Huawei v svojih razvoju stavi na Wi-Fi 6. Vprašanja sodelavcev in strank o novi generaciji standarda so nas spodbudila, da napišemo objavo o teoretičnih osnovah in fizikalnih načelih, ki jih vključuje. Od zgodovine preidimo k fiziki, podrobno razjasnimo, zakaj so potrebne tehnologije OFDMA in MU-MIMO. Pogovorili se bomo tudi o tem, kako bistveno preoblikovana fizična okolja prenosa podatkov omogočajo dosego zagotovljene propustnosti kanalov in takšnega zmanjšanja skupne ravni zakasnitev, da so postale primerljive z „operaterskimi“. In to kljub temu, da so sodobna omrežja na osnovi 5G dražja (v povprečju 20–30-krat) od primerljivih notranjih omrežij na Wi-Fi 6.
Za Huawei tema nikakor ni nepomembna: rešitve s podporo Wi-Fi 6 so med najbolj prelomnimi našimi izdelki leta 2020, v katere so bile vložene ogromne količine virov. Tukaj je le en primer: raziskave na področju materialov so nam omogočile, da smo izbrali zlitino, ki je v radijskih elementih dostopne točke povečala razmerje „signal — šum“ za 2–3 dB: čast Doru Ezriju (Doron Ezri) za to dosežek.
Nekaj zgodovine
Zgodovino Wi-Fi ima smisel šteti od leta 1971, ko je profesor Norman Abramson z ekipo sodelavcev na Havajski univerzi razvil, zgradil in zagnal brezžično omrežje paketne prenose podatkov ALOHAnet.
Leta 1980 je bila potrjena skupina standardov in protokolov IEEE 802, ki opisujejo organizacijo dveh spodnjih plasti sedemplastega mrežnega modela OSI. Do izida prve različice 802.11 je bilo treba čakati dolge 17 let.
S sprejetjem standarda 802.11 leta 1997, dve leti pred pojavom organizacije Wi-Fi Alliance, je prvo generacijo danes najbolj priljubljene tehnologije brezžičnega prenosa podatkov zakoračila v širok svet.
Standard IEEE 802. Generacije Wi-Fi
Prvi standard, ki so ga masovno podprli proizvajalci opreme, je bil 802.11b. Kot vidite, je bila pogostost novosti s konca 20. stoletja dovolj stabilna: kakovostne spremembe zahtevajo čas. V zadnjih letih se je osrednja pozornost usmerjala v izboljšanje fizičnega okolja prenosa signala. Da bi bolje razumeli sodobno problematiko Wi-Fi, se obrnimo k njegovim fizičnim osnovam.
Oppomnimo osnove!
Radio valovi su posebni slučajevi elektromagnetnih valova — koji se šire od izvora uznemirenja električnog i magnetskog polja. Karakteriziraju ih tri osnovna parametra: talasni vektor, kao i vektori jačine električnog i magnetskog polja. Sva tri su međusobno okomita. Učestalost talasa naziva se brojem ponovljenih oscilacija koje se odvijaju u jedinici vremena.
Sve su to opće poznate činjenice. Međutim, da bismo stigli do kraja, moramo početi od samog početka.
Na hipotetičkoj skali frekvencijskih opsega elektromagnetnog zračenja, radio opseg zauzima najniži (niskofrekventni) deo. U njega spadaju elektromagnetni valovi s frekvencijom oscilacija od 3 Hz do 3000 GHz. Svi ostali opsezi, uključujući vidljivu svetlost, imaju daleko veću frekvenciju.
Što je frekvencija viša, to se veću energiju može preneti radio talasu, međutim, istovremeno se lošije savija oko prepreka i brže slabi. I obrnuto, uzimajući u obzir ove karakteristike, za rad Wi-Fi odabrana su dva osnovna frekvencijska opsega — 2,4 GHz (opseg frekvencija od 2,4000 do 2,4835 GHz) i 5 GHz (opsezi frekvencija 5,170—5,330, 5,490—5,730 i 5,735—5,835 GHz).
