Huawei w swoich opracowaniach opiera się na Wi-Fi 6. A pytania kolegów i klientów dotyczące nowej generacji standardu skłoniły nas do napisania postu na temat osadzonych w nim podstaw teoretycznych i zasad fizycznych. Przejdźmy od historii do fizyki i przyjrzyjmy się szczegółowo, dlaczego potrzebne są technologie OFDMA i MU-MIMO. Porozmawiajmy także o tym, jak zasadniczo przeprojektowany fizyczny nośnik transmisji danych pozwolił osiągnąć gwarantowaną przepustowość kanału i taką redukcję ogólnego poziomu opóźnień, że stały się one porównywalne z opóźnieniami operatora. I to pomimo tego, że nowoczesne sieci oparte na 5G są droższe (średnio 20–30 razy) od wewnętrznych sieci Wi-Fi 6 o podobnych możliwościach.
Dla Huawei temat wcale nie jest pusty: rozwiązania wspierające Wi-Fi 6 to jedne z naszych najbardziej przełomowych produktów roku 2020, w które zainwestowano ogromne środki. Oto tylko jeden przykład: badania z zakresu inżynierii materiałowej pozwoliły nam wybrać stop, którego zastosowanie w elementach radiowych punktu dostępowego zwiększyło stosunek sygnału do szumu o 2-3 dB: czapki z głów przed Doronem Ezrim to osiągnięcie.
Trochę historii
Historię Wi-Fi warto zacząć od roku 1971, kiedy to na Uniwersytecie Hawajskim profesor Norman Abramson wraz z grupą współpracowników opracował, zbudował i uruchomił bezprzewodową sieć pakietowej transmisji danych ALOHAnet.
W 1980 roku zatwierdzono grupę standardów i protokołów IEEE 802, opisujących organizację dwóch niższych warstw siedmiowarstwowego modelu sieci OSI. Na wydanie pierwszej wersji standardu 802.11 musieliśmy czekać 17 długich lat.
Wraz z przyjęciem standardu 1997 w 802.11 r., dwa lata przed narodzinami Wi-Fi Alliance, pierwsza generacja najpopularniejszej obecnie technologii bezprzewodowej transmisji danych pojawiła się na całym świecie.
Standard IEEE 802. Generacje Wi-Fi
Pierwszym standardem, który był naprawdę szeroko wspierany przez producentów sprzętu, był 802.11b. Jak widać, częstotliwość innowacji utrzymuje się od końca XX wieku na stałym poziomie: zmiany jakościowe wymagają czasu. W ostatnich latach włożono wiele pracy w poprawę fizycznego medium transmisji sygnału. Aby lepiej zrozumieć współczesne problemy Wi-Fi, przejdźmy do jego fizycznych podstaw.
Pamiętajmy o podstawach!
Fale radiowe są szczególnym przypadkiem fal elektromagnetycznych - rozchodzących się od źródła zaburzeń pola elektrycznego i magnetycznego. Charakteryzują się trzema głównymi parametrami: wektorem falowym oraz wektorami natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Wszystkie trzy są względem siebie prostopadłe. W tym przypadku częstotliwość fali nazywana jest zwykle liczbą powtarzających się oscylacji mieszczących się w jednostce czasu.
Wszystko to są dobrze znane fakty. Aby jednak dotrzeć do końca, zmuszeni jesteśmy zacząć od samego początku.
W konwencjonalnej skali zakresów częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego zasięg radiowy zajmuje najniższą część (niskie częstotliwości). Obejmuje fale elektromagnetyczne o częstotliwości oscylacji od 3 Hz do 3000 GHz. Wszystkie pozostałe pasma, w tym światło widzialne, mają znacznie wyższą częstotliwość.
Im wyższa częstotliwość, tym więcej energii można przekazać fali radiowej, ale jednocześnie gorzej załamuje się ona wokół przeszkód i szybciej tłumi. Jest też odwrotnie. Biorąc pod uwagę te cechy, do pracy Wi-Fi wybrano dwa główne zakresy częstotliwości - 2,4 GHz (zakres częstotliwości od 2,4000 do 2,4835 GHz) oraz 5 GHz (zakresy częstotliwości 5,170-5,330, 5,490-5,730 i 5,735-5,835 GHz).
