W swoich projektach Huawei stawia na Wi-Fi 6. Pytania od kolegów i klientów dotyczące nowej generacji standardu skłoniły nas do napisania posta o teoretycznych podstawach i fizycznych zasadach, które są w nim zakorzenione. Przejdźmy od historii do fizyki, aby dokładnie zrozumieć, po co potrzebne są technologie OFDMA i MU-MIMO. Porozmawiamy także o tym, jak zasadniczo przeprojektowane fizyczne środowisko transmisji danych umożliwiło uzyskanie gwarantowanej przepustowości kanałów i tak znaczącego zmniejszenia ogólnego poziomu opóźnień, że stały się one porównywalne z „operatorami”. I to mimo, że nowoczesne sieci oparte na 5G są droższe (średnio 20-30 razy) od porównywalnych możliwościami sieci wewnętrznych na Wi-Fi 6.
Dla Huawei temat ten nie jest banalny: rozwiązania wspierające Wi-Fi 6 są wśród naszych najbardziej przełomowych produktów w 2020 roku, w które zainwestowano ogromne zasoby. Oto tylko jeden przykład: badania w dziedzinie materiałoznawstwa pozwoliły nam dobrać stop, którego użycie w elementach radiowych punktu dostępowego zwiększyło stosunek „sygnał - szum” o 2-3 dB: chylimy czoła przed Doronem Ezri (Doron Ezri) za to osiągnięcie.
Historia
Historię Wi-Fi warto liczyć od 1971 roku, kiedy to na Uniwersytecie Hawajskim profesor Norman Abramson wraz z grupą współpracowników opracował, zbudował i uruchomił bezprzewodową sieć przesyłu danych ALOHAnet.
W 1980 roku zatwierdzono grupę standardów i protokołów IEEE 802, opisujących organizację dwóch niższych warstw siedmiowarstwowego modelu sieci OSI. Na premierę pierwszej wersji 802.11 trzeba było czekać długie 17 lat.
W 1997 roku przyjęto standard 802.11, dwa lata przed powstaniem organizacji Wi-Fi Alliance, a pierwsza generacja najpopularniejszej dziś technologii bezprzewodowego przesyłu danych weszła na szeroki świat.
Standard IEEE 802. Pokolenia Wi-Fi
Pierwszym standardem, który był masowo wspierany przez producentów sprzętu, stał się 802.11b. Jak widać, częstotliwość innowacji od końca XX wieku była dość stabilna: na jakościowe zmiany potrzeba czasu. W ostatnich latach główne prace skupiały się na poprawie fizycznego środowiska przesyłu sygnału. Aby lepiej zrozumieć współczesne problemy Wi-Fi, powróćmy do jego fizycznych podstaw.
Przypomnijmy sobie podstawy!
Fale radiowe są szczególnym przypadkiem fal elektromagnetycznych — rozprzestrzeniających się od źródła zakłóceń pola elektrycznego i magnetycznego. Charakteryzują się trzema podstawowymi parametrami: wektorem falowym oraz wektorami natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Wszystkie trzy są wzajemnie prostopadłe. Częstotliwość fali określa się jako liczbę powtarzających się drgań w jednostce czasu.
Wszystko to są powszechnie znane fakty. Jednak aby dojść do końca, musimy zacząć od samego początku.
Na umownej skali zakresów częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, pasmo radiowe zajmuje najniższą (niskoczęstotliwościową) część. Należą do niego fale elektromagnetyczne o częstotliwości drgań od 3 Hz do 3000 GHz. Wszystkie inne pasma, w tym światło widzialne, mają znacznie wyższe częstotliwości.
Im wyższa częstotliwość, tym większą energię można przekazać falom radiowym, jednak jednocześnie gorzej omijają przeszkody i szybciej się tłumią. Prawda jest odwrotna. Biorąc pod uwagę te cechy, dla pracy Wi-Fi wybrano dwa główne zakresy częstotliwości — 2,4 GHz (pasmo częstotliwości od 2,4000 do 2,4835 GHz) oraz 5 GHz (zakresy częstotliwości 5,170—5,330, 5,490—5,730 oraz 5,735—5,835 GHz).
