🥇Čo nás čaká v Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Na trh nedávno prišli zariadenia podporujúce technológiu Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), o ktorej sa veľa hovorí. Ale málokto vie, že už teraz sa vyvíja nová generácia technológie Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). O tom, čo bude Wi-Fi 7 predstavovať, sa dočítate v tomto článku.

Pozadie

V septembri 2020 si pripomenieme 30. výročie projektu IEEE 802.11, ktorý mal zásadný dopad na náš život. V súčasnosti technológia Wi-Fi, definovaná rodinou štandardov IEEE 802.11, predstavuje najpopulárnejšiu bezdrôtovú technológiu používanú na pripojenie k internetu: Wi-Fi prenáša viac ako polovicu používateľského prenosu. Kým mobilné technológie sa každé desaťročie prebrandingujú, napríklad nahradením názvu 4G za 5G, pre používateľov Wi-Fi zvýšenie rýchlosti prenosu dát a zavádzanie nových služieb a funkcií prebieha takmer nepozorovane. Iba málo zákazníkov sa zaoberá písmenami „n“, „ac“ alebo „ax“, ktoré nasledujú po „802.11“ na obaloch zariadení. No to neznamená, že Wi-Fi sa nevyvíja.

Jedným z dôkazov vývoja Wi-Fi je prudký nárast nominálnych rýchlostí prenosu dát: od 2 Mbit/s v verzii z roku 1997 až po takmer 10 Gbit/s v najnovšom štandarde 802.11ax, známom aj ako Wi-Fi 6. Moderné Wi-Fi dosahuje tento nárast výkonu vďaka rýchlejším signálom, širším kanálom a využitiu technológií MIMO.

Okrem hlavného zamerania na vysokorýchlostné bezdrôtové lokálne siete, evolúcia Wi-Fi zahŕňa niekoľko špecializovaných projektov. Napríklad Wi-Fi HaLow (802.11ah) sa stal pokusom preniknúť s Wi-Fi na trh bezdrôtového internetu vecí. Wi-Fi v milimetrovom pásme (802.11ad/ay) podporuje nominálne rýchlosti prenosu dát až do 275 Gbit/s, ale na veľmi krátke vzdialenosti.

Nové aplikácie a služby súvisiace s vysokým rozlíšením streamovania videa, virtuálnou a rozšírenou realitou, hraním hier, prácou na diaľku a cloudovým počítačom, ako aj nevyhnutnosťou podpory veľkého počtu používateľov s intenzívnym prenosom v bezdrôtových sieťach vyžadujú vysoký výkon.

Ciele Wi-Fi 7

V máji 2019 skupina BE (TGbe) pracovnej skupiny 802.11 výboru pre štandardizáciu lokálnych a mestských sietí začala prácu na novom dodatku k štandardu Wi-Fi, ktorý zvýši menovú priepustnosť na viac ako 40 Gbit/s v jednom frekvenčnom kanáli typickom pre Wi-Fi v pásme <= 7 GHz. Hoci v mnohých dokumentoch sa uvádza "maximálna priepustnosť minimálne 30 Gbit/s", nový protokol fyzickej vrstvy poskytne menovú rýchlosť nad 40 Gbit/s.

Ďalším dôležitým smerom vývoja Wi-Fi 7 je podpora aplikácií v reálnom čase (hry, virtuálna a rozšírená realita, riadenie robotov). Zaujímavé je, že hoci Wi-Fi špeciálne spracováva audio- a video prenos, dlhý čas sa považovalo, že zabezpečenie z pohľadu štandardu garantovanej nízkej latencie (jednotky milisekúnd), známej aj ako Time-Sensitive Networking, v sieťach Wi-Fi je principiálne nemožné. V novembri 2017 náš tím z IPPI RAN a NIU HSE (neberte to ako reklamu) predložil príslušný návrh v skupine IEEE 802.11. Návrh vyvolal veľký záujem a v júli 2018 bola spustená špeciálna podskupina na ďalšie preskúmanie tejto otázky. Keďže na podporu aplikácií v reálnom čase sú potrebné vysoké menové rýchlosti prenosu dát, ako aj rozšírenie funkčnosti kanálovej úrovne, pracovná skupina 802.11 sa rozhodla vyvinúť metódy na podporu aplikácií v reálnom čase v rámci Wi-Fi 7.

