În dezvoltările sale, Huawei se bazează pe Wi-Fi 6. Și întrebările colegilor și clienților despre noua generație a standardului ne-au determinat să scriem o postare despre fundamentele teoretice și principiile fizice încorporate în acesta. Să trecem de la istorie la fizică și să vedem în detaliu de ce sunt necesare tehnologiile OFDMA și MU-MIMO. Să vorbim, de asemenea, despre modul în care un mediu fizic de transmisie a datelor reproiectat fundamental a făcut posibilă obținerea unei capacități garantate a canalului și o astfel de reducere a nivelului general de întârzieri, încât acestea au devenit comparabile cu cele ale unui operator. Și asta în ciuda faptului că rețelele moderne bazate pe 5G sunt mai scumpe (în medie de 20-30 de ori) decât rețelele Wi-Fi 6 interioare cu capacități similare.
Pentru Huawei, subiectul nu este deloc unul inactiv: soluțiile care acceptă Wi-Fi 6 sunt printre cele mai inovatoare produse ale noastre în 2020, în care au fost investite resurse enorme. Iată doar un exemplu: cercetările în domeniul științei materialelor ne-au permis să selectăm un aliaj, a cărui utilizare în elementele radio ale unui punct de acces a crescut raportul semnal-zgomot cu 2-3 dB: jos pălăria lui Doron Ezri pentru această realizare.
Un pic de istorie
Este logic să numărăm istoria Wi-Fi până în 1971, când la Universitatea din Hawaii, profesorul Norman Abramson și un grup de colegi au dezvoltat, construit și lansat rețeaua wireless de pachete de date ALOHAnet.
În 1980, a fost aprobat un grup de standarde și protocoale IEEE 802, care descriu organizarea celor două straturi inferioare ale modelului de rețea OSI cu șapte straturi. A trebuit să așteptăm 802.11 ani lungi înainte de lansarea primei versiuni de 17.
Odată cu adoptarea standardului 1997 în 802.11, cu doi ani înainte de nașterea Alianței Wi-Fi, prima generație a celei mai populare tehnologii de date wireless de astăzi a intrat în lumea largă.
Standard IEEE 802 generații Wi-Fi
Primul standard care a fost cu adevărat acceptat pe scară largă de către producătorii de echipamente a fost 802.11b. După cum puteți vedea, frecvența inovațiilor a fost destul de stabilă de la sfârșitul secolului al XX-lea: schimbările calitative necesită timp. În ultimii ani, s-a lucrat mult pentru a îmbunătăți mediul fizic de transmisie a semnalului. Pentru a înțelege mai bine problemele moderne ale Wi-Fi-ului, să ne întoarcem la fundamentele sale fizice.
Să ne amintim elementele de bază!
Undele radio sunt un caz special de unde electromagnetice - care se propagă dintr-o sursă de perturbații de câmp electric și magnetic. Ele sunt caracterizate de trei parametri principali: vectorul de undă, precum și vectorii de intensitate a câmpului electric și magnetic. Toate trei sunt reciproc perpendiculare unul pe celălalt. În acest caz, frecvența unei unde se numește de obicei numărul de oscilații repetate care se potrivesc într-o unitate de timp.
Toate acestea sunt fapte binecunoscute. Totuși, pentru a ajunge la final, suntem nevoiți să începem chiar de la început.
Pe scara convențională a intervalelor de frecvență ale radiațiilor electromagnetice, domeniul radio ocupă partea cea mai joasă (de frecvență joasă). Include unde electromagnetice cu o frecvență de oscilație de la 3 Hz la 3000 GHz. Toate celelalte benzi, inclusiv lumina vizibilă, au o frecvență mult mai mare.
Cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi transmisă undei radio, dar în același timp se îndoaie mai puțin bine în jurul obstacolelor și se atenuează mai repede. Este adevărat și contrariul. Luând în considerare aceste caracteristici, au fost selectate două intervale de frecvență principale pentru funcționarea Wi-Fi - 2,4 GHz (bandă de frecvență de la 2,4000 la 2,4835 GHz) și 5 GHz (benzi de frecvență 5,170-5,330, 5,490-5,730 și 5,735-5,835 GHz).
