Olá.
Se acreditarmos na teoria da simplicidade de Einstein, que considera a capacidade de explicar um assunto da maneira mais simples como o principal indicador de compreensão, neste post tentarei explicar da forma mais simples e detalhada possível o funcionamento de apenas uma parte do novo padrão, que, por algum motivo, até mesmo a Wi-Fi Alliance considera irrelevante para mencionar na infografia sobre as novas funcionalidades do Wi-Fi 6, embora, como logo veremos juntos, seja muito importante e notável. Aqui não está tudo suficientemente profundo e definitivamente não é abrangente (porque é difícil comer um elefante, mesmo em pedaços), mas espero que todos nós possamos aprender algo novo e interessante com os meus exercícios verbais.
Aquele mesmo 802.11ax, que estamos esperando dia após dia há pelo menos dois anos, traz consigo uma série de novidades e surpresas. Todo aquele que deseja contar algo sobre isso sempre se vê diante de uma escolha: ou faz uma revisão abrangente mencionando um monte de siglas e abreviações, tentando não se perder nos complexos mecanismos por trás de cada uma delas, ou se aprofunda em uma apresentação de uma hora sobre algo que mais agrada ao autor. Vou me arriscar a ir ainda mais longe: a maior parte do meu texto não se dedicará nem mesmo ao novo!
Assim, já há mais de vinte anos uma parte das redes sem fio para transmissão de dados é baseada em um monte de padrões da família 802.11 e, como qualquer apresentador respeitável, eu deveria ter reconstruído um pouco a linha do tempo de toda a cadeia de eventos que deu ao mundo bilhões de dispositivos compatíveis entre si - mas, como autor que respeita seu leitor, arrisco-me a não fazer isso. No entanto, algumas coisas precisam ser relembradas.
Todas as iterações do Wi-Fi sempre priorizaram a confiabilidade, mas não a maximização da capacidade de transmissão. Isso se deve ao mecanismo de acesso ao meio (CSMA/CA), que não é o mais otimizado em termos de extração dos últimos kilobits por segundo do meio de transmissão (mais detalhes sobre as imperfeições do mundo em geral e do Wi-Fi em particular podem ser lidos no artigo do meu ex-colega ), mas incrivelmente resistente em praticamente qualquer condição. Na verdade, é possível quebrar praticamente todos os princípios de projeto de redes Wi-Fi — e mesmo assim, a troca de dados ainda acontece! Toda a mecânica que permite que os clientes da rede Wi-Fi transmitam e/ou recebam seus pacotes de dados é voltada para garantir o que em inglês se chama de robustness, uma palavra que é difícil de traduzir. Toda a camada que se sobrepõe às modulações, à agregação de quadros de dados (não exatamente assim, mas vamos lá!) continua funcionando mesmo após os dois princípios principais do 802.11, que asseguram essa confiabilidade inigualável:
- “Enquanto um fala — os outros permanecem em silêncio”;
- “Tudo, exceto dados, é dito lentamente e de forma clara”.
O segundo ponto causa um dano muito maior à capacidade da rede do que pode parecer à primeira vista. Aqui está uma imagem legal, ilustrando um pedaço de dado enviado em uma rede Wi-Fi:
Vamos entender o que isso significa para pessoas comuns, que não sabem quantas páginas estão no padrão 802.11-2016. A velocidade de transmissão de dados que o sistema escreve nas propriedades da rede sem fio e que os profissionais de marketing de qualquer fabricante desenham nas caixas de pontos de acesso (bem, você certamente já viu — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), não é apenas um pico e máxima com 100% do tempo de transmissão ocupado, mas também é a velocidade na qual apenas a parte azul deste gráfico bonito será enviada. Todo o resto será transmitido a uma velocidade que em inglês se chama management rate (e em russo também, porque traduzir essas expressões pode levar a mais confusões entre engenheiros), e que é inferior, não apenas em várias vezes, mas em CENTENAS de vezes. Por exemplo, sem configurações adicionais, uma rede 802.11ac, que pode operar com clientes a uma velocidade de canal de 1300 Mb/s, transmite todas as informações de controle (tudo que não é azul no nosso gráfico cada vez mais assustador) a uma rate de gerenciamento de 6 Mb/s. Mais de duzentas vezes mais lento!
