Pri svojem razvoju se Huawei zanaša na Wi-Fi 6. In vprašanja kolegov in strank o novi generaciji standarda so nas spodbudila, da smo napisali objavo o teoretičnih osnovah in fizikalnih principih, ki so vanj vgrajeni. Preidimo od zgodovine k fiziki in si podrobneje oglejmo, zakaj sta potrebni tehnologiji OFDMA in MU-MIMO. Povejmo še o tem, kako je temeljito prenovljen fizični medij za prenos podatkov omogočil doseganje zajamčene zmogljivosti kanala in tolikšno znižanje skupne stopnje zakasnitev, da so te postale primerljive z operaterskimi. In to kljub dejstvu, da so sodobna omrežja, ki temeljijo na 5G, dražja (v povprečju 20–30-krat) od notranjih omrežij Wi-Fi 6 s podobnimi zmogljivostmi.
Za Huawei ta tema nikakor ni prazna: rešitve, ki podpirajo Wi-Fi 6, so med našimi najbolj prodornimi izdelki v letu 2020, v katere je bilo vloženih ogromno sredstev. Tukaj je samo en primer: raziskave na področju znanosti o materialih so nam omogočile izbiro zlitine, katere uporaba v radijskih elementih dostopne točke je povečala razmerje med signalom in šumom za 2-3 dB: kapo dol Doronu Ezriju za ta dosežek.
Malo zgodovine
Zgodovino Wi-Fi je smiselno šteti do leta 1971, ko je na Univerzi na Havajih profesor Norman Abramson s skupino kolegov razvil, zgradil in lansiral brezžično paketno podatkovno omrežje ALOHAnet.
Leta 1980 je bila odobrena skupina standardov in protokolov IEEE 802, ki opisujejo organizacijo dveh nižjih plasti sedemplastnega omrežnega modela OSI. Na izdajo prve različice 802.11 smo morali čakati dolgih 17 let.
S sprejetjem standarda 1997 leta 802.11, dve leti pred rojstvom Wi-Fi Alliance, je prva generacija danes najbolj priljubljene brezžične podatkovne tehnologije vstopila v širni svet.
Standard IEEE 802. Generacije Wi-Fi
Prvi standard, ki so ga proizvajalci opreme resnično široko podpirali, je bil 802.11b. Kot vidite, je pogostost inovacij od konca XNUMX. stoletja precej stabilna: kvalitativne spremembe zahtevajo čas. V zadnjih letih je bilo veliko dela opravljenega za izboljšanje fizičnega medija za prenos signala. Da bi bolje razumeli sodobne težave Wi-Fi, se obrnemo na njegove fizične temelje.
Spomnimo se osnov!
Radijski valovi so poseben primer elektromagnetnega valovanja – širijo se iz vira motenj električnega in magnetnega polja. Zanje so značilni trije glavni parametri: valovni vektor ter vektorji električne in magnetne poljske jakosti. Vse tri so med seboj pravokotne. V tem primeru se frekvenca valovanja običajno imenuje število ponavljajočih se nihanj, ki se prilegajo časovni enoti.
Vse to so dobro znana dejstva. Vendar, da bi prišli do konca, smo prisiljeni začeti od samega začetka.
Na konvencionalni lestvici frekvenčnih območij elektromagnetnega sevanja zavzema radijsko območje najnižji (nizkofrekvenčni) del. Vključuje elektromagnetno valovanje s frekvenco nihanja od 3 Hz do 3000 GHz. Vsi drugi pasovi, vključno z vidno svetlobo, imajo veliko višjo frekvenco.
Višja kot je frekvenca, več energije je mogoče prenesti na radijski val, vendar se hkrati slabše upogiba okoli ovir in hitreje slabi. Velja tudi obratno. Ob upoštevanju teh lastnosti sta bili za delovanje Wi-Fi izbrani dve glavni frekvenčni razponi - 2,4 GHz (frekvenčni pas od 2,4000 do 2,4835 GHz) in 5 GHz (frekvenčni pasovi 5,170-5,330, 5,490-5,730 in 5,735-5,835 GHz).