Dôležitou otázkou týkajúcou sa Wi-Fi 7 je jeho koexistencia s technológiami mobilných sietí (4G/5G), ktoré vyvíja 3GPP a ktoré fungujú v rovnakých nelicencovaných pásmach frekvencií. Ide o LTE-LAA/NR-U. Na preskúmanie problémov súvisiacich s koexistenciou Wi-Fi a mobilných sietí, IEEE 802.11 spustila Coexisting Standing Committee (Coex SC). Napriek mnohým stretnutiam a dokonca spoločnému semináru účastníkov 3GPP a IEEE 802.11 v júli 2019 vo Viedni, technické riešenia ešte neboli schválené. Možné vysvetlenie tejto neplodnej činnosti spočíva v tom, že ani IEEE 802, ani 3GPP nechcú meniť svoje vlastné technológie, aby ich prispôsobili iným. Takto, v súčasnosti nie je jasné, či diskusie v rámci Coex SC ovplyvnia štandard Wi-Fi 7.

Proces vývoja

Hoci sa proces vývoja Wi-Fi 7 nachádza v počiatočnej fáze, doteraz bolo predložených okolo 500 návrhov na nové funkcie pre budúci Wi-Fi 7, známy ako IEEE 802.11be. Väčšina týchto myšlienok sa iba diskutuje v podskupine be a rozhodnutie o nich ešte nebolo prijaté. Iné návrhy boli nedávno schválené. Nižšie bude jasne uvedené, ktoré návrhy sú schválené a ktoré sú iba v diskusiách.

Pôvodne sa plánovalo, že vývoj hlavných nových mechanizmov bude dokončený do marca 2021. Konečná verzia štandardu sa očakáva na začiatku roku 2024. V januári 2020 vyjadrila podskupina 11be obavy, či bude vývoj vyhovovať časovému plánu pri súčasnom tempe práce. Aby sa proces vývoja štandardu urýchlil, podskupina sa rozhodla zvoliť malú sadu vysoko prioritných funkcií, ktoré môžu byť vydané do roku 2021 (Release 1), a ostatné ponechať na Release 2. Vysoko prioritné funkcie by mali zabezpečiť základný nárast výkonu a zahŕňajú podporu 320 MHz, 4K-QAM, zjavné vylepšenia OFDMA z Wi-Fi 6 a MU-MIMO s 16 prúdmi.

Z dôvodu koronavírusu sa skupina momentálne osobne nezbierajú, ale pravidelne uskutočňuje telekonferencie. Takže sa vývoj mierne spomalil, ale nezastavil.

Detaily technológie

Pozrime sa na hlavné novinky Wi-Fi 7.