Fale radiowe rozchodzą się we wszystkich kierunkach i aby zapobiec wzajemnemu oddziaływaniu komunikatów w wyniku efektu interferencji, pasmo częstotliwości jest zwykle dzielone na osobne wąskie sekcje - kanały z jednym lub drugim . Powyższy diagram pokazuje, że sąsiednie kanały 1 i 2 o szerokości pasma 20 MHz będą się wzajemnie zakłócać, ale 1 i 6 nie.
Sygnał wewnątrz kanału jest przesyłany za pomocą fali radiowej o określonej częstotliwości nośnej. Do przesyłania informacji można wykorzystać parametry fali częstotliwością, amplitudą lub fazą.
Separacja kanałów w zakresach częstotliwości Wi-Fi
Pasmo częstotliwości 2,4 GHz podzielone jest na 14 częściowo nakładających się kanałów o optymalnej szerokości 20 MHz. Kiedyś wierzono, że to wystarczy, aby zorganizować złożoną sieć bezprzewodową. Szybko stało się jasne, że pojemność pasma szybko się wyczerpuje, dlatego dodano do niego pasmo 5 GHz, którego pojemność widmowa jest znacznie większa. W nim oprócz kanałów 20 MHz możliwe jest przydzielanie kanałów o szerokości 40 i 80 MHz.
Aby jeszcze bardziej poprawić efektywność wykorzystania widma częstotliwości radiowych, obecnie powszechnie stosuje się technologię multipleksowania z ortogonalnym podziałem częstotliwości ().
Polega ona na wykorzystaniu wraz z częstotliwością nośną kilku częstotliwości podnośnych w tym samym kanale, co umożliwia realizację równoległej transmisji danych. OFDM umożliwia dystrybucję ruchu w dość wygodny „ziarnisty” sposób, ale ze względu na swój czcigodny wiek zachowuje szereg istotnych wad. Wśród nich znajdują się zasady pracy z wykorzystaniem protokołu sieciowego CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Unikanie), zgodnie z którym w określonych godzinach na jednej nośnej i podnośnej może pracować tylko jeden użytkownik.
Przepływy przestrzenne
Ważnym sposobem na zwiększenie przepustowości sieci bezprzewodowej jest wykorzystanie strumieni przestrzennych.
Punkt dostępowy zawiera kilka modułów radiowych (jeden, dwa lub więcej), które są podłączone do określonej liczby anten. Anteny te promieniują według określonego wzoru i modulacji, a Ty i ja otrzymujemy informacje przesyłane za pośrednictwem łącza bezprzewodowego. Strumień przestrzenny może być utworzony pomiędzy konkretną anteną fizyczną (modułem radiowym) punktu dostępowego a urządzeniem użytkownika. Dzięki temu całkowity wolumen informacji przesyłanych z punktu dostępowego zwiększa się o wielokrotność liczby strumieni (anten).
Według obecnych standardów w paśmie 2,4 GHz można realizować do czterech strumieni przestrzennych, a w paśmie 5 GHz do ośmiu.
Wcześniej pracując w pasmach 2,4 i 5 GHz skupialiśmy się wyłącznie na liczbie modułów radiowych. Obecność drugiego modułu radiowego zapewniała dodatkową elastyczność, gdyż pozwalała starym urządzeniom abonenckim pracować na częstotliwości 2,4 GHz, a nowym na częstotliwości 5 GHz. Wraz z pojawieniem się trzeciego i kolejnych modułów radiowych pojawiły się pewne problemy. Elementy promieniujące mają tendencję do wzajemnego zakłócania się, co zwiększa koszt urządzenia ze względu na konieczność lepszego zaprojektowania i wyposażenia punktu dostępowego w filtry kompensacyjne. Dlatego dopiero niedawno stała się możliwa jednoczesna obsługa 16 strumieni przestrzennych na punkt dostępowy.
Prędkość praktyczna i teoretyczna
Ze względu na mechanizmy operacyjne OFDM nie udało nam się uzyskać maksymalnej przepustowości sieci. Teoretyczne obliczenia dotyczące praktycznej implementacji OFDM przeprowadzono dawno temu i tylko w odniesieniu do idealnych środowisk, w których przewidywalnie oczekiwano dość wysokiego stosunku sygnału do szumu (SNR) i bitowej stopy błędów (BER). We współczesnych warunkach silnego szumu we wszystkich interesujących nas widmach częstotliwości radiowych przepustowość sieci opartych na OFDM jest przygnębiająco niska. Protokół nadal miał te niedociągnięcia aż do niedawna, aż na ratunek przyszła technologia OFDMA (wielokrotny dostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości). O niej - trochę dalej.