Undele radio se propagă în toate direcțiile și, pentru a preveni influențarea reciprocă a mesajelor din cauza efectului de interferență, banda de frecvență este de obicei împărțită în secțiuni înguste separate - canale cu unul sau altul . Diagrama de mai sus arată că canalele adiacente 1 și 2 cu o lățime de bandă de 20 MHz vor interfera între ele, dar 1 și 6 nu.
Semnalul din interiorul canalului este transmis folosind o undă radio la o anumită frecvență purtătoare. Pentru a transmite informații, parametrii de undă pot fi după frecvență, amplitudine sau fază.
Separarea canalelor în intervalele de frecvență Wi-Fi
Gama de frecvență de 2,4 GHz este împărțită în 14 canale parțial suprapuse, cu o lățime optimă de 20 MHz. Se credea cândva că acest lucru era suficient pentru a organiza o rețea wireless complexă. Curând a devenit clar că capacitatea gamei se epuiza rapid, așa că i s-a adăugat gama de 5 GHz, a cărei capacitate spectrală este mult mai mare. În acesta, pe lângă canalele de 20 MHz, este posibil să se aloce canale cu o lățime de 40 și 80 MHz.
Pentru a îmbunătăți și mai mult eficiența utilizării spectrului de frecvență radio, tehnologia de multiplexare a diviziunii de frecvență ortogonală este acum utilizată pe scară largă ().
Ea presupune utilizarea, împreună cu frecvența purtătoare, a mai multor frecvențe subpurtătoare în același canal, ceea ce face posibilă efectuarea transmisiei de date în paralel. OFDM vă permite să distribuiți traficul într-un mod „granular” destul de convenabil, dar, datorită vechimii sale venerabile, păstrează o serie de dezavantaje semnificative. Printre acestea se numără principiile de lucru folosind protocolul de rețea CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), conform căruia un singur utilizator poate lucra pe un operator și subcarrier la anumite momente.
Fluxuri spațiale
O modalitate importantă de a crește debitul rețelei fără fir este prin utilizarea fluxurilor spațiale.
Punctul de acces transportă mai multe module radio (unul, două sau mai multe), care sunt conectate la un anumit număr de antene. Aceste antene radiază după un anumit model și modulație, iar tu și cu mine primim informații transmise pe un mediu wireless. Fluxul spațial poate fi format între o antenă fizică specifică (modul radio) a punctului de acces și dispozitivul utilizatorului. Datorită acestui fapt, volumul total de informații transmis de la punctul de acces crește cu un multiplu al numărului de fluxuri (antene).
Conform standardelor actuale, în banda de 2,4 GHz pot fi implementate până la patru fluxuri spațiale și până la opt în banda de 5 GHz.
Anterior, când lucram în benzile de 2,4 și 5 GHz, ne-am concentrat doar pe numărul de module radio. Prezența unui al doilea modul radio a oferit o flexibilitate suplimentară, deoarece permitea vechilor dispozitive de abonat să funcționeze la o frecvență de 2,4 GHz, iar celor noi să funcționeze la o frecvență de 5 GHz. Odată cu apariția celui de-al treilea și al următoarelor module radio, au apărut unele probleme. Elementele radiante tind să interfereze între ele, ceea ce crește costul dispozitivului datorită necesității unui design mai bun și a dotării punctului de acces cu filtre de compensare. Prin urmare, abia recent a devenit posibilă suportarea simultană a 16 fluxuri spațiale per punct de acces.
