Recentemente, entraram no mercado dispositivos que suportam a tecnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), da qual muito se fala. Mas poucos sabem que o desenvolvimento de uma nova geração de tecnologia Wi-Fi já está em andamento - Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Descubra como será o Wi-Fi 7 neste artigo.
Pré-história
Em setembro de 2020, celebraremos o 30º aniversário do projeto IEEE 802.11, que impactou significativamente as nossas vidas. Atualmente, a tecnologia Wi-Fi, definida pela família de padrões IEEE 802.11, é a tecnologia sem fio mais popular usada para conexão à Internet, com o Wi-Fi transportando mais da metade do tráfego do usuário. Embora a tecnologia celular se reformule a cada década, como a substituição do nome 4G por 5G, para os utilizadores de Wi-Fi, as melhorias nas velocidades de dados, bem como a introdução de novos serviços e novas funcionalidades, ocorrem quase despercebidas. Poucos clientes se preocupam com as letras “n”, “ac” ou “ax” que seguem “802.11” nas caixas dos equipamentos. Mas isso não significa que o Wi-Fi não esteja evoluindo.
Uma prova da evolução do Wi-Fi é o aumento dramático nas velocidades nominais de dados: de 2 Mbps na versão de 1997 para quase 10 Gbps no mais recente padrão 802.11ax, também conhecido como Wi-Fi 6. O Wi-Fi moderno atinge tal ganhos de desempenho devido a designs de sinal e código mais rápidos, canais mais amplos e uso de tecnologia .
Além da generalização das redes locais sem fio de alta velocidade, a evolução do Wi-Fi inclui vários projetos de nicho. Por exemplo, o Wi-Fi HaLow (802.11ah) foi uma tentativa de trazer o Wi-Fi para o mercado de Internet das Coisas sem fio. O Wi-Fi de ondas milimétricas (802.11ad/ay) suporta taxas de dados nominais de até 275 Gbps, embora em distâncias muito curtas.
Novas aplicações e serviços relacionados a streaming de vídeo em alta definição, realidade virtual e aumentada, jogos, escritório remoto e computação em nuvem, bem como a necessidade de suportar um grande número de usuários com tráfego intenso em redes sem fio, exigem alto desempenho.
Wi-Fi 7 objetivos
Em maio de 2019, o subgrupo BE (TGbe) do Grupo de Trabalho 802.11 do Comitê de Padrões de Redes Locais e Metropolitanas começou a trabalhar em uma nova adição ao padrão Wi-Fi que aumentará taxa de transferência nominal de até mais de 40 Gbit/s em um canal de frequência da faixa Wi-Fi “típica” <= 7 GHz. Embora muitos documentos listem “taxa de transferência máxima de pelo menos 30 Gbps”, o novo protocolo da camada física fornecerá velocidades nominais superiores a 40 Gbps.
Outra importante direção de desenvolvimento do Wi-Fi 7 é suporte para aplicativos em tempo real (jogos, realidade virtual e aumentada, controle de robôs). Vale ressaltar que, embora o Wi-Fi lide com o tráfego de áudio e vídeo de uma maneira especial, há muito se acredita que fornecer baixa latência garantida em nível padrão (milissegundos), também conhecida como Rede Sensível ao Tempo, em redes Wi-Fi é fundamentalmente impossível. Em novembro de 2017, nossa equipe do IITP RAS e da Escola Superior de Economia da National Research University (não considere PR) fez uma proposta correspondente no grupo IEEE 802.11. A proposta gerou muito interesse e um subgrupo especial foi lançado em julho de 2018 para estudar mais a questão. Como o suporte a aplicações em tempo real requer altas taxas de dados nominais e funcionalidade aprimorada da camada de link, o Grupo de Trabalho 802.11 decidiu desenvolver métodos para suportar aplicações em tempo real no Wi-Fi 7.
Uma questão importante do Wi-Fi 7 é a sua coexistência com tecnologias de rede celular (4G/5G) desenvolvidas pela 3GPP e operando nas mesmas faixas de frequência não licenciadas. Estamos falando de LTE-LAA/NR-U. Para estudar os problemas associados à coexistência de redes Wi-Fi e celulares, o IEEE 802.11 lançou o Comitê Permanente Coexistente (Coex SC). Apesar das inúmeras reuniões e até de um workshop conjunto de participantes do 3GPP e do IEEE 802.11 em julho de 2019 em Viena, as soluções técnicas ainda não foram aprovadas. Uma possível explicação para esta futilidade é que tanto o IEEE 802 como o 3GPP estão relutantes em mudar as suas próprias tecnologias para se adaptarem um ao outro. Por isso, Atualmente não está claro se as discussões do Coex SC impactarão o padrão Wi-Fi 7.
