🥇 O que nos aguarda no Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Recentemente, dispositivos que suportam a tecnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) chegaram ao mercado, sobre a qual se fala muito. Mas poucos sabem que já está em desenvolvimento uma nova geração de tecnologia Wi-Fi — o Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). O que o Wi-Fi 7 trará é o tema deste artigo.

Antecedentes

Em setembro de 2020, comemoraremos o 30º aniversário do projeto IEEE 802.11, que impactou significativamente 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: o Wi-Fi transmite mais da metade do tráfego de usuários. Enquanto as tecnologias de telefonia celular passam por rebranding a cada década, por exemplo, mudando de 4G para 5G, para os usuários de Wi-Fi, o aumento da velocidade de transmissão de dados, além da implementação de novos serviços e novas funcionalidades, acontece praticamente sem que se perceba. Poucos clientes se preocupam com as letras “n”, “ac” ou “ax” que seguem “802.11” nas caixas de equipamentos. Mas isso não significa que o Wi-Fi não está em evolução.

Uma das provas da evolução do Wi-Fi é o aumento acentuado das velocidades de transmissão de dados: de 2 Mbps na versão de 1997 a quase 10 Gbps no mais recente padrão 802.11ax, também conhecido como Wi-Fi 6. O Wi-Fi moderno alcança esse aumento de desempenho devido a construções de sinal e código mais rápidas, a canais mais largos e ao uso de tecnologias MIMO.

Além da direção principal de redes locais sem fio de alta velocidade, a evolução do Wi-Fi abrange vários projetos de nicho. Por exemplo, o Wi-Fi HaLow (802.11ah) tentou levar o Wi-Fi ao mercado da Internet das Coisas sem fio. O Wi-Fi de milímetros (802.11ad/ay) suporta velocidades de transmissão de dados de até 275 Gbps, embora em distâncias muito curtas.

Novos aplicativos e serviços relacionados a streams de vídeo de 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 um alto desempenho.

Objetivos do Wi-Fi 7

Em maio de 2019, o subgrupo BE (TGbe) do grupo de trabalho 802.11 do comitê de padronização de redes locais e metropolitanas começou a trabalhar em um novo complemento ao padrão Wi-Fi, que aumentará a capacidade nominal para mais de 40 Gbit/s em um canal de frequência 'típico' para Wi-Fi na faixa de <= 7 GHz. Embora muitos documentos mencionem 'capacidade máxima de pelo menos 30 Gbit/s', o novo protocolo da camada física garantirá uma velocidade nominal superior a 40 Gbit/s.

Outro importante direcionamento do desenvolvimento do Wi-Fi 7 é o suporte a aplicações em tempo real (jogos, realidade virtual e aumentada, controle de robôs). É notável que, embora o Wi-Fi trate de forma especial o tráfego de áudio e vídeo, por muito tempo se considerou que garantir níveis de atraso reduzidos (na ordem de milissegundos), também conhecido como Time-Sensitive Networking, em redes Wi-Fi era fundamentalmente impossível. Em novembro de 2017, nossa equipe do IPPI RAN e da HSE (não considere como propaganda) apresentou uma proposta pertinente ao grupo IEEE 802.11. A proposta despertou grande interesse, e em julho de 2018, um subgrupo especial foi criado para investigar mais a fundo essa questão. Como o suporte para aplicações em tempo real exige tanto altas velocidades de transmissão de dados quanto a ampliação das funcionalidades da camada de enlace, o grupo de trabalho 802.11 decidiu desenvolver métodos para apoiar aplicações em tempo real dentro do Wi-Fi 7.

Uma questão importante relacionada ao Wi-Fi 7 é sua coexistência com tecnologias de redes móveis (4G/5G), desenvolvidas pelo 3GPP e que operam nas mesmas faixas de frequência não licenciadas. Estamos falando sobre LTE-LAA/NR-U. Para estudar os problemas relacionados à coexistência entre Wi-Fi e redes móveis, o IEEE 802.11 lançou o Coexisting Standing Committee (Coex SC). Apesar de várias reuniões e até um seminário conjunto entre 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 essa atividade infrutífera é que tanto o IEEE 802 quanto o 3GPP não querem modificar suas próprias tecnologias para alinhá-las umas às outras. Assim, no momento, não está claro se as discussões no âmbito do Coex SC afetarão o padrão Wi-Fi 7..

O processo de desenvolvimento

Embora o processo de desenvolvimento do Wi-Fi 7 esteja em sua fase inicial, já foram propostas cerca de 500 funcionalidades novas para o futuro Wi-Fi 7, também conhecido como IEEE 802.11be. A maior parte das ideias está apenas sendo discutida no subgrupo be e as decisões ainda não foram tomadas. Outras ideias foram recentemente aprovadas. Abaixo, será claramente indicado quais propostas foram aprovadas e quais estão apenas em discussão.