Viteza practică și teoretică
Datorită mecanismelor de operare OFDM, nu am putut obține debitul maxim al rețelei. Calculele teoretice pentru implementarea practică a OFDM au fost efectuate cu mult timp în urmă și numai în relație cu medii ideale, unde se aștepta un raport semnal-zgomot (SNR) și o rată de eroare de biți (BER) destul de ridicate. În condițiile moderne de zgomot puternic în toate spectrurile de frecvență radio care ne interesează, debitul rețelelor bazate pe OFDM este deprimant de scăzut. Și protocolul a continuat să aibă aceste neajunsuri până de curând, până când tehnologia OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) a venit în ajutor. Despre ea - puțin mai departe.
Să vorbim despre antene
După cum știți, fiecare antenă are un câștig, în funcție de valoarea căreia se formează un model spațial de propagare a semnalului (beamforming) cu o anumită zonă de acoperire (nu ținem cont de reflecția semnalului etc.). Acesta este exact ceea ce designerii și-au bazat întotdeauna raționamentul pe unde ar trebui plasate exact punctele de acces. Multă vreme, forma modelului a rămas neschimbată și doar a crescut sau a scăzut proporțional cu caracteristicile antenei.
Elementele moderne de antenă devin din ce în ce mai controlabile și permit schimbări dinamice în modelul spațial de propagare a semnalului în timp real.
Figura din stânga de mai sus arată principiul propagării undelor radio folosind o antenă omnidirecțională standard. Prin creșterea puterii semnalului, am putea schimba doar raza de acoperire fără capacitatea de a influența semnificativ calitatea utilizării canalului - KQI (Key Quality Indicators). Și acest indicator este extrem de important atunci când se organizează comunicații în condiții de mișcare frecventă a dispozitivului de abonat într-un mediu wireless.
Soluția problemei a fost utilizarea unui număr mare de antene mici, a căror sarcină poate fi reglată în timp real, formând modele de propagare în funcție de poziția spațială a utilizatorului.
Astfel, a fost posibil să se apropie de utilizarea tehnologiei MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Cu ajutorul acestuia, punctul de acces generează în orice moment fluxuri de radiații direcționate în mod specific către dispozitivele abonaților.
De la fizică la standardele 802.11
Pe măsură ce standardele Wi-Fi au evoluat, principiile de lucru cu stratul fizic al rețelei s-au schimbat. Utilizarea altor mecanisme de modulare a făcut posibilă - începând cu versiunile de 802.11g/n - să se încadreze o cantitate mult mai mare de informații într-un interval de timp și, în consecință, să lucreze cu un număr mai mare de utilizatori. Printre altele, acest lucru a fost realizat prin utilizarea fluxurilor spațiale. Iar noua flexibilitate în ceea ce privește lățimea canalului a făcut posibilă generarea mai multor resurse pentru MIMO.
Aprobarea standardului Wi-Fi 7 este programată pentru anul viitor Ce se va schimba odată cu venirea acestuia? Pe lângă creșterea obișnuită a vitezei și adăugarea benzii de 6 GHz, va fi posibil să se lucreze cu canale largi agregate, cum ar fi 320 MHz. Acest lucru este deosebit de interesant în contextul aplicațiilor industriale.
Debit teoretic Wi-Fi 6
Formula teoretică de calcul a vitezei nominale a Wi-Fi 6 este destul de complexă și depinde de mulți parametri, începând cu numărul de fluxuri spațiale și terminând cu informațiile pe care le putem pune într-un subpurtător (sau subpurtători, dacă există mai mulți dintre ei) pe unitatea de timp.
După cum puteți vedea, multe depind de fluxurile spațiale. Dar înainte, o creștere a numărului lor în combinație cu utilizarea STC (Space-Time Coding) și MRC (Maximum Ratio Combining) a înrăutățit performanța soluției wireless în ansamblu.
Noi tehnologii cheie ale stratului fizic
Să trecem la tehnologiile cheie ale stratului fizic - și să începem cu primul strat al modelului de rețea OSI.
Să reamintim că OFDM utilizează un anumit număr de subpurtători, care, fără a se afecta reciproc, sunt capabili să transmită o anumită cantitate de informații.
