Co nas czeka w Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Niedawno na rynek weszły urządzenia wspierające technologię Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o której mówi się wiele. Mało kto jednak wie, że już teraz trwają prace nad nową generacją technologii Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). O tym, co będzie reprezentować Wi-Fi 7, w tym artykule.

Tło

We wrześniu 2020 roku będziemy obchodzić 30-lecie projektu IEEE 802.11, który znacząco wpłynął na nasze życie. Obecnie technologia Wi-Fi, określana jako rodzina standardów IEEE 802.11, jest najpopularniejszą technologią bezprzewodową wykorzystywaną do łączenia się z internetem: Wi-Fi przesyła ponad połowę ruchu użytkowników. Podczas gdy technologie komórkowe rebrandują się co dekadę, na przykład zmieniając nazwę 4G na 5G, dla użytkowników Wi-Fi zwiększenie szybkości przesyłu danych oraz wprowadzenie nowych usług i funkcji odbywa się praktycznie niezauważalnie. Zaledwie nieliczni klienci zwracają uwagę na litery „n”, „ac” czy „ax”, które następują po „802.11” na opakowaniach sprzętu. Ale to nie oznacza, że Wi-Fi nie rozwija się.

Jednym z dowodów na rozwój Wi-Fi jest drastyczny wzrost nominalnych szybkości przesyłu danych: od 2 Mbit/s w wersji z 1997 roku do prawie 10 Gbit/s w najnowszym standardzie 802.11ax, znanym również jako Wi-Fi 6. Nowoczesne Wi-Fi osiąga taki wzrost wydajności dzięki szybszym konstrukcjom kodów sygnałowych, szerszym kanałom oraz wykorzystaniu technologii MIMO.

Oprócz głównego kierunku rozwoju szybkich bezprzewodowych sieci lokalnych, ewolucja Wi-Fi obejmuje kilka niszowych projektów. Na przykład Wi-Fi HaLow (802.11ah) stało się próbą wprowadzenia Wi-Fi na rynek bezprzewodowego Internetu rzeczy. Wi-Fi w milimetrowym zakresie (802.11ad/ay) wspiera nominalne szybkości przesyłu danych do 275 Gbit/s, choć na bardzo krótkich odległościach.

Nowe aplikacje i usługi związane z wideo w wysokiej rozdzielczości, rzeczywistością wirtualną i rozszerzoną, grami, zdalnym biurem i obliczeniami w chmurze, a także konieczność wsparcia dużej liczby użytkowników z intensywnym ruchem w sieciach bezprzewodowych wymagają wysokiej wydajności.

Cele Wi-Fi 7

W maju 2019 roku podgrupa BE (TGbe) grupy roboczej 802.11 komitetu ds. standaryzacji sieci lokalnych i miejskich rozpoczęła pracę nad nowym uzupełnieniem standardu Wi-Fi, które zwiększy nominalną przepustowość do ponad 40 Gb/s w jednym kanale częstotliwości „typowym” dla zakresu Wi-Fi <= 7 GHz. Chociaż w wielu dokumentach pojawia się „maksymalna przepustowość nie mniej niż 30 Gb/s”, nowy protokół warstwy fizycznej zapewni nominalną prędkość przekraczającą 40 Gb/s.

Kolejnym ważnym kierunkiem rozwoju Wi-Fi 7 jest wsparcie dla aplikacji czasu rzeczywistego (gry, rzeczywistość wirtualna i rozszerzona, kontrola robotów). Warto zauważyć, że chociaż Wi-Fi specjalnie obsługuje ruch audio i wideo, przez długi czas uważano, że zapewnienie na poziomie standardu gwarantowanych małych opóźnień (jednostek milisekund), znane również jako Time-Sensitive Networking, w sieciach Wi-Fi jest zasadniczo niemożliwe. W listopadzie 2017 roku nasz zespół z IPI RAN i HSE (nie traktujcie tego jako PR) złożył odpowiednią propozycję w grupie IEEE 802.11. Propozycja wzbudziła duże zainteresowanie, a w lipcu 2018 roku uruchomiono specjalną podgrupę do dalszego badania tej kwestii. Ponieważ dla wsparcia aplikacji czasu rzeczywistego wymagane są zarówno wysokie nominalne prędkości przesyłu danych, jak i rozszerzenie funkcji warstwy kanałowej, grupa robocza 802.11 postanowiła opracować metody wsparcia aplikacji czasu rzeczywistego w ramach Wi-Fi 7.