Nový protokol fyzickej vrstvy je rozšírením protokolu Wi-Fi 6 s dvojnásobným zvýšením šírky pásma na 320 MHz, dvojnásobným zvýšením počtu priestorových prúdov MU-MIMO, čo zvyšuje nominálnu priepustnosť o 2×2 = 4-krát. Wi-Fi 7 tiež začína používať moduláciu 4K-QAM, čo pridáva ďalších 20 % k nominálnej priepustnosti. Takže Wi-Fi 7 bude poskytovať nominálnu rýchlosť prenosu dát 2x2x1,2 = 4,8-krát vyššiu v porovnaní s Wi-Fi 6: maximálna nominálna priepustnosť Wi-Fi 7 je 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Okrem toho dojde k revolučnej zmene v protokole fyzickej vrstvy, ktorá bude zabezpečovať kompatibilitu s budúcimi verziami Wi-Fi, ale ostane nepozorovateľná pre používateľov.
Zmena metódy prístupu k kanálu pre podporu aplikácií v reálnom čase bude vykonaná so zohľadnením skúseností IEEE 802 TSN pre káblové siete. Pokračujúce diskusie v štandardizačnom výbore súvisia s procedúrou náhodného oneskorenia pri prístupe k kanálu, kategóriami poskytovania služieb a, zodpovedajúcim spôsobom, osobitnými frontami pre real-time prevádzku, ako aj politikami správy paketov.
Zavedený vo Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – metóda prístupu k kanálu s rozdelením podľa času a frekvencie (podobná tej, ktorá sa používa v sieťach 4G a 5G) – poskytuje nové možnosti pre optimálne rozdelenie zdrojov. Avšak v 11ax OFDMA nie je dostatočne flexibilná. Po prvé, umožňuje prístupovému bodu priradiť klientskému zariadeniu len jeden zdrojový blok vopred určených rozmerov. Po druhé, nepodporuje priame prenosy medzi klientskými stanicami. Obe nedostatky znižujú spektrálnu efektivitu. Okrem toho, nedostatok flexibility zdedený z Wi-Fi 6 OFDMA zhoršuje výkon v hustých sieťach a zvyšuje oneskorenie, čo je kritické pre aplikácie reálneho času. 11be vyrieši tieto problémy OFDMA.
Jednou z potvrdených revolučných zmien Wi-Fi 7 je integrovaná podpora súčasného využívania viacerých paralelných pripojení na rôznych frekvenciách, čo je veľmi užitočné pre obrovské rýchlosti prenosu dát, ako aj pre mimoriadne nízke oneskorenie. Aj keď súčasné čipové sady už môžu využívať viacero pripojení súčasne, napríklad v pásmach 2.4 a 5 GHz, tieto pripojenia sú nezávislé, čo obmedzuje efektívnosť takej operácie. V 11be bude nájdená taká úroveň synchronizácie medzi kanálmi, ktorá umožní efektívne využívanie zdrojov kanálu a prinesie podstatné zmeny v pravidlách protokolu prístupu k kanálu.
Používanie veľmi širokých kanálov a veľkého počtu priestorových prúdov vedie k problému vysokých nákladov spojených s procedúrou hodnotenia stavu kanála, ktorá je potrebná pre MIMO a OFDMA. Tieto náklady znehodnocujú celý zisk z zvýšených nominálnych rýchlostí prenosu dát. Očakáva sa, že procedúra hodnotenia stavu kanála bude prehodnotená.
V súvislosti s Wi-Fi 7 sa v technickom výbore diskutuje o použití niektorých "pokročilých" metód prenosu dát. Teoreticky tieto metódy zvyšujú spektrálnu efektivitu pri opakovaných pokusoch o prenos a tiež pri súbežných prenosoch v rovnakých alebo opačných smeroch. Hovoríme o hybridnej automatickej žiadosti o zopakovanie (HARQ), ktorá sa v súčasnosti používa v mobilných sieťach, o režime full-duplex a o neortogonálnom viacerom prístupe (NOMA). Tieto metódy sú dobre preskúmané v literatúre teoreticky, avšak zatiaľ nie je jasné, či zisk výkonnosti, ktorý zabezpečujú, ospravedlní úsilie potrebné na ich implementáciu.
