Em seus desenvolvimentos, a Huawei aposta no Wi-Fi 6. E as perguntas de colegas e clientes sobre a nova geração do padrão nos empurraram a escrever um post sobre os fundamentos teóricos e princípios físicos que o sustentam. Da história, passaremos à física, detalhando por que as tecnologias OFDMA e MU-MIMO são necessárias. Também discutiremos como a meio físico de transmissão de dados, fundamentalmente reformulada, permitiu alcançar uma largura de banda garantida e uma redução geral da latência, tornando-a comparável à das redes de operadores. E isso considerando que as redes modernas baseadas em 5G são mais caras (em média de 20 a 30 vezes) que suas equivalentes em redes indoor com Wi-Fi 6.
Para a Huawei, este é um tema significativo: as soluções com suporte ao Wi-Fi 6 estão entre nossos produtos mais inovadores em 2020, nos quais foram investidos enormes recursos. Veja apenas um exemplo: pesquisas na área de ciência dos materiais nos permitiram escolher uma liga cujo uso nos componentes de rádio dos pontos de acesso aumentou a relação 'sinal - ruído' em 2 a 3 dB: tiramos o chapéu em respeito a Doron Ezri por essa conquista.
Um pouco de história
A história do Wi-Fi deve ser contada a partir de 1971, quando, na Universidade do Havai, o professor Norman Abramson e um grupo de colegas desenvolveram, construíram e lançaram uma rede sem fio de transmissão de dados por pacotes chamada ALOHAnet.
Em 1980, foi aprovada um conjunto de padrões e protocolos IEEE 802 que descrevem a organização dos dois primeiros níveis do modelo de rede OSI de sete camadas. Faltavam longos 17 anos para o lançamento da primeira versão 802.11.
Com a aceitação do padrão 802.11 em 1997, dois anos antes do surgimento da organização Wi-Fi Alliance, a primeira geração da tecnologia de transmissão de dados sem fio mais popular hoje entrou no grande mundo.
Padrão IEEE 802. Geração Wi-Fi
O primeiro padrão realmente apoiado em massa pelos fabricantes de equipamentos foi o 802.11b. Como você pode ver, a frequência de inovações desde o final do século XX foi bastante estável: mudanças de qualidade requerem tempo. Nos últimos anos, o trabalho principal foi focado na melhoria do meio físico de transmissão do sinal. Para entender melhor os desafios contemporâneos do Wi-Fi, vamos considerar suas bases físicas.
Vamos nos lembrar dos fundamentos!
As ondas de rádio são um caso particular de ondas eletromagnéticas — que se propagam a partir de uma fonte de perturbações dos campos elétrico e magnético. Elas são caracterizadas por três parâmetros principais: vetor de onda, além dos vetores de intensidade dos campos elétrico e magnético. Todos os três são mutuamente perpendiculares. A frequência da onda é chamada de número de oscilações repetidas que ocorrem em uma unidade de tempo.
Todos esses são fatos amplamente conhecidos. No entanto, para chegar ao final, somos forçados a começar desde o princípio.
Em uma escala hipotética de faixas de frequência de radiação eletromagnética, a faixa de rádio ocupa a parte mais baixa (de baixa frequência). Ela inclui ondas eletromagnéticas com frequência de oscillação de 3 Hz a 3000 GHz. Todas as outras faixas, incluindo a luz visível, têm uma frequência muito mais alta.
Quanto maior a frequência, mais energia pode ser transmitida à onda de rádio; no entanto, ao mesmo tempo, ela contorna obstáculos pior e atenua-se mais rapidamente. O inverso também é verdadeiro. Levando em conta essas características, foram escolhidas duas faixas de frequência principais para o Wi-Fi — 2,4 GHz (faixa de frequência de 2,4000 a 2,4835 GHz) e 5 GHz (faixas de frequência de 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 que as mensagens não interfiram umas nas outras devido ao efeito de interferência, a faixa de frequência é dividida em segmentos estreitos — canais com a respectiva . No diagrama acima, é possível ver que os canais 1 e 2, que têm uma largura de banda de 20 MHz, vão interferir entre si, enquanto os canais 1 e 6 — não.
O sinal dentro do canal é transmitido usando uma onda de rádio em uma frequência portadora específica. Para transmitir informações, os parâmetros da onda podem ser em frequência, amplitude ou fase.
Divisão dos canais nas faixas de frequência do Wi-Fi
A faixa de frequência de 2,4 GHz é dividida em 14 canais parcialmente sobrepostos de largura ideal — 20 MHz. Já se acreditou que isso era mais do que suficiente para organizar uma rede sem fio complexa. Logo se percebeu que a capacidade da faixa estava rapidamente se esgotando, portanto foi adicionada a faixa de 5 GHz, cuja capacidade espectral é muito maior. Nela, além dos canais de 20 megahertz, é possível alocar canais com largura de 40 e 80 MHz.