Radio talasi se šire u svim pravcima, a kako bi poruke ne uticale jedna na drugu zbog efekta interferencije, frekvencijski opseg se obično deli na pojedinačne uske delove — kanale sa određenom . Na dijagramu iznad može se videti da kanali 1 i 2 koji su susedni sa propusnom širinom od 20 MHz međusobno ometaju jedni druge, dok 1 i 6 — ne ometaju.
Signal unutar kanala se prenosi putem radio talasa na određenoj nosnoj frekvenciji. Za prenos informacija parametri talasa mogu po frekvenciji, amplitudi ili fazi.
Podela kanala u frekvencijskim opsezima Wi-Fi
Frekvenčni razpon 2,4 GHz je razdeljen na 14 delno prekrivajočih se kanalov optimalne širine — 20 MHz. Zdi se, da je to kdove dovolj za vzpostavitev kompleksne brezžične mreže. Kmalu se je izkazalo, da se kapaciteta frekvenčnega razpona hitro izčrpava, zato je bilo dodano 5 GHz območje, katerega spektralna kapaciteta je precej večja. V tem območju je poleg 20 MHz kanalov mogoče dodeliti tudi kanale širine 40 in 80 MHz.
Za dodatno povečanje učinkovitosti uporabe radijskih frekvenc se danes široko uporablja tehnologija množenja z ortogonalnim delitvijo frekvenc ().
). Ta tehnologija predvideva uporabo poleg nosilne frekvence še več podnosilnih frekvenc v istem kanalu, kar omogoča hkratni prenos podatkov. OFDM omogoča razdelitev prometa na precej priročen 'granularen' način, vendar zaradi svoje starosti ohranja vrsto pomembnih pomanjkljivosti. Med njimi so načela delovanja po omrežnem protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), ki določajo, da v določenih trenutkih na eni nosilni in podnosilni frekvenci lahko deluje samo en uporabnik.
Prostorski tokovi
Pomemben način za povečanje prepustnosti brezžične mreže je uporaba prostorskih tokov.
Dostopna točka nosi več radijskih modulov (ena, dve ali več), ki so povezani z določenim številom anten. Te antene oddajajo po določeni shemi in modulatorju, mi pa prejmemo informacije, poslane po brezžičnem mediju. Prostorski tok se lahko oblikuje med določeno fizično anteno (radijskim modulom) dostopne točke in uporabniškim napravo. Zaradi tega se skupna količina podatkov, poslanih iz dostopne točke, poveča za večkratnik števila tokov (anten).
Po trenutnih standardih lahko v frekvenčnem razponu 2,4 GHz implementiramo do štiri prostorske tokove, v frekvenčnem razponu 5 GHz pa do osem.
V preteklosti smo pri delovanju v pasovnih frekvencah 2,4 in 5 GHz upoštevali le število radijskih modulov. Drugi radijski modul je zagotavljal dodatno fleksibilnost, saj je omogočal starim naročniškim napravam delovanje pri frekvenci 2,4 GHz, novim pa pri frekvenci 5 GHz. Z vključitvijo tretjega in nadaljnjih radijskih modulov so se pojavile nekatere težave. Oddajni elementi so nagnjeni k ustvarjanju motenj med seboj, kar povečuje stroške naprave zaradi potrebe po bolj kakovostnem oblikovanju in opremi dostopne točke s kompenzacijskimi filtri. Tako je šele nedavno postalo mogoče hkratno ohranjanje 16 prostorskih tokov na eno dostopno točko.
Praktična in teoretična hitrost
Zaradi delovanja mehanizmov OFDM nismo mogli doseči maksimalne prepustnosti omrežja. Teoretične izračune za praktično implementacijo OFDM smo izvajali zelo dolgo nazaj in le v idealnih okoljih, kjer je bilo pričakovano razmerje med signalom in šumom (SNR) dostojno visoko in verjetnost napake na bit (BER) nizka. V sodobnih pogojih močnega šuma v vseh naših zanimivih radijskih frekvenčnih spektrih so kazalniki prepustnosti omrežij na osnovi OFDM zaskrbljujoče nizki. Protokol je do pred kratkim še vedno nosil te pomanjkljivosti, dokler ni pomagala tehnologija OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). O tem malo kasneje.
