Ce ne așteaptă în Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Recent, pe piață au fost lansate dispozitive care suportă tehnologia Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), despre care se discută mult. Dar puțini știu că deja se dezvoltă noua generație a tehnologiei Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Ce va reprezenta Wi-Fi 7, aflați în acest articol.

Povestea

În septembrie 2020, vom sărbători a 30-a aniversare a proiectului IEEE 802.11, care a avut un impact semnificativ asupra vieții noastre. În prezent, tehnologia Wi-Fi, definită de familia de standarde IEEE 802.11, este cea mai populară tehnologie wireless utilizată pentru conectarea la internet: Wi-Fi-ul transmite mai mult de jumătate din traficul utilizatorilor. În timp ce tehnologiile mobile se rebranding în fiecare deceniu, de exemplu, înlocuind denumirea 4G cu 5G, pentru utilizatorii Wi-Fi, creșterea vitezelor de transfer de date și implementarea de noi servicii și funcții se petrec practic neobservate. Doar câțiva clienți se îngrijorează cu privire la literele „n”, „ac” sau „ax” care urmează după „802.11” pe cutiile echipamentelor. Dar acest lucru nu înseamnă că Wi-Fi-ul nu evoluează.

Unul dintre dovezile evoluției Wi-Fi este creșterea bruscă a vitezelor nominale de transfer de date: de la 2 Mbit/s în versiunea din 1997 până la aproape 10 Gbit/s în cel mai recent standard 802.11ax, cunoscut și sub numele de Wi-Fi 6. Wi-Fi-ul modern atinge acest avans de performanță datorită unor structuri de semnal-code rapide, unor canale mai largi și utilizării tehnologiilor MIMO.

Pe lângă direcția principală a rețelelor locale wireless de mare viteză, evoluția Wi-Fi include mai multe proiecte de nișă. De exemplu, Wi-Fi HaLow (802.11ah) a fost o încercare de a aduce Wi-Fi pe piața internetului wireless al lucrurilor. Wi-Fi-ul cu bandă milimetrică (802.11ad/ay) suportă viteze nominale de transfer de date de până la 275 Gbit/s, dar pe distanțe foarte mici.

Noile aplicații și servicii legate de streaming video de înaltă rezoluție, realitate virtuală și augmentată, jocuri, birouri la distanță și calcul în cloud, precum și necesitatea de a susține un număr mare de utilizatori cu trafic intensiv în rețelele wireless necesită o performanță ridicată.

Obiectivele Wi-Fi 7

În mai 2019, subgrupul BE (TGbe) al grupului de lucru 802.11 al comitetului de standardizare pentru rețele locale și metropolitane a început lucrările la o nouă extensie a standardului Wi-Fi, care va crește lățimea de bandă nominală de peste 40 Gb/s pe un canal de frecvență „tipic” pentru Wi-Fi în banda de frecvențe <= 7 GHz. Deși în multe documente se menționează „lățimea de bandă maximă de cel puțin 30 Gb/s”, noul protocol de nivel fizic va asigura o viteză nominală de peste 40 Gb/s.

Un alt aspect important al dezvoltării Wi-Fi 7 este sprijinul pentru aplicații în timp real (jocuri, realitate virtuală și augmentată, controlul roboților). Este remarcabil că, deși Wi-Fi gestionează în mod special traficul audio și video, s-a considerat mult timp că asigurarea unui nivel standard de întârzieri garantat reduse (câteva milisecunde), cunoscută și sub denumirea de rețea sensibilă la timp, în rețelele Wi-Fi este practic imposibilă. În noiembrie 2017, echipa noastră de la IPPI RAN și NIU HSE (nu considerați asta publicitate) a făcut o propunere relevantă în cadrul grupului IEEE 802.11. Propoziția a stârnit un interes considerabil, iar în iulie 2018 a fost lansat un subgrup special pentru a studia mai departe această problemă. Deoarece aplicațiile în timp real necesită atât viteze de transfer nominale ridicate, cât și extinderea funcționalităților la nivel de canal, grupul de lucru 802.11 a decis să dezvolte metode de suport pentru aplicații în timp real în cadrul Wi-Fi 7.

O problemă importantă legată de Wi-Fi 7 este conviețuirea sa cu tehnologiile de rețea mobilă (4G/5G) dezvoltate de 3GPP și care operează pe aceleași benzi de frecvență neautorizate. Este vorba despre LTE-LAA/NR-U. Pentru a studia problemele legate de conviețuirea între Wi-Fi și rețelele mobile, IEEE 802.11 a lansat Comitetul Permanent de Conviețuire (Coex SC). În ciuda numeroaselor întâlniri și chiar a unui seminar comun între participanții 3GPP și IEEE 802.11 în iulie 2019 la Viena, soluțiile tehnice nu au fost încă aprobate. O posibilă explicație pentru această activitate sterilă este că atât IEEE 802, cât și 3GPP nu doresc să își schimbe propriile tehnologii pentru a le alinia unele la altele. Astfel, până în prezent nu este clar dacă discuțiile din cadrul Coex SC vor avea un impact asupra standardului Wi-Fi 7.

