Em seus desenvolvimentos, a Huawei conta com o Wi-Fi 6. E dúvidas de colegas e clientes sobre a nova geração do padrão nos levaram a escrever um post sobre os fundamentos teóricos e princípios físicos nele incorporados. Vamos passar da história para a física e examinar detalhadamente por que as tecnologias OFDMA e MU-MIMO são necessárias. Falemos também sobre como um meio físico de transmissão de dados fundamentalmente redesenhado permitiu alcançar a capacidade garantida do canal e uma redução tal no nível geral de atrasos que se tornaram comparáveis aos de uma operadora. E isso apesar do fato de que as redes modernas baseadas em 5G são mais caras (em média 20 a 30 vezes) do que as redes Wi-Fi 6 internas com capacidades semelhantes.
Para a Huawei, o tema não é de forma alguma ocioso: as soluções que suportam Wi-Fi 6 estão entre os nossos produtos mais inovadores em 2020, nos quais foram investidos enormes recursos. Aqui está apenas um exemplo: pesquisas no campo da ciência dos materiais nos permitiram selecionar uma liga, cujo uso em elementos de rádio de um ponto de acesso aumentou a relação sinal-ruído em 2-3 dB: tiro o chapéu para Doron Ezri por esta conquista.
Um pouco de história
Faz sentido contar a história do Wi-Fi desde 1971, quando na Universidade do Havaí, o professor Norman Abramson e um grupo de colegas desenvolveram, construíram e lançaram a rede de dados por pacotes sem fio ALOHAnet.
Em 1980, foi aprovado um grupo de padrões e protocolos IEEE 802, que descreve a organização das duas camadas inferiores do modelo de rede OSI de sete camadas. Tivemos que esperar 802.11 longos anos antes do lançamento da primeira versão do 17.
Com a adopção da norma 1997 em 802.11, dois anos antes do nascimento da Wi-Fi Alliance, a primeira geração da tecnologia de dados sem fios mais popular da actualidade entrou em todo o mundo.
Padrão IEEE 802. Gerações Wi-Fi
O primeiro padrão a ser verdadeiramente amplamente suportado pelos fabricantes de equipamentos foi o 802.11b. Como podem ver, a frequência das inovações tem sido bastante estável desde o final do século XX: as mudanças qualitativas levam tempo. Nos últimos anos, muito trabalho foi feito para melhorar o meio físico de transmissão do sinal. Para entender melhor os problemas modernos do Wi-Fi, voltemos aos seus fundamentos físicos.
Vamos lembrar o básico!
As ondas de rádio são um caso especial de ondas eletromagnéticas – propagando-se a partir de uma fonte de perturbações de campo elétrico e magnético. Eles são caracterizados por três parâmetros principais: o vetor de onda, bem como os vetores de intensidade do campo elétrico e magnético. Todos os três são mutuamente perpendiculares entre si. Nesse caso, a frequência de uma onda costuma ser chamada de número de oscilações repetidas que cabem em uma unidade de tempo.
Todos estes são fatos bem conhecidos. Porém, para chegar ao fim, somos obrigados a começar desde o início.
Na escala convencional de faixas de frequência de radiação eletromagnética, a faixa de rádio ocupa a parte mais baixa (baixa frequência). Inclui ondas eletromagnéticas com frequência de oscilação de 3 Hz a 3000 GHz. Todas as outras bandas, incluindo a luz visível, têm uma frequência muito mais elevada.
Quanto mais alta a frequência, mais energia pode ser transmitida à onda de rádio, mas ao mesmo tempo ela contorna menos os obstáculos e atenua mais rapidamente. O oposto também é verdade. Levando em consideração essas características, foram selecionadas duas faixas de frequência principais para operação do Wi-Fi – 2,4 GHz (faixa de frequência de 2,4000 a 2,4835 GHz) e 5 GHz (faixas de frequência 5,170-5,330, 5,490-5,730 e 5,735-5,835 GHz).
As ondas de rádio se propagam em todas as direções e, para evitar que as mensagens se influenciem devido ao efeito de interferência, a banda de frequência é geralmente dividida em seções estreitas separadas - canais com um ou outro . O diagrama acima mostra que os canais adjacentes 1 e 2 com largura de banda de 20 MHz interferirão entre si, mas 1 e 6 não.
O sinal dentro do canal é transmitido por meio de ondas de rádio em uma determinada frequência portadora. Para transmitir informações, os parâmetros da onda podem ser por frequência, amplitude ou fase.
