename en de toevoeging van het 6 GHz-bereik, zal het ook mogelijk zijn om met brede geaggregeerde kanalen te werken, zoals 320 MHz. Dit is bijzonder interessant in het kader van industriële toepassingen.
Theoretische doorvoersnelheid van Wi-Fi 6
De theoretische formule voor het berekenen van de nominale snelheid van Wi-Fi 6 is vrij complex en hangt af van veel parameters, van het aantal ruimtelijke stromen tot de informatie die we in de onderdrager (of onderdragers, als er meerdere zijn) per tijdseenheid kunnen steken.
Zoals u kunt zien, hangt er veel af van de ruimtelijke stromen. Voorheen leidde een toename van hun aantal in combinatie met het gebruik van STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combining) echter tot een verslechtering van de prestaties van de draadloze oplossing in zijn geheel.
Nieuwe sleuteltechnologieën op fysieke laag
Laten we overgaan naar de sleuteltechnologieën op fysieke laag — en beginnen met de eerste laag van het OSI-model.
Laten we niet vergeten dat OFDM een bepaald aantal subdragers gebruikt die, zonder elkaar te beïnvloeden, in staat zijn een bepaalde hoeveelheid informatie over te dragen.
In het voorbeeld gebruiken we het bereik van 5,220 GHz, dat 48 subkanalen bevat. Door dit kanaal te bundelen, krijgen we een groter aantal subdragers, waarbij elke subdrager zijn eigen modulatiemethode toepast.
Wi-Fi 5 maakt gebruik van 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), waarmee binnen de draagfrequentie in één tijdslot een veld van 16 x 16 punten kan worden gecreëerd, die verschillen in amplitude en fase. Het nadeel is dat op elk gegeven moment slechts één station gegevens kan verzenden op de draagfrequentie.
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) komt uit de wereld van mobiele telecomproviders, kreeg gelijktijdig populariteit met LTE en wordt gebruikt voor de organisatie van downlink (de communicatielijn naar de abonnee). Het stelt ons in staat om te werken met het kanaal op het niveau van zogenaamde resource units. Deze eenheden helpen ons de blokken op te splitsen in een bepaald aantal componenten. Binnen een blok kunnen we op elk moment niet strikt werken met één zender (gebruiker of toegangspunt), maar tientallen elementen combineren. Dit maakt opmerkelijke resultaten mogelijk.
Eenvoudige kanaalsamenvoeging in Wi-Fi 6
Kanaalsamenvoeging (Channel Bonding) in Wi-Fi 6 maakt gecombineerde kanalen mogelijk met een breedte van 20 tot 160 MHz. Bovendien is het niet noodzakelijk om de verbinding te maken in aangrenzende frequenties. Bijvoorbeeld, één blok kan uit het bereik van 5,17 GHz komen, terwijl de tweede uit het bereik van 5,135 GHz komt. Dit maakt het mogelijk om de radio-omgeving flexibel op te bouwen, zelfs bij sterke interferentiefactoren of in de buurt van andere constant uitzenden stations.
Van SIMO naar MIMO
De MIMO-methode was niet altijd bij ons. Ooit moest mobiele communicatie zich beperken tot de SIMO-modus, wat inhield dat het lidstation meerdere antennes had die gelijktijdig informatie ontvingen.
MU-MIMO is bedoeld om informatie naar gebruikers te verzenden, waarbij het hele huidige antennepark wordt gebruikt. Dit verwijdert de beperkingen die eerder door het CSMA/CA-protocol werden opgelegd, met betrekking tot het verzenden van tokens naar de eindapparaten. Nu worden gebruikers samengebracht in een groep en ontvangt elk lid van de groep zijn deel van de middelen van het antennepark van het toegangspunt, in plaats van te wachten op zijn beurt.
Het vormen van een radiostraal
Een belangrijke regel voor het functioneren van MU-MIMO is het handhaven van een werkmodus van het antennepark, die voorkomt dat radiogolven elkaar overlappen en informatie verloren gaat door faseduplicatie.
Dit vereist complexe wiskundige berekeningen aan de kant van het toegangspunt. Als het terminal deze functie ondersteunt, stelt MU-MIMO het in staat om het toegangspunt te informeren met welke vertraging het signaal op elke specifieke antenne wordt ontvangen. 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?
De witte cirkels met cijfers in de tabel markeren de huidige toepassingen van Wi-Fi van eerdere generaties. De blauwe cirkels (zie afbeelding hierboven) beschrijven de mogelijkheden van Wi-Fi 6, terwijl de grijze de nabije toekomst vertegenwoordigen.
