Huawei sa vo svojom vývoji spolieha na Wi-Fi 6. A otázky kolegov a zákazníkov o novej generácii štandardu nás podnietili napísať príspevok o teoretických základoch a fyzikálnych princípoch, ktoré sú v ňom obsiahnuté. Prejdime z histórie k fyzike a pozrime sa podrobne na to, prečo sú potrebné technológie OFDMA a MU-MIMO. Povedzme si tiež, ako zásadne prepracované fyzické médium na prenos dát umožnilo dosiahnuť garantovanú kapacitu kanála a také zníženie celkovej úrovne oneskorení, že sa stali porovnateľnými s oneskoreniami operátora. A to aj napriek tomu, že moderné siete založené na 5G sú drahšie (v priemere 20–30-krát) ako vnútorné siete Wi-Fi 6 s podobnými schopnosťami.
Pre Huawei nie je táto téma v žiadnom prípade nečinná: riešenia podporujúce Wi-Fi 6 patria medzi naše najprelomovejšie produkty v roku 2020, do ktorých boli investované obrovské zdroje. Tu je len jeden príklad: výskum v oblasti materiálovej vedy nám umožnil vybrať zliatinu, ktorej použitie v rádiových prvkoch prístupového bodu zvýšilo pomer signálu k šumu o 2-3 dB: klobúk dole pred Doronom Ezrim za tento úspech.
Trocha histórie
Dáva zmysel počítať históriu Wi-Fi až do roku 1971, keď na Havajskej univerzite profesor Norman Abramson so skupinou kolegov vyvinul, postavil a spustil bezdrôtovú paketovú dátovú sieť ALOHAnet.
V roku 1980 bola schválená skupina štandardov a protokolov IEEE 802, popisujúca organizáciu dvoch nižších vrstiev sedemvrstvového modelu siete OSI. Na vydanie prvej verzie 802.11 sme si museli počkať dlhých 17 rokov.
S prijatím štandardu 1997 v roku 802.11, dva roky pred zrodom Wi-Fi Alliance, vstúpila do širšieho sveta prvá generácia dnešnej najpopulárnejšej bezdrôtovej dátovej technológie.
Štandard IEEE 802. Generácie Wi-Fi
Prvý štandard skutočne široko podporovaný výrobcami zariadení bol 802.11b. Ako vidíte, frekvencia inovácií je od konca XNUMX. storočia pomerne stabilná: kvalitatívne zmeny si vyžadujú čas. V posledných rokoch sa vykonalo veľa práce na zlepšení fyzického média prenosu signálu. Aby sme lepšie porozumeli moderným problémom Wi-Fi, prejdime k jeho fyzickým základom.
Zapamätajme si základy!
Rádiové vlny sú špeciálnym prípadom elektromagnetických vĺn – šíriacich sa zo zdroja porúch elektrického a magnetického poľa. Charakterizujú ich tri hlavné parametre: vlnový vektor, ako aj vektory intenzity elektrického a magnetického poľa. Všetky tri sú na seba navzájom kolmé. V tomto prípade sa frekvencia vlny zvyčajne nazýva počet opakujúcich sa kmitov, ktoré zapadajú do jednotky času.
To všetko sú všeobecne známe fakty. Aby sme sa však dostali do konca, sme nútení začať od úplného začiatku.
Na konvenčnej škále frekvenčných rozsahov elektromagnetického žiarenia zaberá rádiový rozsah najnižšiu (nízkofrekvenčnú) časť. Zahŕňa elektromagnetické vlny s frekvenciou oscilácií od 3 Hz do 3000 GHz. Všetky ostatné pásma, vrátane viditeľného svetla, majú oveľa vyššiu frekvenciu.
Čím vyššia je frekvencia, tým viac energie možno odovzdať rádiovej vlne, no zároveň sa horšie ohýba okolo prekážok a rýchlejšie sa tlmí. Platí to aj naopak. Berúc do úvahy tieto vlastnosti, boli pre prevádzku Wi-Fi vybrané dva hlavné frekvenčné rozsahy - 2,4 GHz (frekvenčné pásmo od 2,4000 do 2,4835 GHz) a 5 GHz (frekvenčné pásma 5,170-5,330, 5,490-5,730 a 5,735-5,835 GHz).
