În dezvoltările sale, Huawei pune accent pe Wi-Fi 6. Întrebările venite din partea colegilor și clienților despre noua generație a standardului ne-au determinat să scriem un articol despre fundamentele teoretice și principiile fizice pe care le încorporează. Vom trece de la istorie la fizică, analizând detaliat de ce sunt necesare tehnologiile OFDMA și MU-MIMO. Vom discuta și despre cum mediul de transmisie a datelor, complet reproiectat, a permis obținerea unei lățimi de bandă garantate și a unei reduceri a întârzierilor, astfel încât acestea să fie comparabile cu cele „de operator”. Și asta în condițiile în care rețelele moderne bazate pe 5G sunt mai costisitoare (în medie de 20-30 de ori) decât rețelele indoor echivalente pe Wi-Fi 6.
Pentru Huawei, acest subiect nu este deloc trivial: soluțiile cu suport pentru Wi-Fi 6 sunt printre cele mai inovatoare produse ale noastre din 2020, în care au fost investite resurse enorme. Iată un singur exemplu: cercetările în domeniul științei materialelor ne-au permis să alegem un aliaj, utilizarea căruia în elementele radio ale punctului de acces a crescut raportul „semnal - zgomot” cu 2-3 dB: ne inclinăm cu respect în fața lui Doron Ezri pentru această realizare.
Puțin istorie
Istoria Wi-Fi merită să fie începută din 1971, când la Universitatea Hawaii, profesorul Norman Abramson împreună cu un grup de colegi a dezvoltat, construit și lansat rețeaua wireless de transfer de date ALOHAnet.
În 1980, a fost adoptată un grup de standarde și protocoale IEEE 802, care descriu organizarea celor două straturi inferioare ale modelului de rețea OSI cu șapte straturi. A durat 17 ani pentru a aștepta lansarea primei versiuni 802.11.
Odată cu acceptarea standardului 802.11 în 1997, cu doi ani înainte de apariția organizației Wi-Fi Alliance, prima generație a celei mai populare tehnologii de transmitere wireless a făcut un pas în lumea mare.
Standardul IEEE 802. Generațiile Wi-Fi
Primul standard cu adevărat susținut pe scară largă de producătorii de echipamente a fost 802.11b. Așa cum puteți observa, frecvența inovațiilor de la sfârșitul secolului XX a fost destul de stabilă: schimbările calitative necesită timp. În ultimii ani, activitatea principală a fost concentrată pe îmbunătățirea mediului fizic de transmitere a semnalului. Pentru a înțelege mai bine problemele moderne ale Wi-Fi, să ne întoarcem la fundamentele sale fizice.
Să ne amintim de fundamente!
Undelele radio sunt un caz special de unde electromagnetice — care se propaga de la sursa de perturbație a câmpului electric și magnetic. Ele se caracterizează prin trei parametri principali: vectorul de undă, precum și vectorii intensității câmpurilor electric și magnetic. Toate trei sunt perpendiculare între ele. Frecvența undei este denumită cantitatea de oscilații repetate care se înghesuie într-o unitate de timp.
Toate acestea sunt fapte bine cunoscute. Totuși, pentru a ajunge la capăt, suntem nevoiți să începem cu începutul.
Pe o scară convențională a domeniilor de frecvență ale radiației electromagnetice, banda de radio ocupă cea mai joasă (domeniu de frecvență joasă) parte. Aceasta include unde electromagnetice cu frecvențe de oscilație între 3 Hz și 3000 GHz. Toate celelalte domenii, inclusiv lumina vizibilă, au o frecvență mult mai ridicată.
Cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi transmisă undei radio, însă totodată, aceasta se îndoaie mai greu în jurul obstacolelor și se atenuază mai repede. De asemenea, și invers este adevărat. Având în vedere aceste particularități, pentru funcționarea Wi-Fi au fost selectate două domenii de frecvență principale — 2,4 GHz (banda de frecvență de la 2,4000 la 2,4835 GHz) și 5 GHz (benzile de frecvență 5,170—5,330, 5,490—5,730 și 5,735—5,835 GHz).