De belangrijkste voordelen van de nieuwe oplossingen met ondersteuning voor OFDMA zijn gerelateerd aan de hulpbroneenheden, die zijn gerealiseerd op een niveau dat vergelijkbaar is met TDM (Time Division Multiplexing). Dit was er eerder niet in Wi-Fi. Dit maakt een duidelijke controle mogelijk over de toegewezen bandbreedte, waarbij de tijd die het signaal door de medium reist wordt geminimaliseerd en het vereiste niveau van betrouwbaarheid wordt verzekerd. Gelukkig twijfelt niemand eraan dat de betrouwbaarheid van Wi-Fi verbetering behoeft.
De geschiedenis beweegt zich in spiralen, en de huidige situatie doet denken aan die van Ethernet. Toen was er al een consensus dat het CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)-verzendmedium geen gegarandeerde doorvoersnelheid bood. Dit bleef zo totdat de overstap naar IEEE 802.3z plaatsvond.
Wat betreft de algemene toepassingsmodellen, zoals je kunt zien, neemt het aantal scenario's voor Wi-Fi met elke generatie toe, steeds gevoeliger voor vertragingen, algemene en betrouwbaarheid.
En opnieuw over de fysieke omgeving
Laten we nu eens kijken naar wat de nieuwe fysieke omgeving vormt. Bij het gebruik van CSMA/CA en OFDM leidde de toename van het aantal actieve punten (Actieve STA) ertoe dat de bandbreedte van een 20 MHz-kanaal aanzienlijk daalde. Dit had te maken met wat al eerder werd genoemd: niet zo nieuwe technologieën zoals STC (Space-Time Coding) en MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan dankzij het gebruik van resource units effectief samenwerken met verre en low-power stations. We krijgen de mogelijkheid om in hetzelfde draagfrequentiebereik te werken met gebruikers die verschillende hoeveelheden middelen verbruiken. Één gebruiker kan één unit gebruiken, terwijl een andere gebruiker alle andere kan gebruiken.
Waarom was er vroeger geen OFDMA?
En tot slot, de belangrijkste vraag: waarom was er vroeger geen OFDMA? Verbazend genoeg draaide alles om geld.
Lang werd aangenomen dat de prijs van de Wi-Fi-module minimaal moest zijn. Bij de lancering van het protocol voor commerciële toepassing in 1997 werd besloten dat de productiekosten van een dergelijke module niet meer dan $1 mochten bedragen. Als gevolg hiervan ging de ontwikkeling van de technologie een suboptimale weg.
Uiteindelijk besloot de werkgroep voor Wi-Fi deze ontwikkelingen uit de wereld van telecomoperators over te nemen en naar de wereld van bedrijfsnetwerken te brengen. De belangrijkste taak was de overstap naar het gebruik van hogere kwaliteitselementen, zoals filters en oscillatoren.
Waarom was het zo moeilijk voor ons om te werken met oude MRC-coderingen, met of zonder interferentie? Omdat het MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) stralingsmechanisme het aantal fouten drastisch verhoogde zodra we probeerden om een groot aantal zendantennes te combineren. OFDMA bewees dat het probleem oplosbaar was.
De strijd tegen interferentie is nu wiskundig onderbouwd. Als de informatieve overdracht lang genoeg duurt, veroorzaakt de dynamische interferentie problemen. Nieuwe werkalgoritmes maken het mogelijk om van deze problemen af te komen, met uitsluiting van de invloed van interferentie die verband houdt met Wi-Fi-overdracht, maar ook van andere interferentie die in dit bereik ontstaat.
Dankzij adaptieve interferentiestrijd kunnen we tot 11 dB winst behalen, zelfs in een complexe heterogene omgeving. Het gebruik van eigen algoritmische oplossingen van Huawei heeft geleid tot serieuze optimalisatie precies daar waar dat nodig is: in indoor oplossingen. Wat goed is in 5G, is niet per se goed in een Wi-Fi 6 omgeving. De benaderingen van Massive MIMO en MU-MIMO verschillen in het geval van indoor- en outdooroplossingen. Waar nodig, kunnen dure oplossingen zoals in 5G passend zijn. Maar er zijn ook andere opties nodig, zoals Wi-Fi 6, die vertragingen en andere indicatoren kunnen bieden die we gewend zijn van telecomoperators.
We lenen van hen de instrumenten die nuttig voor ons zullen zijn als zakelijke klanten, en dat allemaal om een fysieke omgeving te creëren waarop we kunnen vertrouwen.
***
Vergeet niet onze talrijke webinars over de nieuwigheden van Huawei in 2020, die niet alleen in het Russischtalige segment worden gehouden, maar ook op wereldwijd niveau. Een lijst van webinars voor de komende weken is beschikbaar op .
Bron: habr.com
