Niedawno na rynek weszły urządzenia obsługujące technologię Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o której dużo się mówi. Ale niewiele osób wie, że trwają już prace nad nową generacją technologii Wi-Fi - Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Z tego artykułu dowiesz się, jak będzie wyglądać Wi-Fi 7.
prehistoria
We wrześniu 2020 roku będziemy obchodzić 30-lecie projektu IEEE 802.11, który znacząco wpłynął na nasze życie. Obecnie technologia Wi-Fi, zdefiniowana przez rodzinę standardów IEEE 802.11, jest najpopularniejszą technologią bezprzewodową wykorzystywaną do łączenia się z Internetem, przy czym Wi-Fi obsługuje ponad połowę ruchu użytkowników. Podczas gdy technologia komórkowa zmienia swoją nazwę co dekadę, na przykład zastępując nazwę 4G przez 5G, w przypadku użytkowników Wi-Fi poprawa prędkości transmisji danych, a także wprowadzenie nowych usług i nowych funkcji następuje niemal niezauważona. Niewielu klientów zwraca uwagę na litery „n”, „ac” lub „ax” występujące po „802.11” na pudełkach ze sprzętem. Nie oznacza to jednak, że Wi-Fi nie ewoluuje.
Dowodem ewolucji Wi-Fi jest dramatyczny wzrost znamionowych prędkości transmisji danych: z 2 Mb/s w wersji z 1997 r. do prawie 10 Gb/s w najnowszym standardzie 802.11ax, znanym również jako Wi-Fi 6. Nowoczesne Wi-Fi osiąga takie możliwości wzrost wydajności dzięki szybszym projektom sygnałów i kodów, szerszym kanałom i zastosowaniu technologii .
Oprócz głównego nurtu szybkich bezprzewodowych sieci lokalnych, ewolucja Wi-Fi obejmuje kilka projektów niszowych. Na przykład Wi-Fi HaLow (802.11ah) było próbą wprowadzenia Wi-Fi na rynek bezprzewodowego Internetu Rzeczy. Wi-Fi na fali milimetrowej (802.11ad/ay) obsługuje nominalną prędkość transmisji danych do 275 Gb/s, aczkolwiek na bardzo krótkich dystansach.
Nowe aplikacje i usługi związane ze strumieniowym przesyłaniem wideo w wysokiej rozdzielczości, rzeczywistością wirtualną i rozszerzoną, grami, zdalnym biurem i przetwarzaniem w chmurze, a także konieczność obsługi dużej liczby użytkowników o dużym natężeniu ruchu w sieciach bezprzewodowych, wymagają dużej wydajności.
Wi-Fi 7 bramek
W maju 2019 r. podgrupa BE (TGbe) Grupy Roboczej 802.11 Komitetu ds. Standardów Sieci Lokalnych i Metropolitalnych rozpoczęła prace nad nowym dodatkiem do standardu Wi-Fi, który zwiększy przepustowość nominalna do ponad 40 Gbit/s w jednym kanale częstotliwości „typowego” zakresu Wi-Fi <= 7 GHz. Chociaż wiele dokumentów podaje „maksymalną przepustowość co najmniej 30 Gb/s”, nowy protokół warstwy fizycznej zapewni prędkości nominalne przekraczające 40 Gb/s.
Kolejnym ważnym kierunkiem rozwoju Wi-Fi 7 jest wsparcie dla aplikacji czasu rzeczywistego (gry, rzeczywistość wirtualna i rozszerzona, sterowanie robotami). Warto zauważyć, że chociaż Wi-Fi obsługuje ruch audio i wideo w szczególny sposób, od dawna uważa się, że zapewnienie gwarantowanego niskiego opóźnienia (milisekund) na standardowym poziomie, zwanego również sieciami wrażliwymi na czas, w sieciach Wi-Fi jest zasadniczo niemożliwe. W listopadzie 2017 roku nasz zespół z IITP RAS i Wyższej Szkoły Ekonomicznej National Research University (nie bierzcie tego za PR) przedstawił odpowiednią propozycję w grupie IEEE 802.11. Propozycja wzbudziła duże zainteresowanie i w lipcu 2018 r. powołano specjalną podgrupę w celu dalszego zbadania tej kwestii. Ponieważ obsługa aplikacji czasu rzeczywistego wymaga zarówno wysokich nominalnych przepływności danych, jak i ulepszonej funkcjonalności warstwy łącza, Grupa Robocza 802.11 zdecydowała się opracować metody obsługi aplikacji czasu rzeczywistego w Wi-Fi 7.