Para aumentar ainda mais a eficiência do uso do espectro de radiofrequência, atualmente, a tecnologia de multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM) é amplamente utilizada.).
Ela implica o uso, juntamente com a frequência portadora, de várias sub-frequências na mesma faixa, permitindo a transmissão de dados paralela. O OFDM permite distribuir o tráfego de uma maneira bastante conveniente e "granular", mas, devido à sua idade, ainda mantém algumas desvantagens significativas. Entre elas estão os princípios de funcionamento do protocolo de rede CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), segundo os quais, em determinados momentos, apenas um usuário pode operar em uma mesma frequência portadora ou sub-frequência.
Fluxos espaciais
Uma forma importante de aumentar a capacidade de uma rede sem fio é utilizar fluxos espaciais.
O ponto de acesso abriga vários módulos de rádio (um, dois ou mais), que estão conectados a um certo número de antenas. Essas antenas transmitem de acordo com um esquema e modulação específicos, e recebemos a informação transmitida através do meio sem fio. Um fluxo espacial pode ser formado entre uma antena física específica (módulo de rádio) do ponto de acesso e um dispositivo do usuário. Graças a isso, o volume total de informações transmitidas a partir do ponto de acesso aumenta multiplicadamente pelo número de fluxos (antenas).
De acordo com os padrões atuais, na faixa de 2,4 GHz, é possível implementar até quatro fluxos espaciais, enquanto na faixa de 5 GHz, até oito.
Anteriormente, ao trabalhar nas bandas de 2,4 e 5 GHz, nos baseávamos apenas na quantidade de módulos de rádio. A presença de um segundo módulo de rádio oferecia flexibilidade adicional, permitindo que dispositivos de assinatura mais antigos funcionassem na frequência de 2,4 GHz, enquanto os novos operavam na frequência de 5 GHz. Com a introdução de um terceiro e subsequentes módulos de rádio, surgiram algumas complicações. Os elementos emissores tendem a induzir interferência uns nos outros, aumentando o custo do dispositivo devido à necessidade de um projeto mais sofisticado e à instalação de filtros compensatórios no ponto de acesso. Portanto, apenas recentemente se tornou possível manter simultaneamente 16 fluxos espaciais em um único ponto de acesso.
Velocidade prática e teórica
Devido aos mecanismos de funcionamento do OFDM, não conseguimos obter a máxima capacidade de transmissão da rede. Cálculos teóricos para a implementação prática do OFDM foram feitos há muito tempo e apenas em relação a ambientes ideais, onde se esperava um indicador suficientemente alto da relação 'sinal-ruído' (SNR) e a taxa de erro por bit (BER). Em condições modernas de forte ruído em todos os espectros de frequência de rádio de interesse, os indicadores de capacidade de redes baseadas em OFDM são alarmantemente baixos. E o protocolo até recentemente ainda continha essas desvantagens, até que a tecnologia OFDMA (acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal) chegou para ajudar. Vamos falar um pouco mais sobre isso.
Vamos falar sobre antenas
Como você sabe, cada antena tem um ganho, que determina o padrão espacial de propagação do sinal (beamforming) com uma área de cobertura específica (não consideramos a reflexão dos sinais, etc.). Esse sempre foi o fundamento das considerações dos projetistas sobre onde os pontos de acesso deveriam ser localizados. Durante muito tempo, a forma do padrão permaneceu inalterada, aumentando ou diminuindo proporcionalmente às características da antena.
Os elementos antenas modernos estão se tornando cada vez mais controláveis e permitem alterar dinamicamente o padrão espacial de propagação do sinal em tempo real.
À esquerda na imagem acima, é mostrado o princípio de propagação das ondas de rádio ao usar uma antena omnidirecional padrão. Ao aumentar a potência do sinal, conseguimos alterar apenas o raio de cobertura, na ausência de uma capacidade significativa de influenciar a qualidade do uso do canal — KQI (Indicadores de Qualidade Chave). Esse indicador é extremamente importante na organização da comunicação em condições de deslocamento frequente do dispositivo do assinante em um ambiente sem fio.
A solução para o problema foi a aplicação de um grande número de antenas pequenas, cuja carga pode ser regulada em tempo real, formando padrões de propagação dependendo da posição espacial do usuário.