Uma pergunta lógica — como, desculpe, numeração de que mês essa ideia prejudicial pôde realmente entrar no padrão que bilhões de dispositivos usam ao redor do mundo? A resposta lógica — compatibilidade, compatibilidade, compatibilidade! A rede na nova ponto de acesso deve garantir o funcionamento de dispositivos com dez e até quinze anos, e é em todos esses pedaços 'não azuis' que a informação transita, que os lentos dispositivos antigos receberão, compreenderão corretamente e não tentarão, durante os fragmentos de dados de alta velocidade, transmitir os seus. A robustez exige sacrifícios!
Agora estou pronto para fornecer a cada interessado uma ferramenta imprescindível para se horripilar com os megabits potencialmente transmitidos que se perdem sem propósito no Wi-Fi moderno — é o calculator que já se tornou obrigatório para estudo em círculos de engenharia. O Calculador de Tempo de Ar do Wi-Fi de autoria do entusiasta norueguês do 802.11 Gjermund Raaen. Ele está disponível em — o resultado do seu trabalho se parece mais ou menos assim:
Linha 1 — o tempo gasto para transmitir um pacote de dados de 1512 bytes por um dispositivo 802.11n na largura de canal de 20 MHz.
Linha 2 — o tempo gasto para transmitir o mesmo pacote por um dispositivo com a mesma fórmula de antena, mas operando já pelo padrão 802.11ac em um canal de 80 MHz.
Como é isso — 'estragado' quatro vezes mais espectro, a modulação máxima complicou-se de 64QAM para 256QAM, a velocidade do canal é maior em SEIS vezes (433 Mb/s em vez de 72 Mb/s), e se ganhou no máximo 25% do tempo de ocupação do espectro?
Compatibilidade e dois princípios do 802.11, lembra?
Bem, como podemos corrigir tal injustiça e desperdício — nos perguntaremos, como provavelmente cada grupo de trabalho da IEEE se perguntou ao iniciar a criação do padrão? Vêm à mente alguns caminhos lógicos:
- Acelerar a transmissão de dados na parte 'verde' do gráfico. Isso é feito a cada nova versão de padrão, porque grandes números ficam bonitos nas caixas. Na prática, como acabamos de notar, dá um ganho final — mesmo que aceleremos a velocidade do canal para cem mil milhões de gigabits por nanossegundo, todas as outras partes do gráfico não desaparecerão. É por isso que recomendo que, em todas as narrativas sobre novos padrões do 802.11, omitamos parágrafos onde se mencionam megabits por segundo.
- Acelerar todas as outras partes do gráfico. De fato, se conseguirmos pelo menos dobrar a velocidade com que tudo 'não-verde' é transmitido (bem, ou 'não-azul', se você ainda estiver olhando para a imagem anterior), teremos um aumento de quase 50% na capacidade real de transmissão - embora isso venha com a perda de compatibilidade com dispositivos e outras nuances que você conhecerá quando se preparar para o exame para o orgulhoso título de CWNA 🙂 Spoiler: nem sempre será possível, e é preciso pensar bem sobre as consequências. Na verdade, isso viola um dos dois princípios do 802.11, então é preciso ter muito cuidado!
- Juntar vários desses quadros com partes verdes juntos. Quanto maior a parte verde, mais eficaz é o aumento da velocidade do canal. Sim, esta é uma estratégia viável, que surgiu com o 802.11n e é uma das várias pedras angulares de sua revolucionariedade. O problema é que, em primeiro lugar, muitos aplicativos não se importam com essa agregação (como o famigerado Voice over Wi-Fi), e, em segundo lugar, muitos dispositivos também não se importam com ela (tentei capturar pelo menos alguns desses quadros agregados em uma rede real da empresa onde trabalho, mas de >500k de 'capturas', o número de quadros agregados foi exatamente zero. Provavelmente, o problema está na minha metodologia de coleta de dados, mas estou disposto a discutir isso com qualquer um interessado em uma conversa particular!).