Istotnym problemem Wi-Fi 7 jest jego współistnienie z technologiami sieci komórkowych (4G/5G) rozwijanymi przez 3GPP i działającymi w tych samych nielicencjonowanych pasmach częstotliwości. Mówimy o LTE-LAA/NR-U. Aby zbadać problemy związane ze współistnieniem sieci Wi-Fi i komórkowych, IEEE 802.11 powołał Stały Komitet ds. Współistnienia (Coex SC). Pomimo licznych spotkań, a nawet wspólnych warsztatów uczestników 3GPP i IEEE 802.11 w lipcu 2019 w Wiedniu, rozwiązania techniczne nie zostały jeszcze zatwierdzone. Możliwym wyjaśnieniem tej daremności jest to, że zarówno IEEE 802, jak i 3GPP niechętnie zmieniają swoje własne technologie, aby były zgodne z innymi. Zatem, Obecnie nie jest jasne, czy dyskusje Coex SC będą miały wpływ na standard Wi-Fi 7.
Proces rozwoju
Chociaż proces rozwoju Wi-Fi 7 jest na bardzo wczesnym etapie, do tej pory zgłoszono prawie 500 propozycji nowych funkcjonalności dla nadchodzącej Wi-Fi 7, znanej również jako IEEE 802.11be. Większość pomysłów jest dopiero omawiana w podgrupie be i decyzja w ich sprawie nie została jeszcze podjęta. Niedawno zatwierdzono inne pomysły. Poniżej zostanie wyraźnie wskazane, które propozycje zostały przyjęte, a które są dopiero omawiane.
Pierwotnie planowano, że prace nad głównymi nowymi mechanizmami zakończą się do marca 2021 roku. Ostateczna wersja standardu oczekiwana jest na początek 2024 roku. W styczniu 2020 r. 11be wyraziło obawy, czy prace rozwojowe będą kontynuowane zgodnie z harmonogramem przy obecnym tempie prac. Aby przyspieszyć proces rozwoju standardu, podgrupa zgodziła się wybrać niewielki zestaw funkcji o wysokim priorytecie, które mogłyby zostać wydane do 2021 r. (wersja 1), a resztę pozostawić w wersji 2. Funkcje o wysokim priorytecie powinny zapewniać główny wzrost wydajności i obejmują obsługę 320 MHz, 4K-QAM, oczywiste ulepszenia OFDMA z Wi-Fi 6, MU-MIMO z 16 strumieniami.
Ze względu na koronowirusa grupa obecnie nie spotyka się osobiście, ale regularnie organizuje telekonferencje. Tym samym rozwój nieco zwolnił, ale się nie zatrzymał.
Szczegóły technologii
Spójrzmy na główne innowacje Wi-Fi 7.
- Nowy protokół warstwy fizycznej jest rozwinięciem protokołu Wi-Fi 6 z dwukrotnym wzrostem szerokość pasma do 320 MHz, dwukrotnie większa liczba strumieni przestrzennych MU-MIMO, co zwiększa przepustowość nominalną 2×2 = 4-krotnie. Wi-Fi 7 również zaczyna korzystać z modulacji 4K QAM, co dodaje kolejne 20% do nominalnej przepustowości. Dlatego Wi-Fi 7 zapewni 2x2x1,2 = 4,8 razy większą znamionową szybkość transmisji danych niż Wi-Fi 6: maksymalna znamionowa przepustowość Wi-Fi 7 wynosi 9,6 Gb/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Dodatkowo nastąpi rewolucyjna zmiana w protokole warstwy fizycznej, która ma zapewnić kompatybilność z przyszłymi wersjami Wi-Fi, ale pozostanie to niewidoczne dla użytkowników.