Ważnym zagadnieniem związanym z Wi-Fi 7 jest jego współistnienie z technologiami sieci komórkowych (4G/5G), które są opracowywane przez 3GPP i działają w tych samych nielicencjonowanych pasmach częstotliwości. Mowa o LTE-LAA/NR-U. Aby zbadać problemy związane z współistnieniem Wi-Fi i sieci komórkowych, IEEE 802.11 uruchomił Coexisting Standing Committee (Coex SC). Pomimo licznych spotkań, a nawet wspólnego seminarium uczestników 3GPP i IEEE 802.11 w lipcu 2019 roku w Wiedniu, rozwiązania techniczne jeszcze nie zostały zatwierdzone. Możliwym wyjaśnieniem tej bezowocnej działalności jest to, że ani IEEE 802, ani 3GPP nie chcą zmieniać swoich własnych technologii, aby dostosować je do innej. Tak więc, na chwilę obecną nie jest jasne, czy dyskusje w ramach Coex SC wpłyną na standard Wi-Fi 7.

Proces opracowywania

Chociaż proces opracowywania Wi-Fi 7 jest na bardzo wczesnym etapie, do tej pory zgłoszono około 500 propozycji nowej funkcjonalności dla przyszłego Wi-Fi 7, znanego również jako IEEE 802.11be. Większość pomysłów jest wciąż omawiana w podgrupie be, a decyzje w tej sprawie jeszcze nie zapadły. Inne pomysły zostały niedawno zatwierdzone. Poniżej wyraźnie wskazane będzie, które propozycje są zatwierdzone, a które są tylko przedmiotem dyskusji.

Początkowo planowano, że opracowanie podstawowych nowych mechanizmów zakończy się do marca 2021 roku. Ostateczna wersja standardu oczekiwana jest na początek 2024 roku. W styczniu 2020 roku w podgrupie 11be wyrażono obawy, czy rozwój będzie zgodny z harmonogramem przy obecnym tempie pracy. Aby przyspieszyć proces opracowywania standardu, podgrupa postanowiła wybrać niewielki zestaw wysoko priorytetowych funkcji, które mogą zostać wydane do 2021 roku (Wydanie 1), a pozostałe zostawić na Wydanie 2. Wysoko priorytetowe funkcje mają zapewnić podstawowy wzrost wydajności i obejmują wsparcie dla 320 MHz, 4K-QAM, oczywiste ulepszenia OFDMA z Wi-Fi 6, MU-MIMO z 16 strumieniami.

Z powodu koronawirusa grupa obecnie nie spotyka się osobiście, ale regularnie organizuje wideokonferencje. W ten sposób rozwój nieco zwolnił, ale nie ustał.

Szczegóły technologii

Zastanówmy się nad głównymi nowościami Wi-Fi 7.