Fale radiowe rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach, a aby sygnały nie wpływały na siebie nawzajem z powodu efektu interferencji, pasmo częstotliwości dzieli się na osobne wąskie odcinki — kanały o danej . Na powyższym schemacie widać, że sąsiadujące kanały 1 i 2 o szerokości pasma 20 MHz będą zakłócać się nawzajem, podczas gdy 1 i 6 — nie będą.
Sygnał wewnątrz kanału jest transmitowany za pomocą fali radiowej na określonej częstotliwości nośnej. W celu przesyłania informacji parametry fali mogą na częstotliwości, amplitudzie lub fazie.
Podział kanałów w zakresach częstotliwości Wi-Fi
Zakres częstotliwości 2,4 GHz dzieli się na 14 częściowo nakładających się na siebie kanałów o optymalnej szerokości — 20 MHz. Kiedyś uważano, że to zupełnie wystarczające do organizacji skomplikowanej sieci bezprzewodowej. Wkrótce okazało się, że pojemność pasma szybko się wyczerpuje, dlatego dodano zakres 5 GHz, którego pojemność spektralna jest znacznie wyższa. W nim, oprócz kanałów o szerokości 20 MHz, można wydzielić kanały o szerokości 40 i 80 MHz.
Aby dodatkowo zwiększyć efektywność wykorzystania widma radiowego, obecnie szeroko stosuje się technologię wielodostępu z ortogonalnym podziałem częstotliwości ().
. Oznacza to, że oprócz częstotliwości nośnej wykorzystywanych jest również kilka częstotliwości podnośnych w tym samym kanale, co umożliwia równoległe przesyłanie danych. OFDM pozwala na wygodne rozdzielenie ruchu w sposób "granularny", ale z powodu swojego szacownego wieku zachowuje szereg istotnych wad. Do nich należy sposób działania w protokole sieciowym CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), który pozwala, aby w danym momencie na jednej częstotliwości nośnej i podnośnej mógł pracować tylko jeden użytkownik.
Przepływy przestrzenne
Ważnym sposobem na zwiększenie przepustowości sieci bezprzewodowej jest wykorzystanie przepływów przestrzennych.
Punkt dostępu zawiera kilka modułów radiowych (jeden, dwa lub więcej), które są podłączone do określonej liczby anten. Te anteny emitują sygnał zgodnie z określoną schematyką i modulacją, co umożliwia odbiór informacji przesyłanej przez medium bezprzewodowe. Przepływ przestrzenny może być tworzony między konkretną fizyczną anteną (modułem radiowym) punktu dostępu a urządzeniem użytkownika. Dzięki temu całkowita ilość informacji przesyłanej z punktu dostępu zwiększa się wielokrotnie w stosunku do liczby przepływów (antenn).
Zgodnie z aktualnymi standardami w paśmie 2,4 GHz można zrealizować do czterech przepływów przestrzennych, w paśmie 5 GHz — do ośmiu.
W przeszłości, pracując w pasmach 2,4 i 5 GHz, skupialiśmy się jedynie na liczbie modułów radiowych. Obecność drugiego modułu radiowego zapewniała dodatkową elastyczność, umożliwiając starym urządzeniom klienckim działanie w częstotliwości 2,4 GHz, a nowym w 5 GHz. Pojawienie się trzeciego i kolejnych modułów radiowych przyniosło pewne problemy. Elementy emitujące mają tendencję do wzajemnego zakłócania się, co podnosi koszt urządzenia ze względu na potrzebę lepszego zaprojektowania i wyposażenia punktu dostępowego w filtry kompensacyjne. Dopiero niedawno stało się możliwe jednoczesne wsparcie 16 strumieni przestrzennych na jednym punkcie dostępowym.
Prędkość praktyczna i teoretyczna
Z powodu mechanizmów działania OFDM nie mogliśmy osiągnąć maksymalnej przepustowości sieci. Teoretyczne obliczenia dla praktycznego wdrożenia OFDM przeprowadzono bardzo dawno temu i tylko w odniesieniu do idealnych środowisk, gdzie przewidywano wystarczająco wysoki wskaźnik stosunku 'sygnał-szum' (SNR) oraz prawdopodobieństwo błędu na bit (BER). W dzisiejszych warunkach silnego zakłócenia wszystkich interesujących nas pasm radiowych wskaźniki przepustowości sieci opartych na OFDM są przygnębiająco niskie. A protokół przez ostatni czas nadal nosił te wady, aż do momentu, gdy pomocna stała się technologia OFDMA (ortogonalny dostęp wielokrotnej dzielnicy częstotliwości). O tym napiszemy dalej.