Rádiové vlny sa šíria všetkými smermi a aby sa zabránilo vzájomnému ovplyvňovaniu správ v dôsledku rušivého efektu, je frekvenčné pásmo zvyčajne rozdelené na samostatné úzke úseky - kanály s jedným alebo druhým . Vyššie uvedený diagram ukazuje, že susedné kanály 1 a 2 so šírkou pásma 20 MHz sa budú navzájom rušiť, ale 1 a 6 nie.
Signál vo vnútri kanála sa prenáša pomocou rádiových vĺn s určitou nosnou frekvenciou. Na prenos informácií môžu byť vlnové parametre frekvenciou, amplitúdou alebo fázou.
Oddelenie kanálov vo frekvenčných rozsahoch Wi-Fi
Frekvenčný rozsah 2,4 GHz je rozdelený do 14 čiastočne sa prekrývajúcich kanálov s optimálnou šírkou 20 MHz. Kedysi sa verilo, že to stačí na organizáciu komplexnej bezdrôtovej siete. Čoskoro sa ukázalo, že kapacita dosahu sa rýchlo vyčerpáva, a tak k nemu pribudol rozsah 5 GHz, ktorého spektrálna kapacita je oveľa vyššia. V ňom je možné okrem 20 MHz prideľovať kanály so šírkou 40 a 80 MHz.
Na ďalšie zlepšenie efektívnosti využívania rádiového frekvenčného spektra sa teraz široko používa technológia ortogonálneho frekvenčného delenia multiplexovania ().
Zahŕňa použitie, spolu s nosnou frekvenciou, niekoľkých pomocných nosných frekvencií v rovnakom kanáli, čo umožňuje vykonávať paralelný prenos dát. OFDM vám umožňuje distribuovať prevádzku pomerne pohodlným „granulovaným“ spôsobom, ale vzhľadom na svoj úctyhodný vek si zachováva množstvo významných nevýhod. Sú medzi nimi princípy práce pomocou sieťového protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), podľa ktorého môže na jednom nosiči a subnosnej v určitých časoch pracovať iba jeden používateľ.
Priestorové toky
Dôležitým spôsobom zvýšenia priepustnosti bezdrôtovej siete je využitie priestorových tokov.
Prístupový bod nesie niekoľko rádiových modulov (jeden, dva alebo viac), ktoré sú pripojené k určitému počtu antén. Tieto antény vyžarujú podľa určitého vzoru a modulácie a vy aj ja prijímame informácie prenášané cez bezdrôtové médium. Priestorový tok môže byť vytvorený medzi špecifickou fyzickou anténou (rádiovým modulom) prístupového bodu a užívateľským zariadením. Vďaka tomu sa celkový objem prenášaných informácií z prístupového bodu zvyšuje o násobok počtu streamov (antén).
Podľa súčasných štandardov možno v pásme 2,4 GHz implementovať až štyri priestorové toky, v pásme 5 GHz až osem.
Predtým sme sa pri práci v pásmach 2,4 a 5 GHz zameriavali len na počet rádiových modulov. Prítomnosť druhého rádiového modulu poskytla dodatočnú flexibilitu, pretože umožnila starým účastníckym zariadeniam pracovať na frekvencii 2,4 GHz a novým na frekvencii 5 GHz. S príchodom tretieho a nasledujúcich rádiových modulov nastali určité problémy. Vyžarujúce prvky majú tendenciu sa navzájom rušiť, čo zvyšuje náklady na zariadenie kvôli potrebe lepšieho dizajnu a vybavenia prístupového bodu kompenzačnými filtrami. Takže len nedávno bolo možné súčasne podporovať 16 priestorových tokov na prístupový bod.