1. Nowy protokół warstwy fizycznej jest rozwinięciem protokołu Wi-Fi 6 z podwójnym zwiększeniem szerokości pasma do 320 MHz, podwójnym zwiększeniem liczby strumieni przestrzennych MU-MIMO, co zwiększa nominalną przepustowość w 2×2 = 4 razy. Wi-Fi 7 wprowadza także modulację 4K-QAM, co dodaje dodatkowe 20% do nominalnej przepustowości. W ten sposób Wi-Fi 7 zapewni nominalną prędkość transmisji danych 2x2x1,2 = 4,8 razy wyższą niż Wi-Fi 6: maksymalna nominalna przepustowość Wi-Fi 7 wynosi 9,6 Gb/s × 4,8 = 46 Gb/s. Ponadto w protokole warstwy fizycznej nastąpi rewolucyjna zmiana związana z zapewnieniem kompatybilności z przyszłymi wersjami Wi-Fi, ale pozostanie ona niezauważona przez użytkowników.
2. Zmiana metody dostępu do kanału dla wsparcia aplikacji czasu rzeczywistego będzie realizowane z uwzględnieniem doświadczenia IEEE 802 TSN dla sieci przewodowych. Trwające dyskusje w komitecie ds. standaryzacji dotyczą procedury losowego opóźniania przy dostępie do kanału, kategorii obsługi ruchu i odpowiednich, oddzielnych kolejek dla ruchu czasu rzeczywistego, a także polityk obsługi pakietów.
3. Wprowadzony w Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metoda dostępu do kanału z podziałem na czas i częstotliwość (analogiczna do tej stosowanej w sieciach 4G i 5G) – zapewnia nowe możliwości optymalnego rozdzielania zasobów. Jednakże w 11ax OFDMA nie jest wystarczająco elastyczne. Po pierwsze, pozwala punktowi dostępu na przydzielenie urządzeniu klienckiemu tylko jednego bloku zasobów o z góry określonym rozmiarze. Po drugie, nie obsługuje bezpośredniego przesyłania pomiędzy stacjami klienckimi. Oba te wady obniżają efektywność spektralną. Ponadto brak elastyczności odziedziczonej po Wi-Fi 6 OFDMA pogarsza wydajność w gęstych sieciach i zwiększa opóźnienie, co jest krytyczne dla aplikacji czasu rzeczywistego. 11be rozwiąże te problemy OFDMA.
4. Jedną z zatwierdzonych rewolucyjnych zmian w Wi-Fi 7 jest wbudowane wsparcie jednoczesnego wykorzystywania wielu równoległych połączeń na różnych częstotliwościach, co jest bardzo przydatne zarówno dla ogromnych prędkości transferu danych, jak i niezwykle niskich opóźnień. Chociaż nowoczesne chipsety mogą już jednocześnie korzystać z kilku połączeń, na przykład w pasmach 2.4 i 5 GHz, te połączenia są niezależne, co ogranicza efektywność takich operacji. W 11be znajdzie się taki poziom synchronizacji między kanałami, który pozwoli na efektywne wykorzystanie zasobów kanału i skutkuje znacznymi zmianami w zasadach protokołu dostępu do kanału.
5. Wykorzystanie bardzo szerokich kanałów i dużej liczby przestrzennych strumieni prowadzi do problemu wysokich kosztów związanych z procedurą oceny stanu kanału, niezbędną dla MIMO i OFDMA. Koszty te niwelują wszystkie korzyści z podwyższonych nominalnych prędkości transferu danych. Oczekuje się, że procedura oceny stanu kanału zostanie zrewidowana.
6. W kontekście Wi-Fi 7 w komitecie standaryzacyjnym omawiane jest wykorzystanie kilku "zaawansowanych" metod przesyłania danych. Teoretycznie metody te zwiększają efektywność spektralną w przypadku prób przesyłania oraz przy jednoczesnych przesyłach w tym samym lub przeciwnym kierunku. Mowa o hybrydowym automatycznym żądaniu powtórzenia (HARQ), stosowanym obecnie w sieciach komórkowych, o trybie full-duplex oraz o nieortogonalnym dostępie wielokrotnym (NOMA). Metody te zostały dobrze zbadane w literaturze teoretycznej, jednak wciąż nie jest jasne, czy wzrost wydajności, który zapewniają, zrekompensuje wysiłki związane z ich wdrożeniem.
