Najnovšie sa na trh dostávajú zariadenia podporujúce technológiu Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o ktorej sa veľa hovorí. Málokto však vie, že vývoj novej generácie Wi-Fi technológie už prebieha – Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Ako bude Wi-Fi 7 vyzerať, zistíte v tomto článku.
pravek
V septembri 2020 oslávime 30. výročie projektu IEEE 802.11, ktorý výrazne ovplyvnil naše životy. V súčasnosti je technológia Wi-Fi, definovaná rodinou štandardov IEEE 802.11, najobľúbenejšou bezdrôtovou technológiou používanou na pripojenie k internetu, pričom Wi-Fi prenáša viac ako polovicu používateľskej prevádzky. Zatiaľ čo bunková technológia sa mení každé desaťročie, ako je napríklad nahradenie názvu 4G za 5G, pre používateľov Wi-Fi dochádza k zlepšeniu rýchlosti dát, ako aj k zavádzaniu nových služieb a nových funkcií takmer bez povšimnutia. Len málo zákazníkov sa zaujíma o písmená „n“, „ac“ alebo „ax“, ktoré nasledujú po „802.11“ na krabiciach s vybavením. To však neznamená, že Wi-Fi sa nevyvíja.
Jedným z dôkazov evolúcie Wi-Fi je dramatický nárast menovitých dátových rýchlostí: z 2 Mbps vo verzii z roku 1997 na takmer 10 Gbps v najnovšom štandarde 802.11ax, známom aj ako Wi-Fi 6. Moderné Wi-Fi dosahuje napr. zvýšenie výkonu vďaka rýchlejšiemu návrhu signálu a kódu, širším kanálom a použitiu technológie .
Okrem hlavného prúdu vysokorýchlostných bezdrôtových lokálnych sietí zahŕňa vývoj Wi-Fi niekoľko špecializovaných projektov. Napríklad Wi-Fi HaLow (802.11ah) bol pokus priniesť Wi-Fi na trh bezdrôtového internetu vecí. Wi-Fi s milimetrovými vlnami (802.11ad/ay) podporuje nominálne prenosové rýchlosti až 275 Gbps, aj keď na veľmi krátke vzdialenosti.
Nové aplikácie a služby súvisiace so streamovaním videa vo vysokom rozlíšení, virtuálnou a rozšírenou realitou, hraním hier, vzdialenou kanceláriou a cloud computingom, ako aj potrebou podporovať veľké množstvo používateľov s intenzívnou prevádzkou v bezdrôtových sieťach, vyžadujú vysoký výkon.
Wi-Fi 7 cieľov
V máji 2019 začala podskupina BE (TGbe) pracovnej skupiny 802.11 Výboru pre štandardy miestnych a metropolitných sietí pracovať na novom prírastku do štandardu Wi-Fi, ktorý sa zvýši nominálna priepustnosť až viac ako 40 Gbit/s v jednom frekvenčnom kanáli „typického“ rozsahu Wi-Fi <= 7 GHz. Hoci mnohé dokumenty uvádzajú „maximálnu priepustnosť aspoň 30 Gbps“, nový protokol fyzickej vrstvy poskytne nominálne rýchlosti presahujúce 40 Gbps.
Ďalším dôležitým smerom vývoja pre Wi-Fi 7 je podpora aplikácií v reálnom čase (hry, virtuálna a rozšírená realita, ovládanie robotov). Je pozoruhodné, že aj keď Wi-Fi spracováva audio a video prenos zvláštnym spôsobom, dlho sa verilo, že poskytovanie štandardne garantovanej nízkej latencie (milisekundy), známej aj ako Time-Sensitive Networking, v sieťach Wi-Fi je zásadne dôležité. nemožné. V novembri 2017 náš tím z IITP RAS a National Research University Higher School of Economics (neberte to ako PR) predložil zodpovedajúci návrh v skupine IEEE 802.11. Návrh vyvolal veľký záujem a v júli 2018 bola spustená špeciálna podskupina, ktorá sa touto problematikou ďalej zaoberala. Pretože podpora aplikácií v reálnom čase vyžaduje vysoké nominálne prenosové rýchlosti a vylepšenú funkčnosť spojovacej vrstvy, pracovná skupina 802.11 sa rozhodla vyvinúť metódy na podporu aplikácií v reálnom čase v rámci Wi-Fi 7.