Inicialmente, estava previsto que o desenvolvimento dos novos mecanismos principais seria concluído até março de 2021. A versão final do padrão é esperada para o início de 2024. Em janeiro de 2020, um sentimento de preocupação foi expresso no subgrupo 11be sobre se o desenvolvimento seguiria o cronograma dado o atual ritmo de trabalho. Para acelerar o processo de desenvolvimento do padrão, o subgrupo concordou em selecionar um pequeno conjunto de funcionalidades de alta prioridade que poderiam ser lançadas em 2021 (Release 1), deixando o restante para o Release 2. As funcionalidades de alta prioridade devem garantir um aumento significativo de desempenho e incluem suporte a 320 MHz, 4K-QAM, melhorias de OFDMA claras em relação ao Wi-Fi 6 e MU-MIMO com 16 fluxos.

Devido ao coronavírus, o grupo atualmente não se reúne presencialmente, mas realiza conferências por telefone regularmente. Assim, o desenvolvimento diminuiu um pouco, mas não parou.

Detalhes da tecnologia

Vamos considerar as principais inovações do Wi-Fi 7.

O novo protocolo de camada física é uma evolução do protocolo Wi-Fi 6 com um aumento dobrado na largura de banda para 320 MHz, duplicando o número de fluxos espaciais MU-MIMO, o que aumenta a capacidade nominal em 2×2 = 4 vezes. O Wi-Fi 7 também começa a usar modulação 4K-QAM, o que adiciona mais 20% à capacidade nominal. Assim, o Wi-Fi 7 oferecerá uma taxa de dados nominal de 2x2x1,2 = 4,8 vezes maior em comparação com o Wi-Fi 6: a capacidade nominal máxima do Wi-Fi 7 é de 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Além disso, haverá uma mudança revolucionária no protocolo de camada física relacionada à compatibilidade com futuras versões do Wi-Fi, mas permanecerá invisível para os usuários.
Mudança no método de acesso ao canal para suporte a aplicativos em tempo real será realizada com base na experiência da IEEE 802 TSN para redes com fio. As discussões contínuas no comitê de normalização estão relacionadas ao procedimento de atraso aleatório no acesso ao canal, às categorias de serviço de tráfego e, consequentemente, a filas separadas para tráfego em tempo real, bem como às políticas de tratamento de pacotes.
Introduzido no Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – método de acesso ao canal com divisão por tempo e frequência (semelhante ao que é usado nas redes 4G e 5G) – oferece novas oportunidades para a alocação ideal de recursos. No entanto, no 11ax, o OFDMA não é suficientemente flexível. Em primeiro lugar, ele permite que o ponto de acesso atribua a um dispositivo cliente apenas um bloco de recursos de tamanho previamente definido. Em segundo lugar, não suporta a transmissão direta entre estações clientes. Ambos os problemas reduzem a eficiência espectral. Além disso, a falta de flexibilidade herdada do OFDMA do Wi-Fi 6 prejudica o desempenho em redes densas e aumenta a latência, o que é crítico para aplicações em tempo real. O 11be resolverá esses problemas do OFDMA.
Uma das mudanças revolucionárias aprovadas do Wi-Fi 7 é o suporte integrado para o uso simultâneo de várias conexões paralelas em diferentes frequências, que é extremamente útil tanto para enormes velocidades de transmissão de dados quanto para latências extremamente baixas. Embora chipsets modernos já possam utilizar várias conexões simultaneamente, por exemplo, nas faixas de 2.4 e 5 GHz, essas conexões são independentes, o que limita a eficácia dessa operação. No 11be, será encontrado um nível de sincronização entre canais que permitirá o uso eficiente dos recursos do canal e resultará em mudanças significativas nas regras do protocolo de acesso ao canal.
O uso de canais muito largos e um grande número de fluxos espaciais leva ao problema de altas sobrecargas, relacionadas ao procedimento de avaliação do estado do canal, necessário para MIMO e OFDMA. Essas sobrecargas anulam todo o ganho obtido ao aumentar as velocidades nominais de transmissão de dados. Espera-se que o procedimento de avaliação do estado do canal seja revisado.
No contexto do Wi-Fi 7, o comitê de padronização discute o uso de alguns métodos de transmissão de dados "avançados". Na teoria, esses métodos aumentam a eficiência espectral em tentativas de retransmissão, bem como em transmissões simultâneas na mesma direção ou em direções opostas. Fala-se da solicitação híbrida de retransmissão automática (HARQ), utilizada atualmente em redes celulares, do modo full-duplex e do acesso múltiplo não ortogonal (NOMA). Esses métodos são bem estudados na literatura em termos teóricos, no entanto, ainda não está claro se o aumento de desempenho que eles proporcionam justificará os esforços necessários para sua implementação.