În exemplu, folosim banda de 5,220 GHz, care conține 48 de subcanale. Prin agregarea acestui canal, obținem un număr mai mare de subpurtători, fiecare dintre acestea folosind propria sa schemă de modulație.
Wi-Fi 5 folosește modularea amplitudinii în cuadratura 256 QAM (Modularea amplitudinii în cuadratura), care vă permite să formați un câmp de 16 x 16 puncte în cadrul frecvenței purtătoare într-un singur interval de timp, care diferă în amplitudine și fază. Inconvenientul este că, în orice moment, doar o stație poate transmite pe frecvența purtătoare.
Multiplexarea prin diviziune de frecvență ortogonală (OFDMA) a venit din lumea operatorilor de telefonie mobilă, s-a răspândit simultan cu LTE și este folosită pentru organizarea unei legături în jos (canal de comunicare către abonat). Vă permite să lucrați cu canalul la nivelul așa-numitelor unități de resurse. Aceste unități ajută la descompunerea unui bloc într-un anumit număr de componente. În cadrul unui bloc, în fiecare moment nu putem lucra strict cu un element emitent (utilizator sau punct de acces), ci să combinăm zeci de elemente. Acest lucru vă permite să obțineți rezultate remarcabile.
Conectare ușoară a canalelor în Wi-Fi 6
Channel Bonding în Wi-Fi 6 vă permite să obțineți canale combinate cu o lățime de 20 până la 160 MHz. Mai mult decât atât, conexiunea nu trebuie făcută în zonele apropiate. De exemplu, un bloc poate fi luat din banda de 5,17 GHz, iar al doilea din banda de 5,135 GHz. Acest lucru vă permite să construiți în mod flexibil un mediu radio chiar și în prezența unor factori de interferență puternici sau în apropierea altor stații care emit constant.
De la SIMO la MIMO
Metoda MIMO nu a fost întotdeauna cu noi. Pe vremuri, comunicațiile mobile trebuiau limitate la modul SIMO, ceea ce presupunea prezența mai multor antene la stația de abonat, lucrând simultan la primirea informațiilor.
MU-MIMO este conceput pentru a transmite informații către utilizatori folosind întregul stoc de antene curent. Acest lucru elimină restricțiile impuse anterior de protocolul CSMA/CA asociate cu trimiterea de jetoane către dispozitivele abonaților pentru transmitere. Acum utilizatorii sunt uniți într-un grup și fiecare membru al grupului primește partea sa din resursa de antenă a punctului de acces, în loc să-și aștepte rândul.
Formarea fasciculului radio
O regulă importantă pentru funcționarea MU-MIMO este menținerea unui mod de funcționare a matricei de antene care să nu conducă la suprapunerea reciprocă a undelor radio și pierderea de informații din cauza adăugării fazelor.
Acest lucru necesită calcule matematice complexe din partea punctului de acces. Dacă terminalul acceptă această caracteristică, MU-MIMO îi permite să spună punctului de acces cât timp este nevoie pentru a primi un semnal la fiecare antenă specifică. Iar 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 numere din tabel indică scenariile curente pentru utilizarea Wi-Fi din generațiile anterioare. Cercurile albastre (vezi ilustrația de mai sus) descriu capacitățile Wi-Fi 6, iar cele gri sunt o chestiune de viitor apropiat.
Principalele beneficii pe care le aduc noile soluții activate OFDMA sunt legate de unitățile de resurse implementate la un nivel similar cu TDM (Time Division Multiplexing). Acest lucru nu a fost niciodată cazul cu Wi-Fi înainte. Acest lucru vă permite să controlați în mod clar lățimea de bandă alocată, asigurând un timp minim de tranzit al semnalului prin mediu și nivelul necesar de fiabilitate. Din fericire, nimeni nu se îndoiește că indicatorii de fiabilitate Wi-Fi trebuie îmbunătățiți.