- Violar o primeiro dos dois princípios do 802.11, começando a falar quando alguém ainda está falando. E é aqui que o 802.11ax realmente entra em cena.
Que legal, finalmente cheguei à parte sobre o Wi-Fi 6 na minha narrativa! Se você ainda está lendo isso, é porque você deve fazer isso por algum motivo, ou realmente está interessado. Assim, embora o 802.11ax herde uma grande parte das conquistas anteriores de toda a família 802.11 (e não só - algumas coisas legais vieram do 802.16, também conhecido como WiMAX), ainda há algo nele que é novo e original. Normalmente, essas palavras são acompanhadas de uma imagem como esta, disponível no site da Wi-Fi Alliance:
Como mencionei desde o início, conseguiremos abordar apenas um dos pontos-chave em um artigo legível, ou melhor, nenhum dos mencionados na imagem (surpresa!). Tenho certeza de que você já leu milhões de descrições breves de cada um desses oito elementos-chave; entretanto, continuarei minha longa e tediosa explicação sobre o que decorre do OFDMA — sobre o controle de acesso múltiplo ao meio (MU-access control), que, como podemos ver, não apareceu na infografia. E isso é um grande erro!
O acesso múltiplo é o que torna a divisão do canal em subportadoras significativo. Para que tentar analisar diferentes pedaços do espectro se não houver um mecanismo capaz de fazer com que os clientes da nova rede Wi-Fi 6 quebrem uma das regras que eram inalteradas até então e comecem a se comunicar simultaneamente? E, claro, tal mecanismo precisava surgir — e reduzir a influência do problema da "longo" em relação aos dados do controle. Como? Muito simples: a parte "lenta", a informação de controle, será enviada da mesma forma que antes, enquanto a parte "rápida", que transporta os dados em si, será transmitida simultaneamente de vários (ou a partir de múltiplos) dispositivos sob comando! Isso se parece mais ou menos assim:
Parece complicado, mas sua essência é fácil de explicar: o ponto de acesso, por meio de um quadro especial, compreensível para todos (mesmo dispositivos que não são Wi-Fi 6!), informa que está pronto para transmitir dados simultaneamente para a STA1 e a STA2. Como o "cabeçalho" desse quadro é totalmente compreensível até para clientes muito antigos, eles fazem a conclusão correta de que o meio estará ocupado por um período específico transmitindo informações para outros clientes da rede, e começam a contar o tempo até o final desse intervalo (como sempre foi no Wi-Fi). E os dispositivos STA1 e STA2 entendem que os dados agora serão transmitidos de uma nova maneira, simultaneamente, cada um em sua parte do canal, e respondem ao ponto de acesso também ao mesmo tempo, e então confirmam a recepção do quadro de forma síncrona (cada um com sua porção de dados!), e o meio é liberado novamente. "De baixo para cima", isso funciona de maneira semelhante:
A principal e marcante diferença é que o ponto de acesso, neste caso, informa as estações que podem se comunicar simultaneamente quando iniciar a transmissão, usando um quadro especial chamado Trigger. Este, na verdade, é um novo 'gatilho' para todo o mecanismo de acesso múltiplo simultâneo ao meio, que é, na minha modesta opinião, uma das inovações mais importantes 'sob o capô' do novo padrão. É nele que os clientes recebem um 'cronograma' de como dividir um único canal de frequência; é nele que os clientes informam simultaneamente ao ponto de acesso que receberam suas porções de dados e conseguiram processá-las. O ponto de acesso notifica todos os que podem 'falar' ao mesmo tempo sobre o início da transmissão de dados — e também é nele que o ponto de acesso inicia o envio dos dados requeridos. O novo mecanismo Trigger frame, essencialmente, permite reduzir o uso irracional da ocupação do espectro — e isso tão eficazmente quanto mais clientes puderem utilizá-lo e percebê-lo corretamente!