Porozmawiajmy o antenach
Jak wiecie, każda antena ma współczynnik wzmocnienia, w zależności od którego kształtuje się przestrzenny wzór rozprzestrzeniania sygnału (beamforming) z określoną powierzchnią pokrycia (nie bierzemy pod uwagę odbicia sygnału itp.). Na tym zawsze opierali się projektanci przy ustalaniu, gdzie powinny być umiejscowione punkty dostępowe. Przez długi czas kształt wzoru pozostawał niezmienny i jedynie proporcjonalnie zwiększał się lub zmniejszał w zależności od właściwości anteny.
Nowoczesne elementy antenowe stają się coraz bardziej sterowalne i pozwalają na dynamiczną zmianę przestrzennego wzoru rozprzestrzeniania sygnału w czasie rzeczywistym.
Z lewej stronie na górze przedstawiono zasadę rozprzestrzeniania się fal radiowych przy użyciu standardowej anteny omnikierunkowej. Zwiększając moc sygnału, mogliśmy jedynie zmieniać zasięg bez możliwości istotnego wpływania na jakość wykorzystania kanału — KQI (Kluczowe Wskaźniki Jakości). A ten wskaźnik jest niezwykle ważny przy organizacji komunikacji w warunkach częstego przemieszczania się urządzenia abonenta w środowisku bezprzewodowym.
Rozwiązaniem problemu stało się zastosowanie dużej liczby małych anten, których obciążenie można regulować w czasie rzeczywistym, formując wzory rozprzestrzeniania w zależności od położenia przestrzennego użytkownika.
W ten sposób udało się zbliżyć do zastosowania technologii MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Dzięki niej punkt dostępu w dowolnym momencie formuje strumienie promieniowania kierowane bezpośrednio w stronę urządzeń abonentów.
Od fizyki do standardów 802.11
W miarę rozwoju standardów Wi-Fi zmieniały się zasady działania z warstwą fizyczną sieci. Wykorzystanie innych mechanizmów modulacji pozwoliło — począwszy od wersji 802.11g/n — pomieścić w jednym przedziale czasowym znacznie większą ilość informacji i, w związku z tym, współpracować z większą liczbą użytkowników. Poza tym osiągnięto to również dzięki zastosowaniu strumieni przestrzennych. Nowo nabyta elastyczność w zakresie szerokości kanału umożliwiła formowanie większej liczby zasobów dla MIMO.
Na następny rok zaplanowano zatwierdzenie standardu Wi-Fi 7. Co się zmieni z jego nadejściem? Oprócz tradycyjnego wzrostu prędkości i dodania pasma 6 GHz, pojawi się możliwość pracy z szerokimi agregowanymi kanałami, takimi jak 320 MHz. To szczególnie interesujące w kontekście zastosowań przemysłowych.
Teoretyczna przepustowość Wi-Fi 6
Teoretyczna formuła obliczenia nominalnej prędkości działania Wi-Fi 6 jest dość skomplikowana i zależy od wielu parametrów, począwszy od liczby strumieni przestrzennych, a skończywszy na informacjach, które możemy włożyć w podnośną (lub podnośne, jeśli ich kilka) w jednostce czasu.
Jak widać, wiele zależy od strumieni przestrzennych. Wcześniej jednak zwiększenie ich liczby w połączeniu z wykorzystaniem STC (kodowanie czasoprzestrzenne) i MRC (maksymalne łączenie współczynników) pogarszało działanie rozwiązań bezprzewodowych jako całości.
Nowe kluczowe technologie warstwy fizycznej
Przejdźmy do kluczowych technologii warstwy fizycznej — zaczniemy od pierwszej warstwy modelu OSI.
Przypomnijmy, że w OFDM wykorzystuje się określoną liczbę podnośnych, które, nie zakłócając się nawzajem, mogą przesyłać pewną ilość informacji.
W przykładzie używamy pasma 5,220 GHz, które obejmuje 48 podkanałów. Agregując ten kanał, uzyskujemy większą liczbę podnośnych, na każdej z których stosuje się własną schematykę modulacji.