Radijski valovi se širijo v vse smeri in da sporočila ne bi vplivala druga na drugo zaradi interferenčnega učinka, je frekvenčni pas običajno razdeljen na ločene ozke odseke - kanale z eno ali drugo . Zgornji diagram kaže, da bosta sosednja kanala 1 in 2 s pasovno širino 20 MHz motila drug drugega, 1 in 6 pa ne.
Signal znotraj kanala se prenaša z uporabo radijskih valov na določeni nosilni frekvenci. Za prenos informacij so lahko valovni parametri po frekvenci, amplitudi ali fazi.
Ločevanje kanalov v frekvenčnih območjih Wi-Fi
Frekvenčno območje 2,4 GHz je razdeljeno na 14 delno prekrivajočih se kanalov z optimalno širino 20 MHz. Nekoč je veljalo, da je to povsem dovolj za organizacijo kompleksnega brezžičnega omrežja. Kmalu je postalo jasno, da se zmogljivost območja hitro izčrpava, zato so mu dodali območje 5 GHz, katerega spektralna zmogljivost je veliko večja. V njem je poleg kanalov 20 MHz mogoče dodeliti kanale širine 40 in 80 MHz.
Za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti uporabe radiofrekvenčnega spektra se zdaj pogosto uporablja tehnologija pravokotnega frekvenčnega multipleksiranja ().
Gre za uporabo poleg nosilne frekvence tudi več podnosilnih frekvenc v istem kanalu, kar omogoča izvajanje vzporednega prenosa podatkov. OFDM vam omogoča distribucijo prometa na dokaj priročen "zrnat" način, vendar zaradi svoje častitljive starosti ohranja številne pomembne pomanjkljivosti. Med njimi so tudi principi delovanja po omrežnem protokolu CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), po katerem lahko na enem nosilcu in podnosilcu v določenih trenutkih deluje samo en uporabnik.
Prostorski tokovi
Pomemben način za povečanje prepustnosti brezžičnega omrežja je uporaba prostorskih tokov.
Dostopna točka nosi več radijskih modulov (enega, dveh ali več), ki so povezani z določenim številom anten. Te antene sevajo v skladu z določenim vzorcem in modulacijo, vi in jaz pa sprejemamo informacije, ki se prenašajo po brezžičnem mediju. Prostorski tok se lahko oblikuje med določeno fizično anteno (radijskim modulom) dostopne točke in uporabniško napravo. Zahvaljujoč temu se skupna količina informacij, ki se prenašajo iz dostopne točke, poveča za večkratnik števila tokov (anten).
Po trenutnih standardih je mogoče v pasu 2,4 GHz izvajati do štiri prostorske tokove, v pasu 5 GHz pa do osem.
Prej smo se pri delu v pasovih 2,4 in 5 GHz osredotočali le na število radijskih modulov. Prisotnost drugega radijskega modula je zagotovila dodatno fleksibilnost, saj je starim naročniškim napravam omogočila delovanje na frekvenci 2,4 GHz, novim pa na frekvenci 5 GHz. S prihodom tretjega in naslednjih radijskih modulov so se pojavile nekatere težave. Sevalni elementi se medsebojno motijo, kar poveča stroške naprave zaradi potrebe po boljši zasnovi in opremljanju dostopne točke s kompenzacijskimi filtri. Tako je šele pred kratkim postalo mogoče sočasno podpirati 16 prostorskih tokov na dostopno točko.