Separação de canais em faixas de frequência Wi-Fi
A faixa de frequência de 2,4 GHz é dividida em 14 canais parcialmente sobrepostos com largura ideal de 20 MHz. Antigamente, acreditava-se que isso era suficiente para organizar uma rede sem fio complexa. Logo ficou claro que a capacidade da faixa estava se esgotando rapidamente, então foi adicionada a ela a faixa de 5 GHz, cuja capacidade espectral é muito maior. Nele, além dos canais de 20 MHz, é possível alocar canais com largura de 40 e 80 MHz.
Para melhorar ainda mais a eficiência do uso do espectro de radiofrequência, a tecnologia de multiplexação por divisão de frequência ortogonal é agora amplamente utilizada ().
Trata-se de utilizar, juntamente com a frequência da portadora, várias frequências de subportadoras no mesmo canal, o que permite realizar a transmissão paralela de dados. OFDM permite distribuir o tráfego de uma forma “granular” bastante conveniente, mas devido à sua idade venerável, mantém uma série de desvantagens significativas. Entre eles estão os princípios de trabalho utilizando o protocolo de rede CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), segundo o qual apenas um usuário pode trabalhar em uma operadora e subportadora em determinados momentos.
Fluxos espaciais
Uma forma importante de aumentar o rendimento da rede sem fio é através do uso de fluxos espaciais.
O ponto de acesso transporta vários módulos de rádio (um, dois ou mais), que estão conectados a um determinado número de antenas. Essas antenas irradiam de acordo com um determinado padrão e modulação, e você e eu recebemos informações transmitidas por um meio sem fio. O fluxo espacial pode ser formado entre uma antena física específica (módulo de rádio) do ponto de acesso e o dispositivo do usuário. Graças a isso, o volume total de informações transmitidas do ponto de acesso aumenta em um múltiplo do número de fluxos (antenas).
De acordo com os padrões atuais, até quatro fluxos espaciais podem ser implementados na banda de 2,4 GHz e até oito na banda de 5 GHz.
Anteriormente, ao trabalhar nas bandas de 2,4 e 5 GHz, focamos apenas na quantidade de módulos de rádio. A presença de um segundo módulo de rádio proporcionou flexibilidade adicional, pois permitiu que dispositivos de assinantes antigos operassem na frequência de 2,4 GHz e novos na frequência de 5 GHz. Com o advento do terceiro módulo de rádio e dos subsequentes, surgiram alguns problemas. Os elementos radiantes tendem a interferir entre si, o que aumenta o custo do dispositivo devido à necessidade de melhor projeto e dotação do ponto de acesso com filtros de compensação. Assim, só recentemente se tornou possível suportar simultaneamente 16 fluxos espaciais por ponto de acesso.
Velocidade prática e teórica
Devido aos mecanismos operacionais OFDM, não foi possível obter o rendimento máximo da rede. Os cálculos teóricos para a implementação prática do OFDM foram realizados há muito tempo e apenas em relação a ambientes ideais, onde eram previsivelmente esperadas uma relação sinal-ruído (SNR) e uma taxa de erro de bit (BER) bastante altas. Nas condições modernas de forte ruído em todos os espectros de radiofrequência que nos interessam, o rendimento das redes baseadas em OFDM é deprimentemente baixo. E o protocolo continuou a apresentar essas deficiências até recentemente, até que a tecnologia OFDMA (acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal) veio em seu socorro. Sobre ela - um pouco mais adiante.
Vamos falar sobre antenas
Como você sabe, cada antena tem um ganho, dependendo do valor do qual se forma um padrão espacial de propagação do sinal (beamforming) com uma determinada área de cobertura (não levamos em consideração a re-reflexão do sinal, etc.). É exatamente nisso que os designers sempre basearam seu raciocínio sobre onde exatamente os pontos de acesso deveriam ser colocados. Por muito tempo, o formato do padrão permaneceu inalterado e apenas aumentou ou diminuiu proporcionalmente às características da antena.
Os elementos modernos das antenas estão se tornando cada vez mais controláveis e permitem mudanças dinâmicas no padrão espacial de propagação do sinal em tempo real.
A figura à esquerda acima mostra o princípio da propagação de ondas de rádio usando uma antena omnidirecional padrão. Ao aumentar a potência do sinal, só poderíamos alterar o raio de cobertura sem a capacidade de influenciar significativamente a qualidade de utilização do canal - KQI (Key Quality Indicators). E este indicador é extremamente importante ao organizar as comunicações em condições de movimentação frequente do dispositivo do assinante em um ambiente sem fio.