Processo de desenvolvimento
Embora o processo de desenvolvimento do Wi-Fi 7 esteja em seus estágios iniciais, houve quase 500 propostas de novas funcionalidades para o próximo Wi-Fi 7, também conhecido como IEEE 802.11be, até o momento. A maioria das ideias está apenas sendo discutida no subgrupo be e ainda não foi tomada uma decisão sobre elas. Outras ideias foram aprovadas recentemente. Abaixo estarão claramente indicados quais propostas estão aprovadas e quais estão apenas em discussão.
Foi inicialmente previsto que o desenvolvimento dos principais novos mecanismos estaria concluído até março de 2021. A versão final da norma está prevista para o início de 2024. Em Janeiro de 2020, 11be levantou preocupações sobre se o desenvolvimento continuaria dentro do previsto, no actual ritmo de trabalho. Para acelerar o processo de desenvolvimento do padrão, o subgrupo concordou em selecionar um pequeno conjunto de recursos de alta prioridade que poderiam ser lançados até 2021 (versão 1) e deixar o restante na versão 2. Os recursos de alta prioridade devem fornecer os principais ganhos de desempenho e incluem suporte para 320 MHz, 4K-QAM, melhorias óbvias para OFDMA de Wi-Fi 6, MU-MIMO com 16 fluxos.
Devido ao coronavírus, o grupo atualmente não se reúne pessoalmente, mas realiza teleconferências regularmente. Assim, o desenvolvimento desacelerou um pouco, mas não parou.
Detalhes de tecnologia
Vejamos as principais inovações do Wi-Fi 7.
- O novo protocolo da camada física é um desenvolvimento do protocolo Wi-Fi 6 com um aumento duplo largura de banda de até 320 MHz, o dobro do número de fluxos MU-MIMO espaciais, o que aumenta o rendimento nominal em 2×2 = 4 vezes. Wi-Fi 7 também passa a usar modulação 4K-QAM, o que adiciona outros 20% ao rendimento nominal. Portanto, o Wi-Fi 7 fornecerá 2x2x1,2 = 4,8 vezes a taxa de dados nominal do Wi-Fi 6: a taxa de transferência nominal máxima do Wi-Fi 7 é 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbit/s. Além disso, haverá uma mudança revolucionária no protocolo da camada física para garantir a compatibilidade com futuras versões do Wi-Fi, mas permanecerá invisível para os usuários.
- Alterando o método de acesso ao canal para suporte a aplicativos em tempo real será realizado levando em consideração a experiência do IEEE 802 TSN para redes cabeadas. As discussões em andamento no comitê de padrões estão relacionadas ao procedimento de espera aleatória para acesso ao canal, categorias de serviço de tráfego e, portanto, filas separadas para tráfego em tempo real, e políticas de serviço de pacotes.
- Introduzido no Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – método de acesso ao canal por divisão de tempo e frequência (semelhante ao utilizado nas redes 4G e 5G) – proporciona novas oportunidades para uma alocação ideal de recursos. No entanto, no 11ax, o OFDMA não é suficientemente flexível. Primeiro, permite que o ponto de acesso aloque apenas um bloco de recursos de tamanho predeterminado para o dispositivo cliente. Em segundo lugar, não suporta transmissão direta entre estações clientes. Ambas as desvantagens reduzem a eficiência espectral. Além disso, a falta de flexibilidade do Wi-Fi 6 OFDMA legado degrada o desempenho em redes densas e aumenta a latência, o que é crítico para aplicações em tempo real. 11be resolverá esses problemas do OFDMA.
- Uma das mudanças revolucionárias confirmadas do Wi-Fi 7 é o suporte nativo uso simultâneo de várias conexões paralelas em diferentes frequências, o que é muito útil tanto para grandes taxas de dados quanto para latências extremamente baixas. Embora os chipsets modernos já possam utilizar múltiplas conexões simultaneamente, por exemplo, nas bandas de 2.4 e 5 GHz, essas conexões são independentes, o que limita a eficácia de tal operação. No 11be, será encontrado um nível de sincronização entre canais que permitirá o uso eficiente dos recursos do canal e implicará mudanças significativas nas regras do protocolo de acesso ao canal.
- O uso de canais muito amplos e um grande número de fluxos espaciais leva ao problema de alto overhead associado ao procedimento de estimativa do estado do canal necessário para MIMO e OFDMA. Essa sobrecarga anula quaisquer ganhos decorrentes do aumento das taxas nominais de dados. Esperava que o procedimento de avaliação das condições do canal será revisado.