   • Użycie HARQ była utrudniona przez następujący problem. W Wi-Fi, aby zredukować narzuty, pakiety są łączone. W aktualnych wersjach Wi-Fi dostarczenie każdego pakietu w ramach połączenia jest potwierdzane, a jeśli potwierdzenie nie nadchodzi, przesyłanie pakietu jest powtarzane metodami protokołu dostępu do kanału. HARQ przenosi próby powtórzeń z poziomu kanału na poziom fizyczny, gdzie nie ma już pakietów, lecz słowa kodowe, a granice słów kodowych nie pokrywają się z granicami pakietów. Taka niesynchronizacja utrudnia wdrożenie HARQ w Wi-Fi.
   • Jeśli chodzi o Full-Duplex, obecnie w sieciach komórkowych ani w sieciach Wi-Fi nie można jednocześnie w tym samym kanale częstotliwości przesyłać danych zarówno do punktu dostępowego (stacji bazowej), jak i od niego. Z technicznego punktu widzenia jest to związane z ogromną różnicą w mocy sygnału nadawanego i odbieranego. Chociaż istnieją prototypy łączące cyfrowe i analogowe odejmowanie sygnału nadawanego z odbieranego, zdolne do odbierania sygnału Wi-Fi w czasie jego przesyłania, zysk, jaki mogą one dać w praktyce, może być nieznaczny z powodu faktu, że w każdym momencie czasu strumień zstępujący nie jest równy strumieniowi wstępującemu (średnio "w szpitalu" zstępujący jest znacznie większy). Taka dwukierunkowa transmisja znacznie utrudni protokół.
   • Jeśli do przesyłania wielu strumieni przy użyciu MIMO potrzebne są różne anteny dla nadajnika i odbiornika, w przypadku nieortogonalnego dostępu punkt dostępowy może jednocześnie przesyłać dane do dwóch odbiorników z jednej anteny. Różne warianty nieortogonalnego dostępu są zawarte w najnowszych specyfikacjach 5G. Prototyp NOMA Wi-Fi zostało po raz pierwszy stworzone w 2018 roku w IPPI RAN (znowu nie traktujcie tego jako reklamy). Zademonstrowało wzrost wydajności o 30-40%. Zalety opracowanej technologii to jej kompatybilność wsteczna: jeden z dwóch odbiorników może być przestarzałym urządzeniem, które nie obsługuje Wi-Fi 7. W ogóle problem kompatybilności wstecznej jest bardzo ważny, ponieważ w sieci Wi-Fi mogą jednocześnie działać urządzenia różnych generacji. Obecnie kilka zespołów na świecie analizuje efektywność współdzielenia NOMA i MU-MIMO, a wyniki te określą dalszą przyszłość podejścia. Kontynuujemy również prace nad prototypem: kolejna wersja zostanie zaprezentowana na konferencji IEEE INFOCOM w lipcu 2020 roku.
7. W końcu, kolejną ważną nowością, ale z niepewną przyszłością, jest skoordynowana praca punktów dostępowych. Chociaż wielu dostawców ma własne scentralizowane kontrolery do korporacyjnych sieci Wi-Fi, możliwości takich kontrolerów były zazwyczaj ograniczone do długoterminowej konfiguracji oraz wyboru kanału. Komitet standaryzacyjny omawia bliższą współpracę między sąsiednimi punktami dostępowymi, która obejmuje skoordynowane planowanie transmisji, beamforming i nawet rozproszone systemy MIMO. Niektóre z rozważanych podejść wykorzystują sekwencyjne tłumienie zakłóceń (podobnie jak w NOMA). Choć podejścia do koordynacji 11be nie zostały jeszcze opracowane, nie ma wątpliwości, że standard pozwoli punktom dostępowym różnych producentów współkoordynować harmonogram transmisji, aby zredukować wzajemne zakłócenia. Co do innych, bardziej złożonych podejść (np. rozproszone MU-MIMO), ich wdrożenie w standard może być trudniejsze, chociaż niektórzy członkowie grupy są zdeterminowani, by zrealizować to w ramach Release 2. Niezależnie od wyniku, przyszłość metod koordynacji punktów dostępowych pozostaje niepewna. Nawet gdyby zostały włączone do standardu, mogą nie dotrzeć na rynek. Podobne zjawiska miały miejsce wcześniej, gdy próbowano uporządkować transmisje Wi-Fi przy użyciu takich rozwiązań 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, podczas gdy propozycje związane z dwoma ostatnimi grupami wymagają znaczących dodatkowych badań, aby udowodnić swoją skuteczność.

Więcej szczegółów technicznych

Szczegóły techniczne dotyczące Wi-Fi 7 można przeczytać tutaj (w języku angielskim)

Źródło: habr.com