W Wi-Fi 5 stosowana jest kwadraturowa modulacja 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), która pozwala utworzyć w ramach częstotliwości nośnej w jednym przedziale czasowym pole 16 x 16 punktów, różniących się amplitudą i fazą. Niewygodą jest to, że w danym momencie na częstotliwości nośnej może transmitować tylko jedna stacja.
Mokrofonowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA) pochodzi ze świata operatorów mobilnych, zyskało popularność równolegle z LTE i jest stosowane do organizacji downlinku (kanał do abonenta). Pozwala działać z kanałem na poziomie tzw. jednostek zasobów. Te jednostki pomagają podzielić blok na określoną liczbę komponentów. W ramach bloku możemy w danym momencie nie pracować ściśle z jednym elementem emitującym (użytkownikiem lub punktem dostępu), ale łączyć dziesiątki elementów. To pozwala osiągać istotne wyniki.
Proste łączenie kanałów w Wi-Fi 6
Łączenie kanałów (Channel Bonding) w Wi-Fi 6 umożliwia uzyskanie połączonych kanałów o szerokości od 20 do 160 MHz. Przy czym łączenie nie musi odbywać się w sąsiadujących zakresach. Na przykład, jeden blok można wziąć z zakresu 5,17 GHz, a drugi — z zakresu 5,135 GHz. To pozwala elastycznie tworzyć przestrzeń radiową, nawet w obecności silnych czynników interferencyjnych lub w sąsiedztwie z innymi stacjami emitującymi.
Od SIMO do MIMO
Metoda MIMO nie była z nami zawsze. Kiedyś mobilne połączenia musiały ograniczać się do trybu SIMO, który wymagał, aby stacja abonencka miała kilka anten, pracujących jednocześnie na odbieranie informacji.
MU-MIMO ma na celu przesyłanie informacji do użytkowników, wykorzystując wszystkie dostępne anteny. To znosi wcześniejsze ograniczenia nałożone przez protokół CSMA/CA, związane z wysyłaniem urządzeniom abonenckim tokenów do transmisji. Teraz użytkownicy są grupowani, a każdy uczestnik grupy otrzymuje swoją część zasobów antenowych punktu dostępowego, zamiast czekać na swoją kolej.
Formowanie wiązki radiowej
Wa żnym zasadą działania MU-MIMO jest utrzymanie takiego trybu pracy anten, który nie prowadzi do wzajemnego nakładania się fal radiowych i utraty informacji z powodu interferencji fazowych.
To wymaga skomplikowanych obliczeń matematycznych po stronie punktu dostępowego. Jeśli terminal wspiera tę funkcję, MU-MIMO pozwala mu informować punkt dostępowy, z jakim opóźnieniem odbiera sygnał na każdej konkretnej antenie. Punkt dostępowy z kolei dostosowuje swoje anteny w celu formowania optymalnie skierowanej wiązki.
Co to nam daje w całości?
Białymi okręgami z cyframi w tabeli oznaczone są aktualne scenariusze zastosowania Wi-Fi poprzednich pokoleń. Niebieskie okręgi (patrz ilustracja powyżej) opisują możliwości Wi-Fi 6, a szare — sytuację niedalekiej przyszłości.
Główne korzyści, jakie przynoszą nowe rozwiązania wspierające OFDMA, związane są z jednostkami zasobów realizowanymi na poziomie porównywalnym z TDM (Time Division Multiplexing). Tego wcześniej w Wi-Fi nie było. Umożliwia to ścisłą kontrolę nad przydzieloną przepustowością, zapewniając minimalny czas przechodzenia sygnału przez medium oraz wymaganą niezawodność. Na szczęście nikt nie ma wątpliwości, że wskaźniki niezawodności Wi-Fi potrzebują poprawy.
Historia toczy się spiralnie, a obecna sytuacja przypomina tę, która miała miejsce wokół Ethernetu. Już wtedy utrwaliło się przekonanie, że medium transmisyjne CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nie zapewnia żadnej gwarantowanej przepustowości. I tak było aż do przejścia na IEEE 802.3z.