Praktična in teoretična hitrost
Zaradi mehanizmov delovanja OFDM nismo mogli doseči največje prepustnosti omrežja. Teoretični izračuni za praktično implementacijo OFDM so bili izvedeni že zdavnaj in le v povezavi z idealnimi okolji, kjer je bilo predvidljivo pričakovati dokaj visoko razmerje med signalom in šumom (SNR) in stopnjo bitnih napak (BER). V sodobnih razmerah močnega šuma v vseh radiofrekvenčnih spektrih, ki nas zanimajo, je prepustnost omrežij, ki temeljijo na OFDM, depresivno nizka. In protokol je imel te pomanjkljivosti do nedavnega, dokler ni na pomoč priskočila tehnologija OFDMA (ortogonalni frekvenčni večkratni dostop). O njej - malo naprej.
Pogovorimo se o antenah
Kot veste, ima vsaka antena dobiček, glede na vrednost katerega se oblikuje prostorski vzorec širjenja signala (formiranje snopa) z določenim območjem pokrivanja (ne upoštevamo ponovnega odboja signala itd.). Natančno to je tisto, kar so oblikovalci vedno temeljili na svojih sklepih o tem, kje točno naj bodo dostopne točke postavljene. Dolgo časa je oblika vzorca ostala nespremenjena in se le povečevala ali zmanjševala sorazmerno z lastnostmi antene.
Sodobni antenski elementi postajajo vse bolj vodljivi in omogočajo dinamično spreminjanje prostorskega vzorca širjenja signala v realnem času.
Zgornja leva slika prikazuje princip širjenja radijskih valov z uporabo standardne vsesmerne antene. S povečanjem moči signala bi lahko spreminjali le radij pokritosti brez možnosti pomembnega vpliva na kakovost uporabe kanala – KQI (Key Quality Indicators). In ta indikator je izjemno pomemben pri organizaciji komunikacij v pogojih pogostega premikanja naročniške naprave v brezžičnem okolju.
Rešitev problema je bila uporaba velikega števila majhnih anten, katerih obremenitev je mogoče prilagajati v realnem času in oblikovati vzorce širjenja glede na prostorski položaj uporabnika.
Tako se je bilo mogoče približati uporabi tehnologije MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Z njegovo pomočjo dostopna točka v vsakem trenutku ustvarja tokove sevanja, usmerjene posebej proti naročniškim napravam.
Od fizike do standardov 802.11
Z razvojem standardov Wi-Fi so se spremenila načela dela s fizično plastjo omrežja. Uporaba drugih modulacijskih mehanizmov je omogočila - začenši z različicami 802.11g/n -, da se v časovno režo umesti veliko več informacij in posledično delo z večjim številom uporabnikov. Med drugim je bilo to doseženo z uporabo prostorskih tokov. In novo odkrita prilagodljivost širine kanala je omogočila ustvarjanje več virov za MIMO.
Prihodnje leto je predvidena odobritev standarda Wi-Fi 7. Kaj se bo spremenilo z njegovim prihodom? Poleg običajnega povečanja hitrosti in dodajanja pasu 6 GHz bo mogoče delati s širokimi agregiranimi kanali, kot je 320 MHz. To je še posebej zanimivo v kontekstu industrijskih aplikacij.
Teoretična prepustnost Wi-Fi 6
Teoretična formula za izračun nazivne hitrosti Wi-Fi 6 je precej zapletena in je odvisna od številnih parametrov, začenši s številom prostorskih tokov in konča z informacijami, ki jih lahko vnesemo v podnosilec (ali podnosilce, če jih je več). njih) na časovno enoto.
Kot vidite, je veliko odvisno od prostorskih tokov. Pred tem pa je povečanje njihovega števila v kombinaciji z uporabo STC (Space-Time Coding) in MRC (Maximum Ratio Combining) poslabšalo delovanje brezžične rešitve kot celote.
Nove ključne tehnologije fizičnega sloja
Preidimo na ključne tehnologije fizične plasti – in začnimo s prvo plastjo omrežnega modela OSI.
Spomnimo se, da OFDM uporablja določeno število podnosilcev, ki so sposobni prenesti določeno količino informacij, ne da bi vplivali drug na drugega.