Procesul de dezvoltare

Deși procesul de dezvoltare a Wi-Fi 7 se află în stadiul incipient, până acum au fost propuse aproximativ 500 de sugestii pentru noi funcționalități ale viitorului Wi-Fi 7, cunoscut și sub numele de IEEE 802.11be. Majoritatea ideilor sunt încă în discuție în subgrupa be și nu s-a luat încă o decizie asupra acestora. Alte idei au fost aprobate recent. Mai jos se va specifica clar care sugestii sunt aprobate și care sunt doar în discuție.

Inițial, s-a planificat ca dezvoltarea mecanismelor noi principale să se finalizeze până în martie 2021. Varianta finală a standardului este așteptată la începutul anului 2024. În ianuarie 2020, în subgrupa 11be, s-a exprimat preocuparea dacă dezvoltarea va respecta graficul având în vedere ritmul actual de lucru. Pentru a accelera procesul de dezvoltare a standardului, subgrupa a convenit să aleagă un set mic de funcții prioritare înalte care să fie lansate până în 2021 (Release 1), iar restul să fie lăsat pentru Release 2. Funcțiile prioritare înalte trebuie să asigure o creștere semnificativă a performanței și includ suport pentru 320 MHz, 4K-QAM, îmbunătățiri evidente ale OFDMA de la Wi-Fi 6, MU-MIMO cu 16 fluxuri.

Din cauza coronavirusului, grupul nu se întâlnește fizic în prezent, dar organizează regulat teleconferințe. Astfel, dezvoltarea s-a încetinit puțin, dar nu s-a oprit.

Detalii despre tehnologie

Să analizăm principalele noutăți ale Wi-Fi 7.