Praktická a teoretická rýchlosť
Kvôli prevádzkovým mechanizmom OFDM sme nemohli získať maximálnu priepustnosť siete. Teoretické výpočty pre praktickú implementáciu OFDM boli realizované už dávno a len vo vzťahu k ideálnym prostrediam, kde sa predvídateľne očakával pomerne vysoký pomer signálu k šumu (SNR) a bitová chybovosť (BER). V moderných podmienkach silného šumu vo všetkých rádiofrekvenčných spektrách, ktoré nás zaujímajú, je priepustnosť sietí založených na OFDM skľučujúco nízka. A protokol naďalej niesol tieto nedostatky až donedávna, kým neprišla na pomoc technológia OFDMA (ortogonal frequency-division multiple access). O nej - trochu ďalej.
Poďme hovoriť o anténach
Ako viete, každá anténa má zisk, v závislosti od hodnoty ktorého sa vytvára priestorový obrazec šírenia signálu (beamforming) s určitou oblasťou pokrytia (neberieme do úvahy spätný odraz signálu a pod.). To je presne to, čo dizajnéri vždy zakladali na tom, kde presne by mali byť prístupové body umiestnené. Po dlhú dobu zostal tvar vzoru nezmenený a iba sa zvyšoval alebo zmenšoval úmerne charakteristikám antény.
Moderné anténne prvky sú čoraz lepšie ovládateľné a umožňujú dynamické zmeny priestorového vzoru šírenia signálu v reálnom čase.
Na ľavom obrázku vyššie je znázornený princíp šírenia rádiových vĺn pomocou štandardnej všesmerovej antény. Zvýšením výkonu signálu sme mohli zmeniť iba polomer pokrytia bez možnosti výrazne ovplyvniť kvalitu využívania kanála - KQI (Key Quality Indicators). A tento indikátor je mimoriadne dôležitý pri organizovaní komunikácie v podmienkach častého pohybu účastníckeho zariadenia v bezdrôtovom prostredí.
Riešením problému bolo použitie veľkého počtu malých antén, ktorých zaťaženie je možné v reálnom čase upravovať a vytvárať vzory šírenia v závislosti od priestorovej polohy používateľa.
Bolo tak možné priblížiť sa použitiu technológie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). S jeho pomocou prístupový bod kedykoľvek generuje toky žiarenia nasmerované špecificky na účastnícke zariadenia.
Od fyziky po štandardy 802.11
Ako sa štandardy Wi-Fi vyvíjali, menili sa princípy práce s fyzickou vrstvou siete. Použitie iných modulačných mechanizmov umožnilo - počnúc verziami 802.11g/n - umiestniť oveľa väčšie množstvo informácií do časového slotu a podľa toho pracovať s väčším počtom používateľov. Okrem iného to bolo dosiahnuté využitím priestorových tokov. A novoobjavená flexibilita v šírke kanála umožnila generovať viac zdrojov pre MIMO.
Na budúci rok je naplánované schválenie štandardu Wi-Fi 7. Čo sa jeho príchodom zmení? Okrem bežného zvýšenia rýchlosti a pridania 6 GHz pásma bude možné pracovať so širokými agregovanými kanálmi, napríklad 320 MHz. Toto je obzvlášť zaujímavé v kontexte priemyselných aplikácií.
Teoretická priepustnosť Wi-Fi 6
Teoretický vzorec na výpočet nominálnej rýchlosti Wi-Fi 6 je pomerne zložitý a závisí od mnohých parametrov, počnúc počtom priestorových tokov a končiac informáciou, ktorú môžeme vložiť do subnosnej (alebo subnosnej, ak je ich viacero ich) za jednotku času.
Ako vidíte, veľa závisí od priestorových tokov. Predtým však nárast ich počtu v kombinácii s použitím STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining) zhoršil výkon bezdrôtového riešenia ako celku.
Nové kľúčové technológie fyzickej vrstvy
Prejdime ku kľúčovým technológiám fyzickej vrstvy – a začnime prvou vrstvou modelu siete OSI.
Pripomeňme, že OFDM využíva určitý počet subnosných, ktoré bez toho, aby sa navzájom ovplyvňovali, sú schopné prenášať určité množstvo informácií.
V príklade používame pásmo 5,220 GHz, ktoré obsahuje 48 subkanálov. Agregáciou tohto kanála získame väčší počet subnosných, z ktorých každá používa svoju vlastnú modulačnú schému.