Undele radio se propagă în toate direcțiile, iar pentru ca mesajele să nu se influențeze reciproc din cauza efectului de interferență, banda de frecvență este împărțită în segmente înguste separate — canale cu aceasta sau acea . Pe schema de mai sus, se poate observa că canalele adiacente 1 și 2, cu lățimea de bandă de 20 MHz, se vor interfere reciproc, iar 1 și 6 — nu.
Semnalul din cadrul canalului este transmis prin intermediul unei unde radio la o frecvență purtătoare specifică. Pentru transmiterea informației, parametrii undei pot pe frecvență, amplitudine sau fază.
Separarea canalelor în domeniile de frecvență Wi-Fi
Domeniul de frecvență de 2,4 GHz este împărțit în 14 canale parțial suprapuse, cu o lățime optimă de 20 MHz. Cândva s-a considerat că acest lucru este suficient pentru organizarea unei rețele wireless complexe. În curând s-a dovedit că capacitatea domeniului se epuizează rapid, astfel încât a fost adăugat domeniul de 5 GHz, al cărui capacitate spectrală este mult mai mare. În el, pe lângă canalele de 20 MHz, este posibilă alocarea canalelor cu lățimi de 40 și 80 MHz.
Pentru a crește eficiența utilizării spectrului de frecvențe radio, tehnologia de multiplexare cu divizarea ortogonală a frecvențelor este acum pe scară largă utilizată.).
Aceasta implică utilizarea, pe lângă frecvența purtătoare, și a mai multor frecvențe subpurtătoare în aceeași bandă, ceea ce permite transmiterea simultană a datelor. OFDM permite distribuirea traficului într-un mod destul de convenabil, „granular”, dar, din cauza vârstei sale înaintate, păstrează o serie de dezavantaje semnificative. Printre acestea se numără principiile de funcționare conform protocolului de rețea CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), conform cărora, în anumite momente, pe o frecvență purtătoare și subpurtătoare poate funcționa un singur utilizator.
Fluxuri spațiale
O modalitate importantă de a crește capacitatea rețelei wireless este utilizarea fluxurilor spațiale.
Punctul de acces conține mai multe module radio (unul, două sau mai multe), care sunt conectate la un anumit număr de antene. Aceste antene emit conform unui anumit model și modulație, iar noi primim informațiile transmise prin mediu wireless. Fluxul spațial poate fi format între o antenă fizică specifică (modulul radio) al punctului de acces și dispozitivul utilizatorului. Datorită acestui fapt, volumul total de informații transmise de la punctul de acces crește de mai multe ori în raport cu numărul de fluxuri (antene).
Conform standardelor actuale, în banda de 2,4 GHz pot fi realizate până la patru fluxuri spațiale, iar în banda de 5 GHz - până la opt.
În trecut, când lucram în benzile de 2,4 și 5 GHz, ne orientam doar după numărul de module radio. Prezența celui de-al doilea modul radio oferea o flexibilitate suplimentară, permițând dispozitivelor abonaților mai vechi să funcționeze pe frecvența de 2,4 GHz, iar celor noi pe frecvența de 5 GHz. Odată cu apariția celui de-al treilea și ulterior modulelor radio, au apărut unele probleme. Elementele emițătoare tind să creeze interferențe între ele, ceea ce crește costul dispozitivului din cauza necesității unui proiect mai calitativ și a echipării punctului de acces cu filtre compensatoare. Așadar, abia recent a devenit posibilă susținerea simultană a 16 fluxuri spatiale pe un singur punct de acces.