1. Noul protocol la nivel fizic este o continuare a protocolului Wi-Fi 6 cu o dublare a lățimii benzii până la 320 MHz, o dublare a numărului de fluxuri spațiale MU-MIMO, ceea ce crește capacitatea nominală de 2×2 = 4 ori. Wi-Fi 7 va începe de asemenea să utilizeze modularea 4K-QAM, ceea ce adaugă încă 20% la capacitatea nominală de transmisie. Astfel, Wi-Fi 7 va oferi o viteză nominală de transfer de 2x2x1,2 = de 4,8 ori mai mare comparativ cu Wi-Fi 6: capacitatea nominală maximă a Wi-Fi 7 este de 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbps. În plus, va fi realizată o schimbare revoluționară în protocolul la nivel fizic, legată de asigurarea compatibilității cu versiunile viitoare de Wi-Fi, dar aceasta va rămâne invizibilă pentru utilizatori.
2. Schimbarea metodei de acces la canal pentru suportul aplicațiilor în timp real va fi realizat având în vedere experiența IEEE 802 TSN pentru rețelele pe cablu. Discuțiile continue în comitetul de standardizare se concentrează pe procedura de întârzieri aleatorii la accesul în canal, categoriile de servicii pentru trafic și, prin urmare, cozile separate pentru traficul în timp real, precum și politicile de gestionare a pachetelor.
3. Introducerea în Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metoda de acces în canal prin divizarea timpului și frecvenței (similară cu cea utilizată în rețelele 4G și 5G) – oferă noi oportunități pentru o distribuție optimă a resurselor. Cu toate acestea, în 11ax, OFDMA nu este suficient de flexibil. În primul rând, permite punctului de acces să aloce pentru un dispozitiv client doar un bloc de resurse cu dimensiune fixă. În al doilea rând, nu suportă transmiterea directă între stațiile client. Ambele dezavantaje reduc eficiența spectrală. În plus, inflexibilitatea moștenită de la OFDMA Wi-Fi 6 afectează performanța în rețelele dense și crește latenta, ceea ce este critic pentru aplicațiile în timp real. 11be va rezolva aceste probleme legate de OFDMA.
4. Una dintre modificările revoluționare aprobate pentru Wi-Fi 7 este suportul încorporat pentru utilizarea simultană a mai multor conexiuni paralele pe frecvențe diferite, care este extrem de util atât pentru viteze foarte mari de transfer de date, cât și pentru o latență extrem de scăzută. Deși chip-urile moderne pot utiliza deja simultan mai multe conexiuni, de exemplu, în benzile de 2.4 și 5 GHz, aceste conexiuni sunt independente, limitând astfel eficiența acestei operațiuni. În 11be va fi găsit un nivel de sincronizare între canale care va permite utilizarea eficientă a resurselor canalului, generând modificări semnificative în regulile de protocol pentru accesul la canal.
5. Utilizarea canalelor foarte largi și a unui număr mare de fluxuri spațiale duce la o problemă de overhead ridicat, legată de procedura de evaluare a stării canalului, necesară pentru MIMO și OFDMA. Aceste cheltuieli anulează orice câștig din creșterea vitezelor nominale de transfer de date. Se așteaptă ca procedura de evaluare a stării canalului să fie revizuită..
6. În contextul Wi-Fi 7, comitetul de standardizare discută utilizarea unor metode de transmitere a datelor "avansate". Teoretic, aceste metode îmbunătățesc eficiența spectrală în cazul unor retransmiteri, dar și în cazul transmisiilor simultane în aceeași direcție sau în direcții opuse. Este vorba despre cererea automată de retransmisie hibridă (HARQ), folosită acum în rețelele celulare, despre modul full-duplex și despre accesul multiplu non-ortogonal (NOMA). Aceste metode sunt bine studiate în literatură din punct de vedere teoretic, însă nu este clar dacă câștigul de performanță pe care îl aduc va justifica eforturile necesare implementării lor.
   • Utilizare HARQ este complicată de următoarea problemă. În Wi-Fi, pentru a reduce suprapunerea, pachetele sunt lipite. În versiunile actuale de Wi-Fi, livrarea fiecărui pachet dintr-un pachet lipit este confirmată, iar dacă confirmarea nu sosește, pachetul este retransmis prin metodele protocolului de acces la canal. HARQ mută retransmiterile de la nivelul canalului la nivelul fizic, unde nu mai există pachete, ci cuvinte codificate, iar limitele cuvintelor codificate nu coincid cu limitele pachetelor. Această desincronizare complică implementarea HARQ în Wi-Fi.
   • În ceea ce privește Full-Duplex, în prezent, în rețelele celulare și în rețelele Wi-Fi nu este posibil să se transmită simultan date atât către punctul de acces (stația de bază), cât și de la acesta în aceeași canal de frecvență. Din punct de vedere tehnic, acest lucru se datorează diferenței mari dintre puterea semnalului transmis și cea a semnalului recepționat. Deși există prototipuri care combină scăderea digitală și analogică a semnalului transmis din cel recepționat, capabile să obțină semnal Wi-Fi în timpul transmiterii lor, câștigul pe care îl pot oferi în practică poate fi neglijabil din cauza faptului că la un moment dat fluxul descendent nu este egal cu cel ascendent (în medie, "în firul hospitalar", fluxul descendent este semnificativ mai mare). Această transmitere bidirecțională va complica semnificativ protocolul.
   • Dacă pentru a transmite mai multe fluxuri folosind MIMO este necesar să avem mai multe antene pentru emițător și receptor, atunci în cazul accesului neortogonal, punctul de acces poate transmite simultan date către doi receptori cu o singură antenă. Diferitele variante de acces neortogonal sunt incluse în ultimele specificații 5G. Prototip NOMA Wi-Fi a fost creat pentru prima dată în 2018 la IPPI RAS (să nu fie considerat o autopromovare). A demonstrat o creștere a performanței de 30-40%. Avantajele tehnologiei dezvoltate sunt compatibilitatea sa înapoi: unul dintre cei doi receptori poate fi un dispozitiv învechit care nu suportă Wi-Fi 7. În general, problema compatibilității inverse este foarte importantă, deoarece în rețeaua Wi-Fi pot funcționa simultan dispozitive de diferite generații. În prezent, mai multe echipe din întreaga lume analizează eficiența utilizării comune a NOMA și MU-MIMO, rezultatele cărora vor determina viitorul acestui abordări. Continuăm, de asemenea, să lucrăm la prototip: următoarea versiune va fi prezentată la conferința IEEE INFOCOM în iulie 2020.
7. În final, o altă inovație importantă, dar cu un destin neclar, este colaborarea coordonată a punctelor de acces. Deși mulți furnizori au controlere centralizate pentru rețelele Wi-Fi de tip enterprise, capacitățile acestor controlere au fost, în general, limitate la configurarea parametrilor pe termen lung și alegerea canalului. Comitetul de standardizare discută despre o colaborare mai strânsă între punctele de acces adiacente, care include planificarea coordonată a transmisiilor, beamforming (transmisia direcționată a semnalului) și chiar sisteme MIMO distribuite. Unele dintre abordările discutate utilizează suprimarea secvențială a interferențelor (aproape aceeași idee cu NOMA). Deși abordările pentru coordonarea 11be nu sunt încă dezvoltate, nu există nicio îndoială că standardul va permite punctelor de acces de la diferiți producători să coordoneze programul transmisiilor pentru a reduce interferența reciprocă. În ceea ce privește alte abordări mai complexe (de exemplu, MU-MIMO distribuit), implementarea lor în standard va fi mai dificilă, deși anumiți membri ai grupului sunt hotărâți să facă acest lucru în cadrul Release 2. Indiferent de rezultat, soarta metodelor de coordonare a punctelor de acces rămâne neclară. Chiar și incluse în standard, ele ar putea să nu ajungă pe piață. O situație similară a avut loc și în trecut, când s-au făcut încercări de a reglementa transmisiile Wi-Fi cu soluții precum HCCA (11e) și HCCA TXOP Negotiation (11be).

Rezumând, se pare că majoritatea propunerilor legate de primele cinci grupuri vor face parte din Wi-Fi 7, în timp ce propunerile legate de ultimele două grupuri necesită cercetări suplimentare semnificative pentru a-și dovedi eficiența.

Mai multe detalii tehnice

Detalii tehnice despre Wi-Fi 7 pot fi citite aici (în limba engleză)

Sursa: habr.com