- Zmiana metody dostępu do kanału dla wsparcie aplikacji w czasie rzeczywistym zostaną przeprowadzone z uwzględnieniem doświadczeń IEEE 802 TSN dla sieci przewodowych. Trwające dyskusje w komitecie normalizacyjnym dotyczą procedury losowego wycofywania dostępu do kanałów, kategorii usług ruchu, a co za tym idzie oddzielnych kolejek dla ruchu w czasie rzeczywistym, oraz zasad usług pakietowych.
- Wprowadzono w Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metoda dostępu do kanałów z podziałem czasu i częstotliwości (na wzór stosowany w sieciach 4G i 5G) – stwarza nowe możliwości optymalnej alokacji zasobów. Jednak w 11ax OFDMA nie jest wystarczająco elastyczny. Po pierwsze, umożliwia punktowi dostępowemu przydzielenie urządzeniu klienckiemu tylko jednego bloku zasobów o z góry określonym rozmiarze. Po drugie, nie obsługuje bezpośredniej transmisji pomiędzy stacjami klienckimi. Obie wady zmniejszają wydajność widmową. Ponadto brak elastyczności starszej wersji Wi-Fi 6 OFDMA pogarsza wydajność w gęstych sieciach i zwiększa opóźnienia, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach czasu rzeczywistego. 11be rozwiąże te problemy OFDMA.
- Jedną z potwierdzonych rewolucyjnych zmian Wi-Fi 7 jest natywna obsługa jednoczesne wykorzystanie kilku równoległych połączeń na różnych częstotliwościach, co jest bardzo przydatne zarówno w przypadku dużych szybkości transmisji danych, jak i wyjątkowo małych opóźnień. Choć nowoczesne chipsety potrafią już korzystać z wielu połączeń jednocześnie, na przykład w pasmach 2.4 i 5 GHz, to połączenia te są niezależne, co ogranicza efektywność takiego działania. W 11be zostanie znaleziony poziom synchronizacji pomiędzy kanałami, który umożliwi efektywne wykorzystanie zasobów kanału i pociągnie za sobą istotne zmiany w zasadach protokołu dostępu do kanałów.
- Zastosowanie bardzo szerokich kanałów i dużej liczby strumieni przestrzennych prowadzi do problemu dużego obciążenia związanego z procedurą estymacji stanu kanału wymaganą dla MIMO i OFDMA. Ten narzut niweluje wszelkie zyski wynikające ze zwiększania nominalnych szybkości transmisji danych. Spodziewałem się tego procedura oceny stanu kanału zostanie zmieniona.
- W kontekście Wi-Fi 7 komitet normalizacyjny omawia zastosowanie niektórych „zaawansowanych” metod przesyłania danych. Teoretycznie metody te poprawiają efektywność widmową w przypadku powtarzających się prób transmisji, a także jednoczesnych transmisji w tych samych lub przeciwnych kierunkach. Mowa tu o hybrydowym automatycznym żądaniu powtórzeń (HARQ), stosowanym obecnie w sieciach komórkowych, trybie pełnego dupleksu i nieortogonalnym wielokrotnym dostępie (NOMA). Techniki te zostały dobrze zbadane w teorii w literaturze, ale nie jest jeszcze jasne, czy wzrost wydajności, jaki zapewniają, będzie wart wysiłku związanego z ich wdrożeniem.
- Używać HARQ komplikuje następujący problem. W Wi-Fi pakiety są sklejane ze sobą, aby zmniejszyć obciążenie. W obecnych wersjach Wi-Fi dostarczenie każdego pakietu wewnątrz klejonego jest potwierdzane, a w przypadku braku potwierdzenia transmisja pakietu jest powtarzana z wykorzystaniem metod protokołu dostępu do kanału. HARQ przenosi ponowne próby z łącza danych do warstwy fizycznej, gdzie nie ma już pakietów, a jedynie słowa kodowe, a granice słów kodowych nie pokrywają się z granicami pakietów. Ta desynchronizacja komplikuje implementację HARQ w Wi-Fi.