- Použitie HARQ sa komplikuje nasledujúcim problémom. V Wi-Fi sa na zníženie režijných nákladov paketové dáta spájajú. V súčasných verziách Wi-Fi je dodanie každého paketu v rámci skomprimovanej štruktúry potvrdené a ak potvrdenie neprichádza, prenos paketu sa opakuje metódami protokolu prístupu k kanálu. HARQ presúva opakované pokusy z kanálovej úrovne na fyzickú úroveň, kde už nie sú pakety, ale kódové slová, pričom hranice kódových slov nesúhlasia s hranicami paketov. Takáto desynchrónizácia sťažuje implementáciu HARQ vo Wi-Fi.
- Čo sa týka Full-Duplex, v súčasnosti ani v mobilných sieťach, ani v sieťach Wi-Fi nie je možné súčasne prenášať dáta v jednom a tom istom frekvenčnom kanáli a to ako k prístupovému bodu (bázovej stanici), tak aj od neho. Z technického hľadiska je to spôsobené veľkým rozdielom vo výkone vysielaného a prijímaného signálu. Aj keď existujú prototypy, ktoré kombinujú digitálne a analógové odčítanie vysielaného signálu z prijatého, schopné získať signál Wi-Fi počas svojej transmisie, zisk, ktorý môžu poskytnúť v praxi, môže byť zanedbateľný, pretože v každom okamihu časového rámca nie je zostupný prúd rovný vzostupnému (v priemere "v nemocnici" je zostupný výrazne väčší). Takáto obojsmerná komunikácia by však výrazne skomplikovala protokol.
- Ak pre prenos viacerých prúdov pomocou MIMO potrebujete niekoľko antén pre vysielač a prijímač, v prípade neortogonálneho prístupu môže prístupový bod súčasne prenášať údaje dvom prijímateľom z jednej antény. Rôzne varianty neortogonálneho prístupu sú zahrnuté v najnovších špecifikáciách 5G. Prototyp NOMA Wi-Fi bol prvýkrát vytvorený v roku 2018 na IPPI RAN (opäť, prosím, neberte to ako reklamu). Preukázal zvýšenie výkonu o 30-40%. Prednosťou vyvinutej technológie je jej spätná kompatibilita: jeden z dvoch prijímateľov môže byť zastarané zariadenie, ktoré nepodporuje Wi-Fi 7. Vo všeobecnosti je problém spätnej kompatibility veľmi dôležitý, pretože v sieti Wi-Fi môžu súčasne fungovať zariadenia rôznych generácií. V súčasnosti niekoľko tímov na svete analyzuje efektivitu spolupráce NOMA a MU-MIMO, výsledky ktorých určia ďalšiu budúcnosť prístupu. Takisto pokračujeme v práci na prototypu: jeho ďalšia verzia bude prezentovaná na konferencii IEEE INFOCOM v júli 2020.
Napokon, ďalším dôležitým novým prínosom, ale s nejasnou budúcnosťou, je koordinovaná práca prístupových bodovHoci mnohí poskytovatelia majú svoje vlastné centralizované kontroléry pre firemné Wi-Fi siete, schopnosti týchto kontrolérov boli spravidla obmedzené na konfiguráciu dlhodobých parametrov a výber kanála. Normalizačný výbor diskutuje o užšej spolupráci medzi susednými prístupovými bodmi, ktorá zahŕňa koordinované plánovanie prenosov, beamforming (smerovaný prenos signálu) a dokonca rozdelené systémy MIMO. Niektoré z navrhovaných prístupov využívajú sekvenčné potlačenie rušenia (približne to isté ako v NOMA). Hoci prístupy na koordináciu 11be ešte nie sú vypracované, niet pochýb o tom, že norma umožní prístupovým bodom rôznych výrobcov koordinovať svoje rozvrhy prenosov, aby sa znížila vzájomná interferencia. Pokiaľ ide o iné, zložitejšie prístupy (napríklad distribuované MU-MIMO), ich implementácia do normy bude zložitejšia, aj keď jednotliví členovia skupiny sú odhodlaní to dosiahnuť v rámci Release 2. Bez ohľadu na výsledok je osud metód koordinácie prístupových bodov nejasný. Aj keď budú zahrnuté do normy, nemusia sa dostať na trh. Podobné sa už stalo pri pokusoch o zlepšenie prenosu Wi-Fi pomocou takýchto riešení ako HCCA (11e) a HCCA TXOP Negotiation (11be).

Zhrnutím sa zdá, že väčšina návrhov súvisiacich s prvými piatimi skupinami sa stane súčasťou Wi-Fi 7, zatiaľ čo návrhy súvisiace s dvoma poslednými skupinami si vyžadujú významný ďalší výskum pre dokázanie ich účinnosti.