Porozmawiajmy o antenach
Jak wiadomo, każda antena ma zysk, w zależności od wartości którego tworzy się przestrzenny wzór propagacji sygnału (kształtowania wiązki) przy określonym obszarze pokrycia (nie bierzemy pod uwagę odbicia sygnału itp.). Właśnie na tym projektanci zawsze opierali swoje rozumowanie, gdzie dokładnie należy umieścić punkty dostępu. Przez długi czas kształt wzoru pozostawał niezmieniony, a jedynie zwiększał się lub zmniejszał proporcjonalnie do charakterystyki anteny.
Nowoczesne elementy antenowe stają się coraz bardziej sterowalne i pozwalają na dynamiczne zmiany przestrzennego wzorca propagacji sygnału w czasie rzeczywistym.
Powyższy rysunek po lewej stronie przedstawia zasadę propagacji fal radiowych przy użyciu standardowej anteny dookólnej. Zwiększając moc sygnału mogliśmy jedynie zmienić promień zasięgu bez możliwości istotnego wpływu na jakość wykorzystania kanału – KQI (Key Quality Indicators). Wskaźnik ten jest niezwykle ważny przy organizowaniu komunikacji w warunkach częstego przemieszczania się urządzenia abonenckiego w środowisku bezprzewodowym.
Rozwiązaniem problemu było zastosowanie dużej liczby małych anten, których obciążenie można regulować w czasie rzeczywistym, tworząc wzorce propagacji w zależności od położenia przestrzennego użytkownika.
W ten sposób można było zbliżyć się do zastosowania technologii MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Za jego pomocą punkt dostępowy w każdej chwili generuje strumienie promieniowania skierowane specjalnie w stronę urządzeń abonenckich.
Od fizyki po standardy 802.11
Wraz z ewolucją standardów Wi-Fi zmieniły się zasady pracy z warstwą fizyczną sieci. Zastosowanie innych mechanizmów modulacji umożliwiło – począwszy od wersji 802.11g/n – zmieszczenie w jednym przedziale czasowym znacznie większej ilości informacji i dzięki temu pracę z większą liczbą użytkowników. Osiągnięto to między innymi poprzez wykorzystanie przepływów przestrzennych. Nowo odkryta elastyczność szerokości kanału umożliwiła wygenerowanie większej ilości zasobów dla MIMO.
Zatwierdzenie standardu Wi-Fi 7 zaplanowano na przyszły rok, co zmieni się wraz z jego pojawieniem się? Oprócz zwykłego zwiększenia prędkości i dodania pasma 6 GHz, możliwa będzie praca z szerokimi kanałami zagregowanymi, takimi jak 320 MHz. Jest to szczególnie interesujące w kontekście zastosowań przemysłowych.
Teoretyczna przepustowość Wi-Fi 6
Teoretyczny wzór na obliczenie nominalnej prędkości Wi-Fi 6 jest dość skomplikowany i zależy od wielu parametrów, zaczynając od liczby strumieni przestrzennych, a kończąc na informacji, którą możemy umieścić w podnośnej (lub podnośnych, jeśli jest ich kilka). je) na jednostkę czasu.
Jak widać wiele zależy od przepływów przestrzennych. Jednak wcześniej wzrost ich liczby w połączeniu z zastosowaniem kodowania STC (kodowanie przestrzenno-czasowe) i MRC (łączenie maksymalnego współczynnika) pogarszał wydajność rozwiązania bezprzewodowego jako całości.
Nowe kluczowe technologie warstwy fizycznej
Przejdźmy do kluczowych technologii warstwy fizycznej – i zacznijmy od pierwszej warstwy modelu sieci OSI.
Przypomnijmy, że OFDM wykorzystuje pewną liczbę podnośnych, które nie wpływając na siebie, są w stanie przesłać określoną ilość informacji.