Dôležitým problémom s Wi-Fi 7 je jej koexistencia s technológiami mobilných sietí (4G/5G), ktoré vyvíja 3GPP a fungujú v rovnakých nelicencovaných frekvenčných pásmach. Hovoríme o LTE-LAA/NR-U. Na štúdium problémov spojených s koexistenciou Wi-Fi a celulárnych sietí spustil IEEE 802.11 Koexistujúci stály výbor (Coex SC). Napriek početným stretnutiam a dokonca aj spoločnému workshopu účastníkov 3GPP a IEEE 802.11 v júli 2019 vo Viedni, technické riešenia ešte neboli schválené. Možným vysvetlením tejto nezmyselnosti je, že IEEE 802 aj 3GPP sa zdráhajú meniť svoje vlastné technológie, aby vyhovovali tej druhej. teda V súčasnosti nie je jasné, či diskusie Coex SC ovplyvnia štandard Wi-Fi 7.
Vývojový proces
Hoci je proces vývoja Wi-Fi 7 vo veľmi ranom štádiu, k dnešnému dňu existuje takmer 500 návrhov na nové funkcie pre nadchádzajúcu Wi-Fi 7, tiež známu ako IEEE 802.11be. O väčšine nápadov sa práve diskutuje v podskupine be a ešte o nich nepadlo rozhodnutie. Ďalšie nápady boli nedávno schválené. Nižšie bude jasne uvedené, ktoré návrhy sú schválené a o ktorých sa len diskutuje.
Pôvodne sa plánovalo, že vývoj hlavných nových mechanizmov bude dokončený do marca 2021. Konečná verzia štandardu sa očakáva začiatkom roku 2024. V januári 2020 11be vyjadril obavy, či vývoj zostane podľa plánu pri súčasnom tempe práce. Aby sa urýchlil štandardný vývojový proces, podskupina súhlasila s výberom malého súboru funkcií s vysokou prioritou, ktoré by mohli byť vydané do roku 2021 (vydanie 1), a zvyšok ponechá na vydanie 2. Funkcie s vysokou prioritou by mali poskytnúť hlavné zvýšenie výkonu a zahŕňajú podporu pre 320 MHz, 4K-QAM, zrejmé vylepšenia OFDMA z Wi-Fi 6, MU-MIMO so 16 tokmi.
Kvôli koronavírusu sa momentálne skupina osobne nestretáva, ale pravidelne organizuje telekonferencie. Vývoj sa teda o niečo spomalil, no nezastavil.
Detaily technológie
Pozrime sa na hlavné inovácie Wi-Fi 7.
- Nový protokol fyzickej vrstvy je vývojom protokolu Wi-Fi 6 s dvojnásobným nárastom šírka pásma až 320 MHz, dvojnásobný počet priestorových tokov MU-MIMO, čo zvyšuje nominálny výkon 2×2 = 4-krát. Wi-Fi 7 tiež začína využívať moduláciu 4K-QAM, čo k nominálnej priepustnosti pridáva ďalších 20 %. Preto Wi-Fi 7 poskytne 2x2x1,2 = 4,8-násobok menovitého prenosu dát ako Wi-Fi 6: Maximálna menovitá priepustnosť Wi-Fi 7 je 9,6 Gbps x 4,8 = 46 Gbit/s. Okrem toho dôjde k revolučnej zmene protokolu fyzickej vrstvy, ktorá zabezpečí kompatibilitu s budúcimi verziami Wi-Fi, no pre používateľov zostane neviditeľná.