Wi-Fi 5 využíva kvadratúrnu amplitúdovú moduláciu 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ktorá umožňuje vytvoriť pole 16 x 16 bodov v rámci nosnej frekvencie v jednom časovom slote, ktoré sa líšia amplitúdou a fázou. Nevýhodou je, že na nosnej frekvencii môže v danom momente vysielať iba jedna stanica.
Ortogonálny frekvenčný multiplex (OFDMA) prišiel zo sveta mobilných operátorov, rozšíril sa súčasne s LTE a používa sa na organizáciu downlinku (komunikačného kanála k účastníkovi). Umožňuje vám pracovať s kanálom na úrovni takzvaných zdrojových jednotiek. Tieto jednotky pomáhajú rozložiť blok na určitý počet komponentov. V rámci bloku nemôžeme v každom momente pracovať striktne s jedným emitujúcim prvkom (užívateľom alebo prístupovým bodom), ale kombinovať desiatky prvkov. To vám umožní dosiahnuť pozoruhodné výsledky.
Jednoduché pripojenie kanálov cez Wi-Fi 6
Channel Bonding vo Wi-Fi 6 vám umožňuje získať kombinované kanály so šírkou 20 až 160 MHz. Navyše, spojenie sa nemusí realizovať v blízkych oblastiach. Napríklad jeden blok možno odobrať z pásma 5,17 GHz a druhý z pásma 5,135 GHz. To vám umožňuje flexibilne vybudovať rádiové prostredie aj v prítomnosti silných interferenčných faktorov alebo v blízkosti iných neustále vysielajúcich staníc.
Od SIMO k MIMO
Metóda MIMO s nami nebola vždy. Kedysi sa mobilná komunikácia musela obmedziť na režim SIMO, čo znamenalo prítomnosť niekoľkých antén na účastníckej stanici súčasne pracujúcich na prijímaní informácií.
MU-MIMO je navrhnutý tak, aby prenášal informácie užívateľom pomocou celého súčasného anténneho fondu. Tým sa odstránia obmedzenia, ktoré predtým ukladal protokol CSMA/CA spojený s odosielaním tokenov do účastníckych zariadení na prenos. Teraz sú používatelia zjednotení v skupine a každý člen skupiny dostáva svoj podiel na zdroji antény prístupového bodu, namiesto toho, aby čakal, kým príde rad.
Tvorba rádiového lúča
Dôležitým pravidlom pre fungovanie MU-MIMO je zachovať taký režim prevádzky anténneho poľa, ktorý by neviedol k vzájomnému prekrývaniu rádiových vĺn a strate informácií v dôsledku sčítania fázy.
To si vyžaduje zložité matematické výpočty na strane prístupového bodu. Ak terminál podporuje túto funkciu, MU-MIMO mu umožňuje povedať prístupovému bodu, ako dlho trvá príjem signálu na každej konkrétnej anténe. A prístupový bod zase nastaví svoje antény tak, aby vytvorili optimálne nasmerovaný lúč.
Čo nám to vo všeobecnosti dáva?
Biele krúžky s číslami v tabuľke označujú aktuálne scenáre používania Wi-Fi predchádzajúcich generácií. Modré kruhy (pozri obrázok vyššie) popisujú možnosti Wi-Fi 6 a sivé sú záležitosťou blízkej budúcnosti.
Hlavné výhody, ktoré prinášajú nové riešenia s podporou OFDMA, sa týkajú zdrojových jednotiek implementovaných na úrovni podobnej TDM (Time Division Multiplexing). Toto nikdy predtým nebolo v prípade Wi-Fi. To vám umožňuje jasne kontrolovať pridelenú šírku pásma, čím sa zabezpečí minimálny čas prenosu signálu cez médium a požadovaná úroveň spoľahlivosti. Našťastie nikto nepochybuje o tom, že ukazovatele spoľahlivosti Wi-Fi potrebujú zlepšenie.
História sa pohybuje po špirále a súčasná situácia je podobná tej, ktorá sa svojho času vyvinula okolo Ethernetu. Už vtedy sa ustálil názor, že prenosové médium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) neposkytuje žiadnu garantovanú priepustnosť. A to pokračovalo až do prechodu na IEEE 802.3z.