W przykładzie wykorzystujemy pasmo 5,220 GHz, które zawiera 48 podkanałów. Agregując ten kanał, otrzymujemy większą liczbę podnośnych, z których każda wykorzystuje własny schemat modulacji.
Wi-Fi 5 wykorzystuje kwadraturową modulację amplitudy 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), która pozwala na utworzenie w jednym przedziale czasowym pola o wymiarach 16 x 16 punktów w obrębie częstotliwości nośnej, różniących się amplitudą i fazą. Niedogodnością jest to, że w danym momencie tylko jedna stacja może nadawać na częstotliwości nośnej.
Multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA) wywodzi się ze świata operatorów komórkowych, rozpowszechniło się równolegle z LTE i służy do organizacji łącza w dół (kanał komunikacji z abonentem). Umożliwia pracę z kanałem na poziomie tzw. jednostek zasobów. Jednostki te pomagają rozbić blok na określoną liczbę elementów. W ramach bloku w danym momencie nie możemy pracować wyłącznie z jednym elementem emitującym (użytkownikiem lub punktem dostępowym), ale łączyć dziesiątki elementów. Dzięki temu można osiągnąć niezwykłe rezultaty.
Łatwe łączenie kanałów w Wi-Fi 6
Channel Bonding w Wi-Fi 6 umożliwia uzyskanie połączonych kanałów o szerokości od 20 do 160 MHz. Co więcej, połączenie nie musi być realizowane w pobliskich zasięgach. Przykładowo jeden blok można pobrać z pasma 5,17 GHz, a drugi z pasma 5,135 GHz. Pozwala to na elastyczne budowanie środowiska radiowego nawet w obecności silnych czynników zakłócających lub w pobliżu innych stacji emitujących stale.
Od SIMO do MIMO
Metoda MIMO nie zawsze była z nami. Dawno, dawno temu łączność mobilna musiała ograniczać się do trybu SIMO, co wiązało się z obecnością na stacji abonenckiej kilku anten pracujących jednocześnie w celu odbioru informacji.
MU-MIMO przeznaczony jest do przesyłania informacji do użytkowników przy wykorzystaniu całego aktualnego zapasu anten. Usuwa to ograniczenia nałożone wcześniej przez protokół CSMA/CA, związane z wysyłaniem tokenów do urządzeń abonenckich w celu transmisji. Teraz użytkownicy łączą się w grupę i każdy członek grupy otrzymuje swoją część zasobów anteny punktu dostępowego, zamiast czekać na swoją kolej.
Tworzenie wiązki radiowej
Ważną zasadą działania MU-MIMO jest utrzymanie takiego trybu pracy układu antenowego, który nie prowadziłby do wzajemnego nakładania się fal radiowych i utraty informacji na skutek dodania faz.
Wymaga to skomplikowanych obliczeń matematycznych po stronie punktu dostępowego. Jeśli terminal obsługuje tę funkcję, MU-MIMO pozwala mu poinformować punkt dostępowy, ile czasu zajmuje odebranie sygnału na każdej konkretnej antenie. Punkt dostępowy z kolei dostosowuje swoje anteny, tworząc optymalnie skierowaną wiązkę.
Co nam to w ogóle daje?
Białe kółka z liczbami w tabeli wskazują aktualne scenariusze korzystania z Wi-Fi poprzednich generacji. Niebieskie kółka (patrz ilustracja powyżej) opisują możliwości Wi-Fi 6, a szare to kwestia najbliższej przyszłości.
Główne korzyści, jakie niosą ze sobą nowe rozwiązania obsługujące OFDMA, związane są z jednostkami zasobów zaimplementowanymi na poziomie zbliżonym do TDM (Time Division Multiplexing). Nigdy wcześniej nie miało to miejsca w przypadku Wi-Fi. Pozwala to na przejrzystą kontrolę przydzielonej przepustowości, zapewniając minimalny czas przejścia sygnału przez medium i wymagany poziom niezawodności. Na szczęście nikt nie wątpi, że wskaźniki niezawodności Wi-Fi wymagają poprawy.
Historia toczy się po spirali, a obecna sytuacja jest podobna do tej, która kiedyś rozwinęła się wokół Ethernetu. Już wtedy ugruntowała się opinia, że medium transmisyjne CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nie zapewnia gwarantowanej przepustowości. I tak było aż do przejścia na IEEE 802.3z.