Pogovorimo se o antenah
Kot veste, ima vsaka antena svoj dobičkonosni faktor, na podlagi katerega se oblikuje prostorski vzorec širjenja signala (beamforming) s specifično površino pokritosti (ne upoštevamo odbijanja signalov itd.). Na to so se projektanti vedno opirali v svojih razmišljanjih o tem, kje naj bodo nameščene dostopne točke. Dolgo časa je oblika vzorca ostala nespremenjena in le povečevala ali zmanjšavala v sorazmerju s karakteristikami antene.
Sodobni antenski elementi postajajo vse bolj upravljivi in omogočajo dinamično spreminjanje prostorskega vzorca širjenja signala v realnem času.
Na vrhu lijevog dijela slike prikazan je princip širenja radio valova kada koristimo standardnu omnidirekcijsku antenu. Povećanjem snage signala mogli smo samo promijeniti radijus pokrivanja bez mogućnosti značajnog utjecaja na kvalitetu korištenja kanala — KQI (Ključni indikatori kvalitete). Ovaj pokazatelj je izuzetno važan pri organizaciji komunikacije u uvjetima čestog kretanja korisničkog uređaja u bežičnom okruženju.
Rješenje problema leži u primjeni velikog broja malih antena, čija opterećenja se mogu regulirati u stvarnom vremenu, formirajući obrasce širenja ovisno o prostornom položaju korisnika.
Na taj način smo se uspjeli približiti primjeni tehnologije MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Uz njezinu pomoć, pristupna točka u bilo kojem trenutku formira tokove zračenja usmjerenih upravo prema korisničkim uređajima.
Od fizike do standarda 802.11
Kako su se standardi Wi-Fi razvijali, principi rada s fizičkim slojem mreže su se mijenjali. Korištenjem drugih mehanizama modulacije omogućeno je — počevši od verzija 802.11g/n — smjestiti mnogo više informacija u vremenski slot i, posljedično, raditi s većim brojem korisnika. Osim toga, to je postignuto i zahvaljujući korištenju prostorno usmjerenih tokova. A novootkrivena fleksibilnost u pogledu širine kanala omogućila je formiranje većeg broja resursa za MIMO.
Sljedeće godine planirano je usvajanje standarda Wi-Fi 7. Što će se promijeniti s njegovim dolaskom? Osim uobičajenog povećanja brzine i dodavanja opsega od 6 GHz, osigurat će se mogućnost rada s širokim agregiranim kanalima, kao što je 320 MHz. To je posebno zanimljivo s aspekta industrijske primjene.
Teorijska propusnost Wi-Fi 6
Teorijska formula za izračun nominalne brzine rada Wi-Fi 6 dovoljno je složena i ovisi o mnogim parametrima, počevši od broja prostorno usmjerenih tokova pa do informacija koje možemo prenijeti na nosač (ili nosače, ako ih ima više) u jedinici vremena.
Kot vidite, od prostorskih tokov je odvisno zelo mnogo. Velikost njihovega števila v kombinaciji z uporabo STC (Space-Time Coding) in MRC (Maximum Ratio Combining) pa je prej poslabšala delovanje brezžične rešitve kot celote.
Nove ključne tehnologije fizičnega nivoja
Preidimo k ključnim tehnologijam fizičnega nivoja – začnimo s prvim nivojem omrežne modela OSI.
Spomnimo se, da OFDM uporablja določeno število podnosilcev, ki, ne da bi se med seboj dotikali, lahko prenašajo določen obseg informacij.
V primeru uporabljamo pasovno širino 5,220 GHz, ki vključuje 48 podkanalov. Z združevanjem tega kanala bomo dobili večje število podnosilcev, na katerih se uporablja lastna shema modulacije.