Assim, conseguimos nos aproximar da aplicação da tecnologia MU-MIMO (Múltiplos Usuários, Múltiplas Entradas, Múltiplas Saídas). Com ela, o ponto de acesso pode, a qualquer momento, formar fluxos de radiação direcionados especificamente para os dispositivos dos assinantes.
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. O uso de outros mecanismos de modulação possibilitou — a partir das versões 802.11g/n — acomodar uma quantidade muito maior de informações em um slot de tempo e, consequentemente, trabalhar com um maior número de usuários. Além disso, isso foi alcançado pelo uso de fluxos espaciais. A nova flexibilidade em relação à largura do canal permitiu criar mais recursos para MIMO.
No próximo ano, está prevista a aprovação do padrão Wi-Fi 7. O que mudará com sua chegada? Além do habitual aumento de velocidade e da adição da faixa de 6 GHz, haverá a possibilidade de trabalhar com canais agregados amplos, como 320 MHz. Isso é especialmente interessante no contexto de aplicação industrial.
Capacidade teórica do Wi-Fi 6
A fórmula teórica para calcular a velocidade nominal de operação do Wi-Fi 6 é bastante complexa e depende de muitos parâmetros, desde o número de fluxos espaciais até as informações que podemos incorporar na portadora (ou portadoras, se houver várias) por unidade de tempo.
Como você pode ver, muito depende dos fluxos espaciais. Antes, o aumento de sua quantidade, combinado com o uso de STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining), prejudicava o desempenho da solução sem fio como um todo.
Novas tecnologias-chave do nível físico
Vamos aos principais tecnologias do nível físico — começando pelo primeiro nível do modelo OSI.
Lembramos que no OFDM é utilizado um número específico de subportadoras, que, sem se interferirem, são capazes de transmitir um certo volume de informações.
No exemplo, utilizamos a faixa de 5,220 GHz, que contém 48 subcanais. Agregando este canal, teremos um maior número de subportadoras, cada uma com seu próprio esquema de modulação.
No Wi-Fi 5, utiliza-se modulação quadratura de amplitude 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que permite formar, dentro da frequência portadora, um campo de 16 x 16 pontos em um único slot de tempo, diferenciando-se pela amplitude e fase. A desvantagem é que, em cada momento, somente uma estação pode transmitir na frequência portadora.
A multiplexação por divisão ortogonal de frequência de canais (OFDMA) veio do mundo dos operadores de telecomunicações móveis, ganhou popularidade simultaneamente com o LTE e é aplicada para organizar o downlink (canal de comunicação para o assinante). Permite trabalhar com o canal em nível das chamadas unidades de recursos. Estas unidades ajudam a dividir um bloco em um número específico de componentes. Dentro de um bloco, podemos não trabalhar estritamente com um único elemento emissor (usuário ou ponto de acesso) a cada momento, mas combinar dezenas de elementos. Isso permite alcançar resultados notáveis.
Conexão simples de canais no Wi-Fi 6
A conexão de canais (Channel Bonding) no Wi-Fi 6 permite obter canais combinados com largura de 20 a 160 MHz. Além disso, a conexão não precisa ser feita em faixas adjacentes. Por exemplo, um bloco pode ser da faixa de 5,17 GHz e o segundo da faixa de 5,135 GHz. Isso permite construir o meio radiofônico de forma flexível, mesmo em presença de fortes fatores de interferência ou adjacências a outras estações emissores constantemente.
De SIMO a MIMO
O método MIMO não esteve sempre conosco. Em algum momento, a comunicação móvel teve que se limitar ao modo SIMO, que pressupunha a presença de várias antenas na estação do assinante, funcionando simultaneamente para receber informações.
O MU-MIMO foi projetado para transmitir informações aos usuários, utilizando todo o patrimônio atual de antenas. Isso elimina as limitações anteriormente impostas pelo protocolo CSMA/CA, relacionadas ao envio de tokens de transmissão para os dispositivos dos assinantes. Agora, os usuários se unem em um grupo e cada participante do grupo recebe sua parte do recurso do patrimônio de antenas do ponto de acesso, em vez de esperar sua vez.
Formação do feixe de rádio
Uma regra importante do funcionamento do MU-MIMO é manter um modo de operação do patrimônio de antenas que não levaria à sobreposição de ondas de rádio e à perda de informações devido à soma de fases.
Isso requer cálculos matemáticos complexos do lado do ponto de acesso. Se o terminal suportar essa função, o MU-MIMO permite que ele informe ao ponto de acesso com que atraso recebe o sinal em cada antena específica. E o ponto de acesso, por sua vez, ajusta suas antenas para formar um feixe otimamente direcionado.
O que isso nos dá no geral?