Agora vamos formular os principais pontos que emergem de toda esta longa explicação e que merecem um resumo:
- Os pontos de acesso do novo padrão 802.11ax, mesmo com base em apenas uma das muitas novidades, começarão a aumentar a capacidade total da rede assim que um segundo dispositivo cliente compatível! Assim que houver pelo menos dois clientes capazes de se comunicar simultaneamente, sob outras condições iguais (não tenho motivos para acreditar que os drivers para módulos de rádio de clientes serão escritos melhor do que antes, e isso significa que a agregação das partes 'úteis' dos quadros, assim como muitas outras funções dependentes do cliente, continuarão a funcionar 'na média do zoológico') eles JÁ aumentarão a capacidade média de transmissão. Portanto, se você está pensando em uma nova rede Wi-Fi — vale a pena considerar imediatamente os pontos de acesso mais novos e melhores, porque mesmo que atualmente haja poucos clientes para eles — essa situação não deve durar muito tempo.
- Todos os truques e artifícios que hoje estão no arsenal de um bom engenheiro sem fio continuarão a ser relevantes por muito tempo — o mecanismo de acesso ao meio, embora tenha sido atualizado, quebrando princípios básicos que duraram mais de 20 anos, ainda mantém a compatibilidade como prioridade. É necessário ainda descartar as “taxas de gerenciamento” mais “lentas” (e ainda é necessário entender por que e quando), é preciso planejar corretamente o nível físico, pois nenhum mecanismo de nível de enlace funcionará se houver problemas no físico. Acabou de surgir a possibilidade de fazer ainda melhor.
- Quase todas as decisões no Wi-Fi 6 são tomadas pelo ponto de acesso. Como podemos ver, ele gerencia o acesso dos clientes ao meio, reunindo dispositivos em “períodos” de trabalho simultâneo. Indo um pouco mais além — o funcionamento do TWT também está totalmente nas mãos do ponto de acesso. Agora, o AP deve não apenas “transmitir a rede” e armazenar o tráfego em filas, mas também contabilizar todos os clientes, planejando como agrupá-los melhor com base em suas capacidades de largura de banda e necessidades de tráfego, suas baterias e muito mais — eu chamo esse processo de “orquestração”. Os algoritmos que o ponto de acesso usará para tomar todas essas decisões não são regulados, o que significa que a verdadeira qualidade e a abordagem estruturada dos fabricantes se manifestarão precisamente no desenvolvimento dos algoritmos de orquestração. Quanto mais precisamente os pontos previssem as necessidades dos clientes, melhor e mais uniformemente poderiam agrupá-los em grupos de múltiplo acesso — consequentemente, os recursos do espectro seriam utilizados de forma mais racional, e a largura de banda total desse ponto de acesso seria maior. O algoritmo é a última fronteira!
- A transição do Wi-Fi 5 para o Wi-Fi 6 é, em sua essência e importância, tão revolucionária quanto a mudança do 802.11g para o 802.11n. Naquela época, obtivemos múltiplos fluxos de dados e agregação de carga útil — agora conseguimos acesso simultâneo ao meio e finalmente MU-MIMO e Beamforming funcionando (em primeiro lugar, como sabemos, isso é quase a mesma coisa; em segundo lugar, a discussão sobre 'por que MU-MIMO foi criado no 802.11ac, mas não conseguimos fazê-lo funcionar' — é um tema para um grande artigo separado 🙂). Tanto o 802.11n quanto o Wi-Fi 6 operam em ambas as faixas (2,4 GHz e 5 GHz), ao contrário dos predecessores 'intermediários' — de fato, 'seis é o novo quatro'!
Um pouco sobre as origens deste artigo
O artigo foi escrito para um concurso realizado pela Huawei (publicado originalmente ). Em grande parte, baseei-me na minha própria apresentação na conferência 'Sem Fios', que ocorreu em 2019 em São Petersburgo (a gravação da apresentação pode ser assistida , apenas tenha em mente — o som lá, digamos assim, não é dos melhores, apesar da origem de São Petersburgo do vídeo!).
Fonte: habr.com