Jeśli chodzi o ogólne modele zastosowania, jak widać, z każdym pokoleniem Wi-Fi rośnie liczba scenariuszy jego wykorzystania, które stają się coraz bardziej wrażliwe na opóźnienia, jitter oraz ogólną Znowu o fizycznym otoczeniu
A teraz o tym, co tworzy nowe fizyczne otoczenie. Przy użyciu CSMA/CA oraz OFDM, wzrost liczby aktywnych punktów (Active STA) powodował znaczny spadek przepustowości 20-megahercowego kanału. Było to związane z nieco starszymi technologiami STC (Space-Time Coding) oraz MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, dzięki wykorzystaniu jednostek zasobów, może skutecznie współdziałać z odległymi i niskonapięciowymi stacjami. Uzyskujemy możliwość pracy w jednym paśmie nośnym z użytkownikami, którzy wymagają różnych ilości zasobów. Jeden użytkownik może zajmować jedną jednostkę, a inny — wszystkie pozostałe.
Dlaczego wcześniej nie było OFDMA?
I w końcu, najważniejsze pytanie: dlaczego wcześniej nie było OFDMA? Cóż, wszystko sprowadzało się do pieniędzy.
Przez długi czas uważano, że cena modułu Wi-Fi powinna być minimalna. Podczas uruchamiania protokołu do komercyjnego użytku w 1997 roku postanowiono, że koszt produkcji takiego modułu nie może przekraczać 1 dolar. W rezultacie rozwój technologii przebiegał w sposób nieoptymalny. Tu nie uwzględniamy operatorów LTE, gdzie OFDMA jest już używane od dawna.
Ostatecznie grupa robocza ds. Wi-Fi postanowiła przenieść te osiągnięcia ze świata operatorów telekomunikacyjnych do świata sieci korporacyjnych. Głównym celem było przejście na stosowanie elementów o wyższej jakości, takich jak filtry i oscylatory.
Dlaczego tak trudno było nam pracować w starych kodowaniach MRC z interferencją lub bez niej? Ponieważ mechanizm formowania wiązki MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) znacznie zwiększał liczbę błędów, gdy tylko próbowaliśmy połączyć dużą liczbę punktów nadawczych. OFDMA udowodnił, że problem ten jest rozwiązywalny.
Dlaczego tak trudno nam było pracować w starych kodowaniach MRC, z interferencją lub bez niej? Ponieważ mechanizm formowania wiązki MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) znacznie zwiększał liczbę błędów, gdy tylko próbowaliśmy połączyć dużą liczbę punktów nadawczych. OFDMA udowodnił, że problem jest rozwiązywalny.
Walka z interferencją opiera się teraz na matematyce. Jeżeli okno przesyłu informacji jest wystarczająco długie, powstająca dynamiczna interferencja prowadzi do problemów. Nowe algorytmy umożliwiają ich wyeliminowanie, wykluczając wpływ nie tylko interferencji związanej z przesyłem Wi-Fi, ale także wszelkich innych, które występują w tym zakresie.
Dzięki adaptacyjnej walce z interferencją możemy uzyskać zysk do 11 dB nawet w trudnym, niejednorodnym środowisku. Wykorzystanie własnych rozwiązań algorytmicznych Huawei pozwoliło na poważną optymalizację tam, gdzie jest to konieczne – w rozwiązaniach wewnętrznych. To, co działa dobrze w 5G, niekoniecznie sprawdza się w środowisku Wi-Fi 6. Podejścia Massive MIMO i MU-MIMO różnią się w przypadku rozwiązań wewnętrznych i zewnętrznych. Tam, gdzie jest to potrzebne, należy zastosować kosztowne rozwiązania, jak w 5G. Ale potrzebne są też inne opcje, takie jak Wi-Fi 6, które mogą zapewnić opóźnienia i inne parametry, których oczekujemy od operatorów telekomunikacyjnych.
Zapożyczamy od nich te narzędzia, które będą dla nas przydatne jako dla klientów korporacyjnych, a wszystko to po to, aby zapewnić fizyczne środowisko, na którym można polegać.
***
Przy okazji, nie zapominajcie o naszych licznych webinariach na temat nowości Huawei w 2020 roku, prowadzonych nie tylko w segmencie ruskojęzycznym, ale także na poziomie globalnym. Lista webinariów na najbliższe tygodnie dostępna jest pod .
Źródło: habr.com