Jeśli chodzi o ogólne modele zastosowań, jak widać, z każdą generacją Wi-Fi mnożą się scenariusze jego użycia, coraz bardziej wrażliwe na opóźnienia, ogólne i niezawodność.
I znowu o środowisku fizycznym
Cóż, teraz porozmawiajmy o tym, jak powstaje nowe środowisko fizyczne. W przypadku stosowania CSMA/CA i OFDM wzrost liczby aktywnych stacji STA doprowadził do poważnego spadku przepustowości kanału 20 MHz. Stało się tak za sprawą tego, co już zostało wspomniane: a nie najnowszych technologii STC (kodowanie czasoprzestrzenne) i MRC (łączenie maksymalnego współczynnika).
OFDMA, dzięki wykorzystaniu jednostek zasobów, może skutecznie współdziałać ze stacjami dalekosiężnymi i małej mocy. Otrzymujemy możliwość pracy w tym samym zakresie operatorów z użytkownikami zużywającymi różną ilość zasobów. Jeden użytkownik może zajmować jeden moduł, a drugi wszystkie pozostałe.
Dlaczego wcześniej nie było OFDMA?
I na koniec główne pytanie: dlaczego wcześniej nie było OFDMA? Co ciekawe, wszystko sprowadziło się do pieniędzy.
Przez długi czas panowało przekonanie, że cena modułu Wi-Fi powinna być minimalna. Kiedy protokół wprowadzono do użytku komercyjnego w 1997 r., zdecydowano, że koszt produkcji takiego modułu nie może przekroczyć 1 dolara. W rezultacie rozwój technologii poszedł nieoptymalną ścieżką. Nie bierzemy tu pod uwagę operatora LTE, gdzie OFDMA jest stosowana już od dłuższego czasu.
Ostatecznie grupa robocza ds. Wi-Fi zdecydowała się przenieść te osiągnięcia ze świata operatorów telekomunikacyjnych do świata sieci korporacyjnych. Głównym zadaniem było przejście na zastosowanie elementów wyższej jakości, takich jak filtry i oscylatory.
Dlaczego tak trudno było nam pracować w starym kodowaniu MRC z zakłóceniami lub bez? Ponieważ mechanizm kształtowania wiązki MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) radykalnie zwiększył liczbę błędów, gdy tylko próbowaliśmy połączyć dużą liczbę punktów nadawczych. OFDMA udowodniło, że problem można rozwiązać.
Walka z zakłóceniami opiera się obecnie na matematyce. Jeśli okno transmisji jest wystarczająco długie, powstające zakłócenia dynamiczne powodują problemy. Nowe algorytmy działania pozwalają ich uniknąć, eliminując wpływ nie tylko zakłóceń związanych z transmisją Wi-Fi, ale także wszelkich innych występujących w tym zakresie.
Dzięki adaptacyjnej przeciwzakłóceniom możemy osiągnąć wzmocnienie do 11 dB nawet w złożonych, heterogenicznych środowiskach. Zastosowanie własnych rozwiązań algorytmicznych Huawei pozwoliło na poważną optymalizację dokładnie tam, gdzie była ona potrzebna – w rozwiązaniach indoor. To, co dobre w 5G, niekoniecznie jest dobre w środowisku Wi-Fi 6. Podejścia Massive MIMO i MU-MIMO różnią się w przypadku rozwiązań wewnętrznych i zewnętrznych. Tam, gdzie jest to wymagane, warto zastosować drogie rozwiązania, jak w przypadku 5G. Potrzebne są jednak inne opcje, takie jak Wi-Fi 6, które mogą zapewnić opóźnienia i inne wskaźniki, których oczekujemy od operatorów.
Pożyczamy od nich narzędzia, które będą przydatne dla nas, konsumentów korporacyjnych, a wszystko po to, aby zapewnić fizyczne środowisko, na którym możemy polegać.
***
Przy okazji, nie zapomnij o naszych licznych seminariach internetowych na temat nowych produktów Huawei 2020, organizowanych nie tylko w segmencie rosyjskojęzycznym, ale także na poziomie globalnym. Lista webinarów na najbliższe tygodnie dostępna jest na stronie .
Źródło: www.habr.com