- Zmena spôsobu prístupu ku kanálu pre podpora aplikácií v reálnom čase sa uskutoční s prihliadnutím na skúsenosti IEEE 802 TSN pre káblové siete. Prebiehajúce diskusie vo výbore pre štandardy sa týkajú procedúry náhodného stiahnutia pre prístup ku kanálu, kategórií prevádzkových služieb a teda oddelených radov pre prevádzku v reálnom čase a politík paketových služieb.
- Zavedené vo Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDM – metóda prístupu ku kanálu s časovým a frekvenčným delením (podobná tej, ktorá sa používa v sieťach 4G a 5G) – poskytuje nové príležitosti na optimálne prideľovanie zdrojov. V 11ax však OFDMA nie je dostatočne flexibilná. Po prvé, umožňuje prístupovému bodu prideliť klientskemu zariadeniu iba jeden zdrojový blok vopred určenej veľkosti. Po druhé, nepodporuje priamy prenos medzi klientskymi stanicami. Obe nevýhody znižujú spektrálnu účinnosť. Okrem toho nedostatočná flexibilita staršej Wi-Fi 6 OFDMA znižuje výkon v hustých sieťach a zvyšuje latenciu, ktorá je kritická pre aplikácie v reálnom čase. 11be vyrieši tieto problémy OFDMA.
- Jednou z potvrdených revolučných zmien Wi-Fi 7 je natívna podpora súčasné použitie niekoľkých paralelných spojení na rôznych frekvenciách, čo je veľmi užitočné pre obrovské prenosové rýchlosti a extrémne nízku latenciu. Hoci moderné čipsety už dokážu využívať viacero spojení súčasne, napríklad v pásmach 2.4 a 5 GHz sú tieto spojenia nezávislé, čo obmedzuje efektivitu takejto operácie. Na obrázku 11be sa nájde úroveň synchronizácie medzi kanálmi, ktorá umožňuje efektívne využitie kanálových zdrojov a bude mať za následok významné zmeny v pravidlách protokolu prístupu ku kanálu.
- Použitie veľmi širokých kanálov a veľkého počtu priestorových tokov vedie k problému vysokej réžie spojenej s procedúrou odhadu stavu kanála vyžadovanou pre MIMO a OFDMA. Táto réžia ruší akékoľvek zisky zo zvyšujúcich sa nominálnych dátových rýchlostí. Očakávalo sa to bude revidovaný postup hodnotenia stavu kanála.
- V súvislosti s Wi-Fi 7 výbor pre štandardy diskutuje o použití niektorých „pokročilých“ metód prenosu dát. Teoreticky tieto metódy zlepšujú spektrálnu účinnosť v prípade opakovaných pokusov o prenos, ako aj súčasných prenosov v rovnakých alebo opačných smeroch. Tieto zahŕňajú hybridnú automatickú požiadavku na opakovanie (HARQ), ktorá sa v súčasnosti používa v mobilných sieťach, plne duplexný režim a neortogonálny viacnásobný prístup (NOMA). Tieto techniky boli teoreticky dobre študované v literatúre, ale zatiaľ nie je jasné, či zvýšenie produktivity, ktoré poskytujú, bude stáť za námahu pri ich implementácii.
- Použitie HARQ komplikované nasledujúcim problémom. Vo Wi-Fi sú pakety zlepené, aby sa znížila réžia. V súčasných verziách Wi-Fi je doručenie každého paketu vo vnútri zlepeného potvrdené a ak potvrdenie nepríde, prenos paketu sa zopakuje pomocou metód kanálového prístupového protokolu. HARQ presúva pokusy z dátového spojenia do fyzickej vrstvy, kde už nie sú žiadne pakety, ale iba kódové slová a hranice kódových slov sa nezhodujú s hranicami paketov. Táto desynchronizácia komplikuje implementáciu HARQ vo Wi-Fi.