Istoria se mișcă în spirală, iar situația actuală este similară cu cea care s-a dezvoltat în jurul Ethernetului la un moment dat. Chiar și atunci, s-a stabilit opinia că mediul de transmisie CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nu oferă niciun debit garantat. Și asta a continuat până la trecerea la IEEE 802.3z.
În ceea ce privește modelele generale de aplicații, după cum puteți vedea, cu fiecare generație de Wi-Fi, scenariile de utilizare ale acestuia se înmulțesc, din ce în ce mai sensibile la întârzieri, general si fiabilitate.
Și din nou despre mediul fizic
Ei bine, acum să vorbim despre modul în care se formează noul mediu fizic. Când se utilizează CSMA/CA și OFDM, o creștere a numărului de STA active a dus la o scădere serioasă a debitului canalului de 20 MHz. Acest lucru s-a datorat a ceea ce sa menționat deja: nu cele mai noi tehnologii STC (Space-Time Coding) și MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, prin utilizarea unităților de resurse, poate interacționa eficient cu stațiile la distanță lungă și cu putere redusă. Avem oportunitatea de a lucra în aceeași gamă de operatori cu utilizatorii care consumă cantități diferite de resurse. Un utilizator poate ocupa o unitate, iar alta - toate celelalte.
De ce nu a existat OFDMA înainte?
Și în sfârșit, întrebarea principală: de ce nu a existat înainte OFDMA? Destul de ciudat, totul s-a rezumat la bani.
Multă vreme s-a crezut că prețul unui modul Wi-Fi ar trebui să fie minim. Când protocolul a fost lansat în exploatare comercială în 1997, s-a decis că costul de producție al unui astfel de modul nu poate depăși 1 USD. Ca urmare, dezvoltarea tehnologiei a luat o cale suboptimă. Aici nu luăm în calcul operatorul LTE, unde OFDMA a fost folosit destul de mult timp.
În cele din urmă, grupul de lucru Wi-Fi a decis să preia aceste evoluții din lumea operatorilor de telecomunicații și să le aducă în lumea rețelelor de întreprindere. Sarcina principală a fost trecerea la utilizarea elementelor de calitate superioară, cum ar fi filtrele și oscilatorii.
De ce ne-a fost atât de dificil să lucrăm în vechile codificări MRC cu sau fără interferență? Deoarece mecanismul de formare a fasciculului MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) a crescut dramatic numărul de erori de îndată ce am încercat să combinăm un număr mare de puncte de transmisie. OFDMA a dovedit că problema poate fi rezolvată.
Lupta împotriva interferențelor se bazează acum pe matematică. Dacă fereastra de transmisie este suficient de lungă, interferența dinamică rezultată cauzează probleme. Noii algoritmi de operare fac posibilă evitarea acestora, eliminând influența nu numai a interferențelor asociate cu transmisia Wi-Fi, ci și a oricăror altele care apar în acest interval.
Datorită anti-interferenței adaptive, putem obține câștiguri de până la 11 dB chiar și în medii complexe eterogene. Utilizarea propriilor soluții algoritmice Huawei a făcut posibilă realizarea unei optimizări serioase exact acolo unde era nevoie - în soluțiile de interior. Ceea ce este bun în 5G nu este neapărat bun într-un mediu Wi-Fi 6 Abordările masive MIMO și MU-MIMO diferă în cazul soluțiilor pentru interior și exterior. Acolo unde este necesar, este oportun să folosiți soluții costisitoare, ca în 5G. Dar sunt necesare alte opțiuni, cum ar fi Wi-Fi 6, care poate oferi latența și alte valori pe care ne-am așteptat de la operatori.
Împrumutăm de la ei instrumentele care ne vor fi utile ca consumatori de întreprindere, toate într-un efort de a oferi un mediu fizic pe care să ne putem baza.
***
Apropo, nu uitați de numeroasele noastre webinarii despre noile produse Huawei în 2020, desfășurate nu numai în segmentul în limba rusă, ci și la nivel global. O listă a webinarilor pentru săptămânile următoare este disponibilă la .
Sursa: www.habr.com