A solução para o problema foi a utilização de um grande número de pequenas antenas, cuja carga pode ser ajustada em tempo real, formando padrões de propagação dependendo da posição espacial do usuário.
Assim, foi possível aproximar-se da utilização da tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Com sua ajuda, o ponto de acesso gera fluxos de radiação a qualquer momento direcionados especificamente aos dispositivos do assinante.
Da física aos padrões 802.11
À medida que os padrões Wi-Fi evoluíram, os princípios de trabalho com a camada física da rede mudaram. A utilização de outros mecanismos de modulação tornou possível - a partir das versões 802.11g/n - encaixar uma quantidade muito maior de informações em um intervalo de tempo e, consequentemente, trabalhar com um maior número de usuários. Entre outras coisas, isto foi conseguido através do uso de fluxos espaciais. E a nova flexibilidade na largura do canal tornou possível gerar mais recursos para MIMO.
A aprovação do padrão Wi-Fi 7 está prevista para o próximo ano. O que vai mudar com a sua chegada? Além do habitual aumento de velocidade e da adição da faixa de 6 GHz, será possível trabalhar com canais agregados amplos, como 320 MHz. Isto é especialmente interessante no contexto de aplicações industriais.
Taxa de transferência teórica do Wi-Fi 6
A fórmula teórica para calcular a velocidade nominal do Wi-Fi 6 é bastante complexa e depende de muitos parâmetros, começando pelo número de fluxos espaciais e terminando com a informação que podemos colocar numa subportadora (ou subportadoras, se houver várias delas). eles) por unidade de tempo.
Como você pode ver, depende muito dos fluxos espaciais. Mas antes, um aumento no seu número em combinação com o uso de STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining) piorou o desempenho da solução sem fio como um todo.
Novas tecnologias importantes da camada física
Vamos passar para as principais tecnologias da camada física - e começar com a primeira camada do modelo de rede OSI.
Lembremos que o OFDM utiliza um certo número de subportadoras, que, sem se afetarem, são capazes de transmitir uma certa quantidade de informação.
No exemplo, utilizamos a banda de 5,220 GHz, que contém 48 subcanais. Ao agregar este canal, obtemos um número maior de subportadoras, cada uma delas utilizando seu próprio esquema de modulação.
O Wi-Fi 5 usa modulação de amplitude em quadratura 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que permite formar um campo de 16 x 16 pontos dentro da frequência da portadora em um intervalo de tempo, diferindo em amplitude e fase. O inconveniente é que a qualquer momento apenas uma estação pode transmitir na frequência portadora.
A multiplexação por divisão ortogonal de frequência (OFDMA) veio do mundo das operadoras móveis, se difundiu simultaneamente com o LTE e é usada para organizar um downlink (canal de comunicação com o assinante). Permite trabalhar com o canal no nível das chamadas unidades de recursos. Essas unidades ajudam a dividir um bloco em um número específico de componentes. Dentro de um bloco, a cada momento não podemos trabalhar estritamente com um elemento emissor (usuário ou ponto de acesso), mas combinar dezenas de elementos. Isso permite que você alcance resultados notáveis.
Fácil conexão de canais em Wi-Fi 6
Channel Bonding em Wi-Fi 6 permite obter canais combinados com largura de 20 a 160 MHz. Além disso, a conexão não precisa ser feita em faixas próximas. Por exemplo, um bloco pode ser retirado da banda de 5,17 GHz e o segundo da banda de 5,135 GHz. Isso permite construir com flexibilidade um ambiente de rádio, mesmo na presença de fortes fatores de interferência ou na proximidade de outras estações com emissão constante.
Do SIMO ao MIMO
O método MIMO nem sempre esteve conosco. Antigamente, as comunicações móveis tinham que ser limitadas ao modo SIMO, o que implicava a presença de várias antenas na estação assinante, funcionando simultaneamente para receber informações.
O MU-MIMO foi projetado para transmitir informações aos usuários usando todo o estoque atual de antenas. Isso remove as restrições impostas anteriormente pelo protocolo CSMA/CA associado ao envio de tokens aos dispositivos assinantes para transmissão. Agora os usuários estão unidos em um grupo e cada membro do grupo recebe sua parte do recurso de antena do ponto de acesso, em vez de esperar pela sua vez.
Formação de feixe de rádio
Uma regra importante para a operação do MU-MIMO é manter um modo de operação do conjunto de antenas que não leve à sobreposição mútua de ondas de rádio e à perda de informações devido à adição de fase.