- Pokiaľ ide o Plne duplexný, potom v súčasnosti ani v mobilných sieťach, ani v sieťach Wi-Fi nie je možné súčasne prenášať dáta v rovnakom frekvenčnom kanáli do az prístupového bodu (základnej stanice). Z technického hľadiska je to spôsobené veľkým rozdielom vo výkone vysielaného a prijímaného signálu. Aj keď existujú prototypy, ktoré kombinujú digitálne a analógové odčítanie prenášaného signálu od prijímaného signálu, schopné prijímať signál Wi-Fi počas jeho prenosu, zisk, ktorý môžu poskytnúť v praxi, môže byť zanedbateľný vzhľadom na skutočnosť, že v akomkoľvek danom čase dolný sa nerovná vzostupnému (v priemere „v nemocnici“ je zostupný výrazne väčší). Navyše takýto obojsmerný prenos značne skomplikuje protokol.
- Zatiaľ čo prenos viacerých tokov pomocou MIMO vyžaduje viacero antén pre odosielateľa a príjemcu, s neortogonálnym prístupom môže prístupový bod súčasne prenášať dáta dvom príjemcom z jednej antény. V najnovších špecifikáciách 5G sú zahrnuté rôzne možnosti neortogonálneho prístupu. Prototyp NIE ALE Wi-Fi bola prvýkrát vytvorená v roku 2018 na IITP RAS (opäť to nepovažujte za PR). Preukázalo sa zvýšenie výkonu o 30-40%. Výhodou vyvinutej technológie je jej spätná kompatibilita: jedným z dvoch príjemcov môže byť zastarané zariadenie, ktoré nepodporuje Wi-Fi 7. Vo všeobecnosti je problém spätnej kompatibility veľmi dôležitý, keďže zariadenia rôznych generácií môžu súčasne fungovať v sieti Wi-Fi. V súčasnosti niekoľko tímov po celom svete analyzuje účinnosť kombinovaného použitia NOMA a MU-MIMO, ktorých výsledky určia budúci osud tohto prístupu. Pokračujeme aj v práci na prototype: jeho ďalšia verzia bude predstavená na konferencii IEEE INFOCOM v júli 2020.
- Napokon ďalšia dôležitá inovácia, no s nejasným osudom, je koordinovaná prevádzka prístupových bodov. Hoci mnohí predajcovia majú svoje vlastné centralizované ovládače pre podnikové siete Wi-Fi, možnosti takýchto ovládačov sú vo všeobecnosti obmedzené na dlhodobú konfiguráciu parametrov a výber kanálov. Výbor pre štandardy diskutuje o užšej spolupráci medzi susednými prístupovými bodmi, ktorá zahŕňa koordinované plánovanie prenosu, vytváranie lúčov a dokonca distribuované systémy MIMO. Niektoré z uvažovaných prístupov využívajú sekvenčné rušenie rušenia (približne rovnaké ako v NOMA). Hoci prístupy pre koordináciu 11be ešte neboli vyvinuté, nie je pochýb o tom, že štandard umožní prístupovým bodom od rôznych výrobcov navzájom koordinovať prenosové plány, aby sa znížilo vzájomné rušenie. Iné, zložitejšie prístupy (ako napríklad distribuované MU-MIMO) bude ťažšie implementovať do štandardu, hoci niektorí členovia skupiny sú odhodlaní tak urobiť v rámci Release 2. Bez ohľadu na výsledok, osud metód koordinácie prístupových bodov je nejasné. Aj keď sú zahrnuté v štandarde, nemusia sa dostať na trh. Podobná vec sa už predtým stala pri pokuse vniesť poriadok do Wi-Fi prenosov pomocou riešení ako HCCA (11e) a HCCA TXOP Negotiation (11be).
Stručne povedané, zdá sa, že väčšina návrhov spojených s prvými piatimi skupinami sa stane súčasťou Wi-Fi 7, zatiaľ čo návrhy spojené s poslednými dvoma skupinami vyžadujú významný dodatočný výskum na preukázanie ich účinnosti.
Viac technických detailov
Technické podrobnosti o Wi-Fi 7 si môžete prečítať (на английскийз языке)
Zdroj: hab.com