Viteza practică și teoretică
Datorită mecanismelor de lucru ale OFDM, nu am putut obține lățimea de bandă maximă a rețelei. Calculațiile teoretice pentru implementarea practică a OFDM au fost realizate cu mult timp în urmă și doar în medii ideale, unde se aștepta în mod previzibil un raport suficient de mare semnal-zgomot (SNR) și o probabilitate de eroare pe bit (BER). În condițiile actuale de zgomot puternic pe toate benzile de frecvență radio relevante, indicatorii de lățime de bandă ai rețelelor bazate pe OFDM sunt dezamăgitor de mici. Și protocolul continua să aibă aceste inconveniente până când tehnologia OFDMA (acces multiplu prin divizare ortogonală a frecvenței) a venit în ajutor. Despre aceasta, mai încolo.
Să discutăm despre antene
Așa cum știți, fiecare antenă are un coeficient de amplificare, în funcție de care se formează un model spațial al propagării semnalului (beamforming) cu o anumită arie de acoperire (nu luăm în considerare reflexiile semnalelor etc.). Tocmai pe acest lucru s-au bazat întotdeauna raționamentele designerilor în legătură cu locul în care ar trebui amplasate punctele de acces. Mult timp, forma modelului a rămas neschimbată și doar a crescut sau a scăzut proporțional cu caracteristicile antenei.
Elementele antenelor moderne devin din ce în ce mai gestionabile și permit modificarea dinamică a modelului spațial al propagării semnalului în timp real.
În partea stângă, în colțul din sus, este prezentat principiul de propagare a undelor radio folosind o antenă omnidirecțională standard. Prin creșterea puterii semnalului, am putut modifica doar raza de acoperire, fără a avea capacitatea de a influența semnificativ calitatea utilizării canalului — KQI (Key Quality Indicators). Acest indicator este extrem de important pentru organizarea comunicațiilor în condiții de mișcare frecventă a dispozitivului abonat în mediu wireless.
Soluția problemei a fost utilizarea unui număr mare de antene mici, a căror sarcină poate fi reglată în timp real, formând tipare de propagare în funcție de poziția spațială a utilizatorului.
Astfel, am reușit să ne apropiem de aplicarea tehnologiei MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Cu ajutorul acesteia, punctul de acces formează în orice moment fluxuri de radiație direcționate tocmai spre dispozitivele abonatului.
De la fizică la standardele 802.11
Pe măsură ce standardele Wi-Fi s-au dezvoltat, principiile de lucru cu stratul fizic al rețelei s-au schimbat. Utilizarea altor mecanisme de modulare a permis — începând cu versiunile 802.11g/n — să încapă într-un slot de timp mult mai multe informații și, prin urmare, să funcționeze cu un număr mai mare de utilizatori. În plus, acest lucru s-a realizat și datorită utilizării fluxurilor spatiale. Iar noua flexibilitate în ceea ce privește lățimea canalului a permis formarea unui număr mai mare de resurse pentru MIMO.
Pentru anul următor este planificată aprobatrea standardului Wi-Fi 7. Ce se va schimba odată cu venirea acestuia? Pe lângă creșterea obișnuită a vitezei și adăugarea benzii de 6 GHz, va apărea posibilitatea de a lucra cu canale agregate largi, cum ar fi 320 MHz. Acest lucru este deosebit de interesant în contextul aplicațiilor industriale.
Capacitatea teoretică de transmitere a Wi-Fi 6
Formula teoretică de calculare a vitezei nominale de lucru a Wi-Fi 6 este destul de complexă și depinde de mulți parametri, începând de la numărul de fluxuri spatiale și terminând cu informația pe care o putem încorpora în subportantă (sau subportantele, dacă sunt mai multe) într-o unitate de timp.
După cum vedeți, fluxurile spațiale depind de multe lucruri. Cu toate acestea, înainte, creșterea numărului acestora, împreună cu utilizarea STC (Codare Spațiu-Timp) și MRC (Combinare Maximală a Raportului), deteriora performanța soluției wireless în ansamblu.
Noile tehnologii cheie la nivel fizic
Să trecem la tehnologiile cheie la nivel fizic — și să începem cu primul nivel al modelului de rețea OSI.
Să ne amintim că în OFDM sunt utilizate un anumit număr de subportante care, fără a se afecta reciproc, pot transmite un anumit volum de informații.