Isso requer cálculos matemáticos complexos do lado do ponto de acesso. Se o terminal suportar esse recurso, o MU-MIMO permite informar ao ponto de acesso quanto tempo leva para receber um sinal em cada antena específica. E o ponto de acesso, por sua vez, ajusta suas antenas para formar um feixe direcionado de maneira ideal.
O que isso nos dá em geral?
Círculos brancos com números na tabela indicam cenários atuais de uso de Wi-Fi de gerações anteriores. Os círculos azuis (veja a ilustração acima) descrevem os recursos do Wi-Fi 6, e os cinzas são uma questão de futuro próximo.
Os principais benefícios que as novas soluções habilitadas para OFDMA trazem estão relacionados às unidades de recursos implementadas em um nível semelhante ao TDM (Time Division Multiplexing). Este nunca foi o caso do Wi-Fi antes. Isso permite controlar claramente a largura de banda alocada, garantindo tempo mínimo de trânsito do sinal através do meio e o nível de confiabilidade necessário. Felizmente, ninguém duvida que os indicadores de confiabilidade do Wi-Fi precisam de melhorias.
A história se move em espiral e a situação atual é semelhante àquela que se desenvolveu em torno da Ethernet em algum momento. Mesmo assim, estabeleceu-se a opinião de que o meio de transmissão CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) não proporciona qualquer rendimento garantido. E isso continuou até a transição para IEEE 802.3z.
Quanto aos modelos gerais de aplicação, como vocês podem ver, a cada geração de Wi-Fi, seus cenários de uso se multiplicam, cada vez mais sensíveis a atrasos, geral e confiabilidade.
E novamente sobre o ambiente físico
Bom, agora vamos falar sobre como o novo ambiente físico é formado. Ao utilizar CSMA/CA e OFDM, um aumento no número de STAs ativas levou a uma grave queda na vazão do canal de 20 MHz. Isto se deveu ao que já foi mencionado: não às mais novas tecnologias STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining).
O OFDMA, através do uso de unidades de recursos, pode interagir efetivamente com estações de longa distância e de baixa potência. Temos a oportunidade de trabalhar na mesma faixa de operadoras com usuários consumindo diferentes quantidades de recursos. Um usuário pode ocupar uma unidade e outro - todas as outras.
Por que não existia OFDMA antes?
E por fim, a questão principal: por que antes não existia OFDMA? Curiosamente, tudo se resumia a dinheiro.
Por muito tempo acreditou-se que o preço de um módulo Wi-Fi deveria ser mínimo. Quando o protocolo foi lançado em operação comercial em 1997, foi decidido que o custo de produção de tal módulo não poderia exceder US$ 1. Como resultado, o desenvolvimento da tecnologia seguiu um caminho abaixo do ideal. Aqui não levamos em consideração a operadora LTE, onde o OFDMA é utilizado há bastante tempo.
Em última análise, o grupo de trabalho Wi-Fi decidiu tirar estes desenvolvimentos do mundo das operadoras de telecomunicações e trazê-los para o mundo das redes empresariais. A principal tarefa foi a transição para o uso de elementos de maior qualidade, como filtros e osciladores.
Por que foi tão difícil para nós trabalhar nas antigas codificações MRC com ou sem interferência? Porque o mecanismo de formação de feixe MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentou drasticamente o número de erros assim que tentamos combinar um grande número de pontos de transmissão. OFDMA provou que o problema pode ser resolvido.
A luta contra as interferências baseia-se agora na matemática. Se a janela de transmissão for longa o suficiente, a interferência dinâmica resultante causará problemas. Novos algoritmos de funcionamento permitem evitá-los, eliminando a influência não só das interferências associadas à transmissão Wi-Fi, mas também de quaisquer outras que ocorram nesta faixa.
Graças à anti-interferência adaptativa, podemos obter ganhos de até 11 dB mesmo em ambientes heterogêneos complexos. O uso de soluções algorítmicas próprias da Huawei tornou possível alcançar uma otimização séria exatamente onde era necessária - em soluções internas. O que é bom em 5G não é necessariamente bom em um ambiente Wi-Fi 6. As abordagens massivas de MIMO e MU-MIMO diferem no caso de soluções internas e externas. Quando necessário, é apropriado utilizar soluções dispendiosas, como no 5G. Mas são necessárias outras opções, como o Wi-Fi 6, que pode fornecer a latência e outras métricas que esperamos das operadoras.
Tomamos emprestado deles as ferramentas que serão úteis para nós, como consumidores empresariais, tudo num esforço para fornecer um ambiente físico em que possamos confiar.
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Fonte: habr.com