Os círculos brancos com números na tabela destacam os cenários atuais de aplicação do Wi-Fi das gerações anteriores. Os círculos azuis (consulte a ilustração acima) descrevem as capacidades do Wi-Fi 6, e os círculos cinzas — um futuro próximo.
As principais vantagens que as novas soluções com suporte a OFDMA trazem estão relacionadas às unidades de recurso, implementadas em um nível análogo ao TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo). Isso não existia anteriormente no Wi-Fi. Isso permite um controle claro da largura de banda alocada, garantindo o tempo mínimo de passagem do sinal através do meio e o nível requerido de confiabilidade. Felizmente, ninguém tem dúvidas de que os indicadores de confiabilidade do Wi-Fi precisam ser melhorados.
A história avança em espiral, e a situação atual é semelhante àquela que se estabeleceu na época ao redor do Ethernet. Naquela época, já se consolidou a opinião de que o meio de transmissão CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) não oferece nenhuma garantia de largura de banda. E isso continuou até a transição para o IEEE 802.3z.
Quanto às modelos gerais de aplicação, como pode ver, com cada geração de Wi-Fi, multiplicam-se os cenários de uso, cada vez mais sensíveis a latências, jitter geral E novamente sobre o meio físico
Agora, vamos falar sobre o que forma um novo meio físico. Ao usar CSMA/CA e OFDM, o aumento do número de pontos ativos (Active STA) fazia com que a largura de banda do canal de 20 megaherços caísse seriamente. Isso estava relacionado ao que já foi mencionado: com tecnologias STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining) não tão novas.
O FDMA, ao utilizar unidades de recurso, pode interagir de forma eficaz com estações distantes e de baixo consumo. Assim, temos a possibilidade de operar em uma única faixa de frequência com usuários que consomem diferentes volumes de recursos. Um usuário pode ocupar uma unidade, enquanto outro pode ocupar todas as restantes.
Por que o OFDMA não existia antes?
E, finalmente, a pergunta principal: por que o OFDMA não existia antes? Curiosamente, tudo se resumia a dinheiro.
Por muito tempo, acreditou-se que o preço do módulo Wi-Fi deveria ser o mínimo possível. Quando o protocolo foi lançado comercialmente em 1997, foi decidido que o custo de produção desse módulo não poderia exceder $1. Como consequência, o desenvolvimento da tecnologia seguiu um caminho subótimo. Aqui, não consideramos o LTE de operadoras, onde o OFDMA já é usado há bastante tempo.
Eventualmente, o grupo de trabalho de Wi-Fi decidiu pegar esses desenvolvimentos do mundo das operadoras de telecomunicações e trazê-los para o mundo das redes corporativas. A principal tarefa foi a transição para o uso de elementos de maior qualidade, como filtros e osciladores.
Por que foi tão difícil trabalhar com as antigas codificações de MRC, com ou sem interferência? Porque o mecanismo de formação de feixes MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentava drasticamente o número de erros assim que tentávamos combinar um grande número de pontos de transmissão. O OFDMA provou que o problema é solucionável.
Por que foi tão difícil para nós trabalharmos com as antigas codificações MRC, com ou sem interferência? Porque o mecanismo de formação de feixe MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentava drasticamente o número de erros assim que tentávamos combinar um grande número de pontos de transmissão. O OFDMA provou que o problema é solucionável.
A luta contra a interferência agora é baseada em matemática. Se a janela de transmissão de informações é longa o suficiente, a interferência dinâmica que surge pode causar problemas. Novos algoritmos de operação permitem superar isso, excluindo a influência não apenas da interferência relacionada à transmissão de Wi-Fi, mas também de qualquer outra que ocorra nesta faixa.
Graças à luta adaptativa contra a interferência, podemos obter ganhos de até 11 dB mesmo em ambientes complexos e heterogêneos. O uso de soluções algorítmicas próprias da Huawei permitiu uma otimização significativa precisamente onde é necessário — em soluções indoors. O que é bom em 5G não necessariamente é bom em um ambiente Wi-Fi 6. As abordagens Massive MIMO e MU-MIMO diferem em soluções indoors e outdoors. Onde necessário, é apropriado utilizar soluções caras, como em 5G. Mas também são necessárias outras opções, como Wi-Fi 6, que podem proporcionar latências e outros indicadores que esperamos dos operadores de telecomunicações.
Estamos adotando aquelas ferramentas que serão úteis para nós, como consumidores corporativos, e tudo isso para garantir um ambiente físico confiável.
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A propósito, não se esqueça de nossos numerosos webinários sobre as novidades da Huawei em 2020, realizados não apenas no segmento de língua russa, mas também em nível global. A lista de webinários para as próximas semanas está disponível em .
Fonte: habr.com