V primeru uporabljamo pas 5,220 GHz, ki vsebuje 48 podkanalov. Z združevanjem tega kanala dobimo večje število podnosilcev, od katerih vsak uporablja svojo modulacijsko shemo.
Wi-Fi 5 uporablja kvadraturno amplitudno modulacijo 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ki omogoča oblikovanje polja 16 x 16 točk znotraj nosilne frekvence v eni časovni reži, ki se razlikujejo po amplitudi in fazi. Neprijetnost je, da lahko v danem trenutku na nosilni frekvenci oddaja samo ena postaja.
Ortogonalno frekvenčno multipleksiranje (OFDMA) je prišlo iz sveta mobilnih operaterjev, se je razširilo sočasno z LTE in se uporablja za organizacijo povezave navzdol (komunikacijski kanal do naročnika). Omogoča vam delo s kanalom na ravni tako imenovanih enot virov. Te enote pomagajo razdeliti blok na določeno število komponent. Znotraj bloka v vsakem trenutku ne moremo delati izključno z enim oddajnim elementom (uporabnikom ali dostopno točko), temveč združujemo več deset elementov. To vam omogoča doseganje izjemnih rezultatov.
Enostavna povezava kanalov v Wi-Fi 6
Channel Bonding v Wi-Fi 6 omogoča pridobitev kombiniranih kanalov s širino od 20 do 160 MHz. Poleg tega povezave ni treba vzpostaviti v bližnjih območjih. Na primer, en blok je mogoče vzeti iz pasu 5,17 GHz, drugi pa iz pasu 5,135 GHz. To vam omogoča prilagodljivo gradnjo radijskega okolja tudi v prisotnosti močnih motenj ali v bližini drugih postaj, ki nenehno oddajajo.
Od SIMO do MIMO
Metoda MIMO ni bila vedno z nami. Nekoč je bilo treba mobilno komunikacijo omejiti na način SIMO, kar je pomenilo prisotnost več anten na naročniški postaji, ki so hkrati delale za sprejemanje informacij.
MU-MIMO je zasnovan za prenos informacij uporabnikom z uporabo celotne trenutne zaloge anten. To odpravlja omejitve, ki jih je prej nalagal protokol CSMA/CA, povezane s pošiljanjem žetonov naročniškim napravam za prenos. Zdaj so uporabniki združeni v skupino in vsak član skupine prejme svoj delež vira antene dostopne točke, namesto da bi čakal na vrsto.
Oblikovanje radijskega žarka
Pomembno pravilo za delovanje MU-MIMO je vzdrževanje načina delovanja antenskega niza, ki ne bi povzročil medsebojnega prekrivanja radijskih valov in izgube informacij zaradi dodajanja faz.
To zahteva zapletene matematične izračune na strani dostopne točke. Če terminal podpira to funkcijo, mu MU-MIMO omogoča, da dostopni točki pove, koliko časa traja sprejem signala na posamezni anteni. In dostopna točka prilagodi svoje antene, da tvorijo optimalno usmerjen žarek.
Kaj nam to na splošno daje?
Beli krogi s številkami v tabeli označujejo trenutne scenarije uporabe Wi-Fi prejšnjih generacij. Modri krogi (glej ilustracijo zgoraj) opisujejo zmogljivosti Wi-Fi 6, sivi pa so stvar bližnje prihodnosti.
Glavne prednosti, ki jih prinašajo nove rešitve, ki podpirajo OFDMA, so povezane z enotami virov, implementiranimi na ravni, podobni TDM (Time Division Multiplexing). Pri Wi-Fi še nikoli ni bilo tako. To vam omogoča jasen nadzor dodeljene pasovne širine, kar zagotavlja minimalen čas prehoda signala skozi medij in zahtevano raven zanesljivosti. Na srečo nihče ne dvomi, da je treba izboljšati kazalnike zanesljivosti Wi-Fi.