Čo sa týka všeobecných aplikačných modelov, ako môžete vidieť, s každou generáciou Wi-Fi sa množia scenáre jej použitia, sú čoraz citlivejšie na oneskorenia, všeobecné a spoľahlivosť.
A opäť o fyzickom prostredí
Teraz sa porozprávajme o tom, ako sa formuje nové fyzické prostredie. Pri použití CSMA/CA a OFDM viedlo zvýšenie počtu aktívnych STA k vážnemu poklesu priepustnosti 20 MHz kanála. Bolo to spôsobené tým, čo už bolo spomenuté: nie najnovšími technológiami STC (Space-Time Coding) a MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA môže pomocou zdrojových jednotiek efektívne interagovať s diaľkovými a nízkoenergetickými stanicami. Dostávame príležitosť pracovať v rovnakom rozsahu operátorov s používateľmi, ktorí spotrebúvajú rôzne množstvá zdrojov. Jeden používateľ môže obsadiť jednu jednotku a ďalší - všetky ostatné.
Prečo tam predtým nebolo OFDMA?
A nakoniec hlavná otázka: prečo predtým neexistovala OFDMA? Napodiv, všetko sa to týkalo peňazí.
Dlho sa verilo, že cena modulu Wi-Fi by mala byť minimálna. Keď bol protokol v roku 1997 spustený do komerčnej prevádzky, rozhodlo sa, že výrobné náklady takéhoto modulu nesmú presiahnuť 1 dolár. V dôsledku toho sa vývoj technológie uberal neoptimálnou cestou. Tu neberieme do úvahy operátora LTE, kde sa OFDMA používa už pomerne dlho.
Pracovná skupina pre Wi-Fi sa nakoniec rozhodla vziať tento vývoj zo sveta telekomunikačných operátorov a priniesť ich do sveta podnikových sietí. Hlavnou úlohou bol prechod na používanie kvalitnejších prvkov, akými sú filtre a oscilátory.
Prečo bolo pre nás také ťažké pracovať v starých kódovaniach MRC s rušením alebo bez neho? Pretože mechanizmus tvarovania lúča MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) dramaticky zvýšil počet chýb hneď, ako sme sa pokúsili skombinovať veľké množstvo vysielacích bodov. OFDMA dokázal, že problém sa dá vyriešiť.
Boj proti interferencii je teraz založený na matematike. Ak je prenosové okno dostatočne dlhé, výsledné dynamické rušenie spôsobuje problémy. Nové prevádzkové algoritmy umožňujú vyhnúť sa im, eliminujúc vplyv nielen rušenia spojeného s Wi-Fi prenosom, ale aj akéhokoľvek iného, ktoré sa vyskytuje v tomto rozsahu.
Vďaka adaptívnemu odrušeniu dokážeme dosiahnuť zisky až 11 dB aj v zložitých heterogénnych prostrediach. Použitie vlastných algoritmických riešení Huawei umožnilo dosiahnuť serióznu optimalizáciu presne tam, kde to bolo potrebné – v interiérových riešeniach. Čo je dobré v 5G, nemusí byť nevyhnutne dobré v prostredí Wi-Fi 6. Masívne prístupy MIMO a MU-MIMO sa líšia v prípade vnútorných a vonkajších riešení. V prípade potreby je vhodné použiť drahé riešenia, ako napríklad 5G. Potrebné sú však ďalšie možnosti, ako napríklad Wi-Fi 6, ktoré môže poskytnúť latenciu a ďalšie metriky, ktoré sme od operátorov očakávali.
Požičiavame si od nich nástroje, ktoré budú užitočné pre nás ako podnikových spotrebiteľov, a to všetko v snahe poskytnúť fyzické prostredie, na ktoré sa môžeme spoľahnúť.
***
Mimochodom, nezabudnite na naše početné webináre o nových produktoch Huawei do roku 2020, ktoré sa konajú nielen v ruskom jazyku, ale aj na globálnej úrovni. Zoznam webinárov na najbližšie týždne je dostupný na .
Zdroj: hab.com