- Jeśli chodzi o Full-Duplex, to obecnie ani w sieciach komórkowych, ani w sieciach Wi-Fi nie jest możliwa jednoczesna transmisja danych na tym samym kanale częstotliwości do i od punktu dostępowego (stacji bazowej). Z technicznego punktu widzenia wynika to z dużej różnicy w mocy sygnału nadawanego i odbieranego. Choć istnieją prototypy łączące cyfrowe i analogowe odejmowanie sygnału nadawanego od sygnału odbieranego, zdolne do odbioru sygnału Wi-Fi w trakcie jego transmisji, wzmocnienie jakie mogą zapewnić w praktyce może być znikome ze względu na fakt, że w dowolnym momencie dolny nie jest równy rosnącemu (średnio „w szpitalu” zstępujący jest znacznie większy). Co więcej, taka dwukierunkowa transmisja znacznie skomplikuje protokół.
- Podczas gdy transmisja wielu strumieni przy użyciu MIMO wymaga wielu anten dla nadawcy i odbiorcy, przy dostępie nieortogonalnym punkt dostępowy może jednocześnie przesyłać dane do dwóch odbiorców za pomocą jednej anteny. Najnowsze specyfikacje 5G uwzględniają różne nieortogonalne opcje dostępu. Prototyp NOMA Wi-Fi zostało po raz pierwszy stworzone w 2018 roku w IITP RAS (znowu nie uważaj tego za PR). Wykazano wzrost wydajności o 30-40%. Zaletą opracowanej technologii jest jej kompatybilność wsteczna: jednym z dwóch odbiorców może być przestarzałe urządzenie, które nie obsługuje Wi-Fi 7. Generalnie problem kompatybilności wstecznej jest bardzo istotny, gdyż urządzenia różnych generacji mogą jednocześnie działać w sieci Wi-Fi. Obecnie kilka zespołów na całym świecie analizuje skuteczność łącznego zastosowania NOMA i MU-MIMO, których wyniki zadecydują o przyszłych losach podejścia. Kontynuujemy także prace nad prototypem: jego kolejna wersja zostanie zaprezentowana na konferencji IEEE INFOCOM w lipcu 2020 roku.
- Wreszcie kolejna ważna innowacja, ale o niejasnym losie, to skoordynowane działanie punktów dostępowych. Chociaż wielu dostawców ma własne scentralizowane kontrolery dla korporacyjnych sieci Wi-Fi, możliwości takich kontrolerów są generalnie ograniczone do długoterminowej konfiguracji parametrów i wyboru kanału. Komitet normalizacyjny omawia bliższą współpracę między sąsiednimi punktami dostępowymi, która obejmuje skoordynowane planowanie transmisji, kształtowanie wiązki, a nawet rozproszone systemy MIMO. Niektóre z rozważanych podejść wykorzystują sekwencyjną eliminację zakłóceń (mniej więcej tak samo jak w NOMA). Chociaż nie opracowano jeszcze podejść do koordynacji 11be, nie ma wątpliwości, że standard umożliwi punktom dostępowym różnych producentów koordynowanie między sobą harmonogramów transmisji w celu ograniczenia wzajemnych zakłóceń. Inne, bardziej złożone podejścia (takie jak rozproszone MU-MIMO) będą trudniejsze do wdrożenia w standardzie, chociaż niektórzy członkowie grupy są zdecydowani to zrobić w ramach wydania 2. Niezależnie od wyniku, los metod koordynacji punktów dostępowych jest niejasne. Nawet jeśli zostaną uwzględnione w standardzie, mogą nie trafić na rynek. Podobnie działo się już wcześniej przy próbie uporządkowania transmisji Wi-Fi za pomocą rozwiązań takich jak HCCA (11e) i HCCA TXOP Negotiation (11be).
Podsumowując, wydaje się, że większość propozycji związanych z pierwszymi pięcioma grupami stanie się częścią Wi-Fi 7, natomiast propozycje związane z dwiema ostatnimi grupami wymagają znacznych dodatkowych badań, aby udowodnić ich skuteczność.
Więcej szczegółów technicznych
Szczegóły techniczne dotyczące Wi-Fi 7 można przeczytać (po angielsku)
Źródło: www.habr.com