- No contexto do Wi-Fi 7, o comitê de padrões está discutindo o uso de alguns métodos “avançados” de transferência de dados. Em teoria, esses métodos melhoram a eficiência espectral no caso de tentativas repetidas de transmissão, bem como de transmissões simultâneas na mesma direção ou em direções opostas. Estamos falando de solicitação de repetição automática híbrida (HARQ), atualmente utilizada em redes celulares, modo full-duplex e acesso múltiplo não ortogonal (NOMA). Essas técnicas foram bem estudadas na literatura em teoria, mas ainda não está claro se os ganhos de produtividade que proporcionam valerão o esforço para implementá-las.
- Usar HARQ complicado pelo seguinte problema. No Wi-Fi, os pacotes são colados para reduzir a sobrecarga. Nas versões atuais do Wi-Fi, a entrega de cada pacote dentro do colado é confirmada e, caso a confirmação não venha, a transmissão do pacote é repetida utilizando métodos de protocolo de acesso ao canal. O HARQ move novas tentativas do enlace de dados para a camada física, onde não há mais pacotes, mas apenas palavras-código, e os limites das palavras-código não coincidem com os limites dos pacotes. Esta dessincronização complica a implementação do HARQ em Wi-Fi.
- Quanto a Full-Duplex, então atualmente nem nas redes celulares nem nas redes Wi-Fi é possível transmitir dados simultaneamente no mesmo canal de frequência de e para o ponto de acesso (estação base). Do ponto de vista técnico, isso se deve à grande diferença na potência do sinal transmitido e recebido. Embora existam protótipos que combinam subtração digital e analógica do sinal transmitido do sinal recebido, capazes de receber um sinal Wi-Fi durante sua transmissão, o ganho que eles podem proporcionar na prática pode ser insignificante devido ao fato de que a qualquer momento o a jusante não é igual à ascendente (em média “no hospital” a descendente é significativamente maior). Além disso, essa transmissão bidirecional complicará significativamente o protocolo.
- Embora a transmissão de vários fluxos usando MIMO exija múltiplas antenas para o remetente e o destinatário, com acesso não ortogonal o ponto de acesso pode transmitir dados simultaneamente para dois destinatários a partir de uma única antena. Várias opções de acesso não ortogonais estão incluídas nas especificações 5G mais recentes. Protótipo NOMA O Wi-Fi foi criado pela primeira vez em 2018 no IITP RAS (novamente, não considere isso PR). Ele demonstrou um aumento de desempenho de 30-40%. A vantagem da tecnologia desenvolvida é a retrocompatibilidade: um dos dois destinatários pode ser um dispositivo desatualizado que não suporta Wi-Fi 7. Em geral, o problema da retrocompatibilidade é muito importante, pois dispositivos de diferentes gerações podem operar simultaneamente em uma rede Wi-Fi. Atualmente, diversas equipes ao redor do mundo estão analisando a eficácia do uso combinado de NOMA e MU-MIMO, cujos resultados determinarão o destino futuro da abordagem. Também continuamos a trabalhar no protótipo: a sua próxima versão será apresentada na conferência IEEE INFOCOM em julho de 2020.
- Por fim, outra inovação importante, mas com destino incerto, é operação coordenada de pontos de acesso. Embora muitos fornecedores tenham seus próprios controladores centralizados para redes Wi-Fi empresariais, os recursos de tais controladores geralmente têm sido limitados à configuração de parâmetros de longo prazo e à seleção de canais. O comitê de padrões está discutindo uma cooperação mais estreita entre pontos de acesso vizinhos, que inclui programação de transmissão coordenada, formação de feixe e até sistemas MIMO distribuídos. Algumas das abordagens consideradas usam cancelamento de interferência sequencial (quase o mesmo que no NOMA). Embora as abordagens para a coordenação 11be ainda não tenham sido desenvolvidas, não há dúvida de que o padrão permitirá que pontos de acesso de diferentes fabricantes coordenem programações de transmissão entre si para reduzir a interferência mútua. Outras abordagens mais complexas (como MU-MIMO distribuído) serão mais difíceis de implementar no padrão, embora alguns membros do grupo estejam determinados a fazê-lo na Versão 2. Independentemente do resultado, o destino dos métodos de coordenação de pontos de acesso não está claro. Mesmo que incluídos na norma, podem não chegar ao mercado. Algo semelhante já aconteceu antes ao tentar ordenar as transmissões Wi-Fi usando soluções como HCCA (11e) e HCCA TXOP Negotiation (11be).
Em resumo, parece que a maioria das propostas associadas aos primeiros cinco grupos passarão a fazer parte do Wi-Fi 7, enquanto as propostas associadas aos dois últimos grupos requerem investigação adicional significativa para provar a sua eficácia.
Mais detalhes técnicos
Detalhes técnicos sobre o Wi-Fi 7 podem ser lidos (em inglês)
Fonte: habr.com