Zgodovina se giblje v spirali, trenutna situacija pa je podobna tisti, ki se je nekoč razvila okoli Etherneta. Že takrat se je uveljavilo mnenje, da prenosni medij CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ne zagotavlja zagotovljene prepustnosti. In to se je nadaljevalo do prehoda na IEEE 802.3z.
Kar zadeva splošne modele aplikacij, kot lahko vidite, se z vsako generacijo Wi-Fi scenariji njegove uporabe množijo, vedno bolj občutljivi na zamude, splošne in zanesljivost.
In spet o fizičnem okolju
No, zdaj pa se pogovorimo o tem, kako nastane novo fizično okolje. Pri uporabi CSMA/CA in OFDM je povečanje števila aktivnih STA povzročilo resen padec prepustnosti kanala 20 MHz. To je bilo zaradi tega, kar je bilo že omenjeno: ne najnovejših tehnologij STC (Space-Time Coding) in MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA lahko z uporabo enot virov učinkovito komunicira s postajami na dolge razdalje in postajami z nizko porabo energije. Dobimo priložnost delati v istem obsegu operaterja z uporabniki, ki porabijo različne količine virov. En uporabnik lahko zasede eno enoto, drugi pa vse ostale.
Zakaj prej ni bilo OFDMA?
In končno, glavno vprašanje: zakaj prej ni bilo OFDMA? Nenavadno je, da je vse ostalo pri denarju.
Dolgo časa je veljalo, da mora biti cena modula Wi-Fi minimalna. Ko je bil protokol leta 1997 uveden v komercialno uporabo, je bilo odločeno, da proizvodni stroški takšnega modula ne smejo preseči 1 USD. Zaradi tega je razvoj tehnologije ubral neoptimalno pot. Pri tem ne upoštevamo operaterja LTE, kjer se OFDMA uporablja že precej časa.
Končno se je delovna skupina za Wi-Fi odločila, da ta razvoj prevzame iz sveta telekomunikacijskih operaterjev in ga prenese v svet poslovnih omrežij. Glavna naloga je bil prehod na uporabo kakovostnejših elementov, kot so filtri in oscilatorji.
Zakaj nam je bilo tako težko delati v starih MRC kodiranjih z ali brez motenj? Ker je mehanizem za oblikovanje snopa MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) močno povečal število napak, takoj ko smo poskušali združiti veliko število oddajnih točk. OFDMA je dokazal, da je težavo mogoče rešiti.
Boj proti motnjam zdaj temelji na matematiki. Če je oddajno okno dovolj dolgo, nastale dinamične motnje povzročajo težave. Novi algoritmi delovanja omogočajo, da se jim izognemo in odpravimo vpliv ne le motenj, povezanih s prenosom Wi-Fi, temveč tudi vseh drugih, ki se pojavljajo v tem območju.
Zahvaljujoč prilagodljivemu preprečevanju motenj lahko dosežemo povečanja do 11 dB tudi v zapletenih heterogenih okoljih. Uporaba Huaweijevih lastnih algoritemskih rešitev je omogočila resno optimizacijo točno tam, kjer je bila potrebna – v notranjih rešitvah. Kar je dobro v 5G, ni nujno dobro v okolju Wi-Fi 6. Masivna pristopa MIMO in MU-MIMO se razlikujeta v primeru notranjih in zunanjih rešitev. Kjer je potrebno, je primerno uporabiti drage rešitve, kot je 5G. Vendar so potrebne druge možnosti, kot je Wi-Fi 6, ki lahko zagotovi zakasnitev in druge meritve, ki jih pričakujemo od operaterjev.
Od njih si izposodimo orodja, ki bodo koristna za nas kot poslovne potrošnike, vse v prizadevanju, da zagotovimo fizično okolje, na katerega se lahko zanesemo.
***
Mimogrede, ne pozabite na naše številne spletne seminarje o novih izdelkih Huawei leta 2020, ki potekajo ne le v segmentu ruskega jezika, ampak tudi na svetovni ravni. Seznam spletnih seminarjev za prihodnje tedne je na voljo na .
Vir: www.habr.com