În exemplul nostru, folosim banda de 5,220 GHz, care conține 48 de subcanale. Agregând acest canal, vom obține un număr mai mare de subportante, pentru fiecare dintre acestea aplicându-se o schemă de modulație specifică.
În Wi-Fi 5 se utilizează modulația cuadratică 256 QAM (Modulație cu Amplitudine Quadratica), care permite formarea, în cadrul frecvenței portante, a unui câmp de 16 x 16 puncte, diferite prin amplitudine și fază. Inconvenientul constă în faptul că, în fiecare moment, o singură stație poate efectua transmisia pe frecvența portantă.
Multiplexarea cu separarea ortogonală a frecvențelor (OFDMA) provine din lumea operatorilor de telecomunicații mobile, s-a răspândit simultan cu LTE și este utilizată pentru organizarea downlink-ului (canalului de comunicare către abonat). Aceasta permite lucrul cu canalul la nivelul așa-numitelor unități de resurse. Aceste unități ajută la împărțirea blocului în anumite componente. În cadrul blocului, putem să nu lucrăm strict cu un singur element de emisie (utilizator sau punct de acces), ci să combinăm zeci de elemente. Acest lucru permite obținerea de rezultate notabile.
Simple conectarea canalelor în Wi-Fi 6
Conectarea canalelor (Channel Bonding) în Wi-Fi 6 permite obținerea de canale combinate cu lățimi de la 20 la 160 MHz. În plus, conectarea nu trebuie să fie făcută neapărat în benzi adiacente. De exemplu, un bloc poate fi luat din banda de 5,17 GHz, iar al doilea — din banda de 5,135 GHz. Acest lucru permite construirea flexibilă a mediului radio, chiar și în prezența factorilor de interferație puternică sau când se află în vecinătatea altor stații care emit constant.
De la SIMO la MIMO
Metoda MIMO nu a fost întotdeauna cu noi. Cândva, comunicația mobilă a fost limitată la modul SIMO, care presupunea existența mai multor antene la stația abonatului, lucrând simultan pentru a primi informații.
MU-MIMO este destinat să transmită informație utilizatorilor, folosind întreaga capacitate antenară disponibilă. Aceasta elimină restricțiile impuse anterior de protocolul CSMA/CA, legate de trimiterea token-urilor pentru transmitere către dispozitivele de abonat. Acum, utilizatorii sunt grupați, iar fiecare membru al grupului primește partea sa din resursa fondului antenelor punctului de acces, fără a aștepta rândul său.
Formarea fasciculului radio
O regulă importantă a funcționării MU-MIMO este menținerea unui mod de operare a fondului antenelor care să nu ducă la suprapunerea undelor radio și pierderea informației din cauza interferențelor de fază.
Aceasta necesită calcule matematice complexe din partea punctului de acces. Dacă terminalul suportă această funcție, MU-MIMO îi permite să comunice punctului de acces cu ce întârziere primește semnalul pe fiecare antenă specifică. Punctul de acces, la rândul său, își ajustează antenele pentru a forma un fascicul direcționat optim.
Ce ne oferă acest lucru în general?
Cercurile albe cu cifre din tabel marchează scenariile actuale de utilizare a Wi-Fi-ului din generațiile anterioare. Cercurile albastre (vezi ilustrația de mai sus) descriu capabilitățile Wi-Fi 6, iar cele gri – o realitate nu foarte îndepărtată.
Principalele avantaje aduse de noile soluții ce suportă OFDMA sunt legate de unitățile de resurse implementate la un nivel similar TDM (Time Division Multiplexing). Precedentul sistem Wi-Fi nu avea așa ceva. Acest lucru permite un control clar asupra lățimii de bandă alocate, asigurând un timp minim de trecere a semnalului prin mediu și nivelul de fiabilitate necesar. Din fericire, nimeni nu are îndoieli că indicatorii de fiabilitate Wi-Fi necesită îmbunătățiri.