V Wi-Fi 5 se uporablja kvadrurna modulacija 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ki omogoča oblikovanje v okviru nosilne frekvence v enem časovnem istem polje 16 x 16 točk, ki se razlikujejo po amplitudi in fazi. Neprijetnost je v tem, da lahko v vsakem posameznem trenutku na nosilni frekvenci prenaša le ena postaja.
Muntipleksiranje z ortogonalnim razdeljevanjem frekvenc (OFDMA) je prišlo iz sveta operaterjev mobilne telefonije, se širilo hkrati z LTE ter se uporablja za organizacijo downlink (kanala povezave z naročnikom). Omogoča delo s kanalom na nivoju tako imenovanih enot virov. Te enote pomagajo razdeliti blok na določeno število komponent. V okviru bloka lahko v vsakem trenutku ne delamo strogo z enim izvorom (uporabnikom ali dostopno točko), temveč kombiniramo desetine elementov. To omogoča dosego opaznih rezultatov.
Preprosto povezovanje kanalov v Wi-Fi 6
Povezovanje kanalov (Channel Bonding) v Wi-Fi 6 omogoča pridobivanje združenih kanalov širine od 20 do 160 MHz. Povezovanje ni nujno treba izvajati v bližnjih pasovih. Na primer, en blok lahko vzamemo iz pasu 5,17 GHz, drugi pa iz pasu 5,135 GHz. To omogoča prilagodljivo gradnjo radijskega okolja tudi ob močnih motnjah ali ob sosedstvu z drugimi stalno oddajočimi postajami.
Od SIMO do MIMO
Metoda MIMO ni bila vedno z nami. Nekdaj je mobilna komunikacija morala biti omejena na način SIMO, ki je predvideval, da ima abonentska postaja več anten, ki hkrati delujejo za sprejemanje informacij.
MU-MIMO je zasnovan za prenos informacij uporabnikom, pri čemer izkoristi celoten trenutni antenni sklad. To odpravlja prej uveljavljena omejitve protokola CSMA/CA, povezane s pošiljanjem tokov uporabniškim napravam. Zdaj se uporabniki združujejo v skupine in vsak član skupine prejme svoj delež virov antennega sklada dostopne točke, namesto da bi čakal na svoj vrstni red.
Oblikovanje radijskega žarka
Pomembno pravilo delovanja MU-MIMO je ohranjanje tako režima delovanja antennega sklada, ki ne bi povzročil medsebojnega prekrivanja radijskih valov in izgube informacij zaradi prekrivanja faz.
To zahteva zapletene matematične izračune na strani dostopne točke. Če terminal podpira to funkcijo, MU-MIMO omogoča, da dostopni točki sporoči, s kakšno zakasnitvijo prejema signal na vsako posamezno anteno. Dostopna točka pa svoja antene prilagodi za oblikovanje optimalno usmerjenega žarka.
Kaj nam to sploh daje?
Bele kroge s številkami v tabeli označujejo trenutne scenarije uporabe Wi-Fi prejšnjih generacij. Modri krogi (glej sliko zgoraj) opisujejo zmožnosti Wi-Fi 6, medtem ko sivi krogi predstavljajo prihodnost.
Glavne prednosti, ki jih prinašajo nova rešitev s podporo OFDMA, so povezane s enotami virov, ki so uresničene na ravni, podobni TDM (Multiplexiranje po časovnih delitvah). Takšnega nadzora nad dodeljeno pasovno širino doslej v Wi-Fi ni bilo. To omogoča jasno obvladovanje dodeljene pasovne širine, kar zagotavlja minimalen čas prehoda signala skozi medij in zahtevan nivo zanesljivosti. K sreči nihče ne dvomi o tem, da statistika zanesljivosti Wi-Fi potrebuje izboljšave.
Zgodovina se odvija v spirali in trenutna situacija je podobna tisti, ki je nekoč obkrožila Ethernet. Že takrat se je uveljavilo mnenje, da medij prenosa CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ne zagotavlja nobene garancije pretoka. In tako je bilo vse do prehoda na IEEE 802.3z.