- Uso HARQ convoluta pela seguinte questão. No Wi-Fi, para reduzir a sobrecarga, os pacotes são colados. Nas versões atuais do Wi-Fi, a entrega de cada pacote dentro do grupo é confirmada e, se a confirmação não chegar, a transmissão do pacote é repetida por métodos do protocolo de acesso ao canal. O HARQ transfere as retransmissões do nível de enlace para o nível físico, onde não existem mais pacotes, mas palavras de código, e as fronteiras das palavras de código não coincidem com a fronteira dos pacotes. Essa dessincronização complica a implementação do HARQ no Wi-Fi.
- Quanto às Full-Duplex, atualmente, nem nas redes celulares nem nas redes Wi-Fi é possível transmitir dados para e a partir da mesma estação base (ponto de acesso) simultaneamente em um mesmo canal de frequência. Do ponto de vista técnico, isso está relacionado à grande diferença na potência do sinal transmitido e recebido. Embora existam protótipos que combinam a subtração do sinal transmitido ao sinal recebido, capazes de captar o sinal Wi-Fi durante sua transmissão, o ganho que eles podem oferecer na prática pode ser insignificante, pois a qualquer momento a taxa de download não é igual à taxa de upload (em média, "em uma visão geral", o download é significativamente maior). Nesse contexto, essa transmissão bidirecional complicará substancialmente o protocolo.
- Se para transmitir várias correntes usando MIMO é necessário ter várias antenas tanto para o transmissor quanto para o receptor, no caso do acesso não ortogonal, o ponto de acesso pode transmitir dados para dois receptores ao mesmo tempo com uma única antena. Diferentes variantes de acesso não ortogonal estão incluídas nas últimas especificações do 5G. Protótipo NOMA O Wi-Fi foi criado pela primeira vez em 2018 no IPPI RAN (novamente, não considere isso como publicidade). Ele demonstrou um ganho de desempenho de 30 a 40%. As vantagens da tecnologia desenvolvida são sua retrocompatibilidade: um dos dois receptores pode ser um dispositivo mais antigo que não suporta Wi-Fi 7. A questão da retrocompatibilidade é, de fato, muito importante, pois na rede Wi-Fi podem operar simultaneamente dispositivos de várias gerações. Atualmente, várias equipes ao redor do mundo estão analisando a eficácia do uso conjunto de NOMA e MU-MIMO, cujos resultados determinarão o futuro dessa abordagem. Também continuamos a trabalhar no protótipo: sua próxima versão será apresentada na conferência IEEE INFOCOM em julho de 2020.
Finalmente, outra importante inovação, mas com um destino incerto, é a operação coordenada de pontos de acesso. Embora muitos provedores tenham seus próprios controladores centralizados para redes Wi-Fi corporativas, as capacidades desses controladores, em geral, têm sido limitadas à configuração de parâmetros de longo prazo e à seleção de canais. O comitê de padronização discute uma colaboração mais estreita entre pontos de acesso vizinhos, que inclui planejamento coordenado de transmissões, beamforming e até sistemas MIMO distribuídos. Alguns dos abordagens em consideração utilizam supressão de interferência sucessiva (algo semelhante ao NOMA). Embora as abordagens para coordenação do 11be ainda não estejam completamente desenvolvidas, não há dúvida de que o padrão permitirá que pontos de acesso de diferentes fabricantes coordenem entre si a programação de transmissões para reduzir a interferência mútua. Quanto a outros métodos mais complexos (como o MU-MIMO distribuído), sua implementação no padrão será mais desafiadora, embora membros individuais do grupo estejam determinados a realizá-la na Release 2. Independentemente do resultado, o destino dos métodos de coordenação de pontos de acesso é incerto. Mesmo se incluídos no padrão, eles podem não chegar ao mercado. Situações semelhantes já ocorreram anteriormente em tentativas de regularizar transmissões Wi-Fi com soluções como HCCA (11e) e HCCA TXOP Negotiation (11be).

Em resumo, parece que a maioria das propostas relacionadas aos primeiros cinco grupos se tornará parte do Wi-Fi 7, enquanto as propostas relacionadas aos dois últimos grupos exigem pesquisas adicionais significativas para comprovar sua eficácia.