Istoria se desfășoară în spirale, iar situația actuală este similară cu cea care s-a format în jurul Ethernet-ului. Atunci, s-a stabilit opinia că mediu de transmisie CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nu oferă nicio capacitate garantată. Și a continuat până la trecerea la IEEE 802.3z.
În ceea ce privește modelele generale de aplicare, după cum vedeți, cu fiecare generație de Wi-Fi, scenariile de utilizare devin din ce în ce mai variate și mai sensibile la întârzieri și la jitere. și fiabilitate.
Încă o dată despre mediul fizic
Dar acum să discutăm despre cum este format noul mediu fizic. Utilizând CSMA/CA și OFDM, creșterea numărului de puncte active (Active STA) a dus la o scădere semnificativă a lățimii de bandă a canalului de 20 MHz. Aceasta se datorează tehnologiilor STC (Space-Time Coding) și MRC (Maximum Ratio Combining), care nu sunt foarte recente.
OFDMA, prin utilizarea unităților de resursă, poate interacționa eficient cu stațiile la distanță și cu putere mică. Avem posibilitatea de a lucra în aceeași bandă de frecvență cu utilizatori care consumă volume diferite de resurse. Un utilizator poate ocupa o unitate, iar altul poate folosi toate celelalte.
De ce nu a existat OFDMA înainte?
Și în cele din urmă, întrebarea principală: de ce nu a existat OFDMA înainte? Din păcate, totul s-a datorat banilor.
Mult timp, s-a considerat că prețul modulului Wi-Fi trebuie să fie minim. La lansarea protocolului în exploatarea comercială în 1997, s-a decis că costul de producție al unui astfel de modul nu poate depăși $1. Ca urmare, dezvoltarea tehnologiei a urmat o cale suboptimă. Aici nu luăm în considerare LTE-ul operatorilor, unde OFDMA este folosit de mult timp.
În cele din urmă, grupul de lucru pentru Wi-Fi a decis să preia aceste realizări din lumea operatorilor de telecomunicații și să le transfere în lumea rețelelor corporative. Sarcina principală a fost trecerea la utilizarea unor elemente de calitate superioară, cum ar fi filtrele și oscilatoarele.
De ce ne-a fost atât de greu să lucrăm cu codificările vechi MRC, cu interferență sau fără ea? Pentru că mecanismul de formare a fasciculului MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) crește semnificativ numărul de erori, de îndată ce încercăm să combinăm un număr mare de puncte de transmisie. OFDMA a demonstrat că problema este rezolvabilă.
Lupta împotriva interferenței se bazează acum pe matematică. Dacă fereastra de transfer al informațiilor este suficient de lungă, interferența dinamică generată conduce la probleme. Noile algoritmi de funcționare permit evitarea acestora, excludând influența nu doar a interferenței legate de transmiterea Wi-Fi, ci și a oricărei alte interferențe care apare în acest interval.
D datorită luptei adaptive împotriva interferenței, putem obține un câștig de până la 11 dB chiar și în medii complexe și inegale. Utilizarea soluțiilor algoritmice proprii Huawei a permit obținerea unei optimizări semnificative exact acolo unde este nevoie — în soluțiile indoor. Ce este bun în 5G nu este neapărat bun în mediu Wi-Fi 6. Abordările Massive MIMO și MU-MIMO diferă în cazul soluțiilor indoor și outdoor. Acolo unde este necesar, este justificată utilizarea soluțiilor costisitoare, ca în 5G. Dar sunt necesare și alte opțiuni, precum Wi-Fi 6, capabile să asigure latențe și alte indicatori pe care ne-am obișnuit să le așteptăm de la operatorii de telecomunicații.
Împrumutăm de la ei acele instrumente care ne vor fi utile ca și consumatori corporativi, totul pentru a asigura un mediu fizic pe care ne putem baza.
***
Apropo, nu uitați de numeroasele noastre webinarii privind noutățile Huawei din 2020, desfășurate nu doar în segmentele de limbă rusă, ci și la nivel global. Lista webinariilor pentru săptămânile următoare este disponibilă la .
Sursa: habr.com