Kar zadeva splošne modele uporabe, kot vidite, z vsakim razvojem Wi-Fi naraščajo scenariji njegove uporabe, ki so vedno bolj občutljivi na zakasnitve, skupno in zanesljivosti.
In spet o fizičnem okolju
No, zdaj pa o tem, kako se oblikuje novo fizično okolje. Pri uporabi CSMA/CA in OFDM je rast števila aktivnih točk (Active STA) povzročila hudo zmanjšanje propustnosti 20-megahertznega kanala. To je bilo povezano s tem, kar smo že omenili: z nekoliko zastarelimi tehnologijami STC (Space-Time Coding) in MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA lahko s pomočjo skupinskih enot učinkovito interagira z daljnimi in šibkimi postajami. Tako dobimo možnost dela v enem nosilnem pasu z uporabniki, ki porabljajo različne količine virov. En uporabnik lahko zasede eno enoto, drugi pa vse druge.
Zakaj OFDMA prej ni bilo?
In končno, glavno vprašanje: zakaj OFDMA prej ni bilo? Nenavadno, ampak vse je bilo odvisno od denarja.
Dolgo časa je bilo mnenje, da mora biti cena Wi-Fi modula minimalna. Ko je bil protokol lansiran v komercialno uporabo leta 1997, je bilo odločeno, da proizvodni stroški takšnega modula ne smejo presegati 1 $. Kot posledica je razvoj tehnologije potekal po suboptimalni poti. Tukaj ne upoštevamo operaterjevega LTE, kjer se OFDMA uporablja že dolgo časa.
Na koncu je delovna skupina za Wi-Fi odločila, da prenese te dosežke iz sveta komunikacijskih operaterjev v svet podjetniških omrežij. Glavni cilj je bil prehod na uporabo kakovostnejših elementov, kot so filtri in oscilatorji.
Zakaj je bilo tako težko delati v starih kodiranjih MRC s motnjami ali brez njih? Ker je mehanizem oblikovanja žarka MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) drastično povečeval število napak, takoj ko smo poskušali uskladiti veliko število oddajnih točk. OFDMA je dokazal, da je problem rešljiva.
Boj proti interferencam je zdaj zasnovan na matematiki. Če je okno prenosa podatkov dovolj dolgo, dinamična interferenca povzroča težave. Novi algoritmi delovanja omogočajo, da se izognemo tem težavam, saj izključujejo vpliv ne samo interferenc, povezanih s prenosom Wi-Fi, temveč tudi katere koli druge, ki nastajajo v tem spektru.
Zaradi prilagodljivega boja proti interferencam lahko dosežemo dobitke do 11 dB tudi v zapletenih nehomogenih okoljih. Uporaba lastnih algoritmičnih rešitev podjetja Huawei je omogočila resno optimizacijo ravno tam, kjer je to potrebno — v notranjih rešitvah. Tisto, kar deluje dobro v 5G, ni nujno dobro v okolju Wi-Fi 6. Pristopi Massive MIMO in MU-MIMO se razlikujejo pri notranjih in zunanjih rešitvah. Tam, kjer je potrebno, je smiselno uporabiti drage rešitve, kot v 5G. Vendar so potrebne tudi druge možnosti, kot je Wi-Fi 6, ki lahko zagotovijo zakasnitve in druge parametre, na katere smo navajeni od telekomunikacijskih operaterjev.
Zajemamo tiste instrumente, ki nam bodo koristili kot korporativnim potrošnikom, in vse to za zagotovitev fizičnega okolja, na katero se lahko zanesemo.
***
Mimogrede, ne pozabite na naše številne spletne seminarje o novostih Huawei iz leta 2020, ki se izvajajo ne le v ruskem jeziku, ampak tudi na globalni ravni. Seznam spletnih seminarjev v naslednjih tednih je dostopen na .
Izvor: habr.com
