Në zhvillimet e tij, Huawei mbështetet në Wi-Fi 6. Dhe pyetjet nga kolegët dhe klientët rreth gjeneratës së re të standardit na shtynë të shkruajmë një postim rreth themeleve teorike dhe parimeve fizike të ngulitura në të. Le të kalojmë nga historia në fizikë dhe të shohim në detaje pse nevojiten teknologjitë OFDMA dhe MU-MIMO. Le të flasim gjithashtu se si një medium i ridizajnuar rrënjësisht i transmetimit të të dhënave bëri të mundur arritjen e kapacitetit të garantuar të kanalit dhe një ulje të tillë të nivelit të përgjithshëm të vonesave saqë ato u bënë të krahasueshme me ato të një operatori. Dhe kjo pavarësisht nga fakti se rrjetet moderne të bazuara në 5G janë më të shtrenjta (mesatarisht 20-30 herë) sesa rrjetet e brendshme Wi-Fi 6 me aftësi të ngjashme.
Për Huawei, tema nuk është aspak e kotë: zgjidhjet që mbështesin Wi-Fi 6 janë ndër produktet tona më të reja në vitin 2020, në të cilat janë investuar burime të mëdha. Këtu është vetëm një shembull: kërkimet në fushën e shkencës së materialeve na lejuan të zgjidhnim një aliazh, përdorimi i të cilit në elementët radio të një pike aksesi rriti raportin sinjal-zhurmë me 2-3 dB: kapele Doron Ezri për këtë arritje.
Pak histori
Ka kuptim të numërojmë historinë e Wi-Fi në vitin 1971, kur në Universitetin e Hawaii, profesori Norman Abramson dhe një grup kolegësh zhvilluan, ndërtuan dhe lançuan rrjetin e të dhënave pa tel të paketave ALOHAnet.
Në vitin 1980, u miratua një grup standardesh dhe protokollesh IEEE 802, duke përshkruar organizimin e dy shtresave të poshtme të modelit të rrjetit OSI me shtatë shtresa. Na u desh të prisnim 802.11 vite të gjata përpara lëshimit të versionit të parë të 17.
Me miratimin e standardit 1997 në 802.11, dy vjet para lindjes së Aleancës Wi-Fi, gjenerata e parë e teknologjisë më të njohur të të dhënave pa tel sot hyri në botën më të gjerë.
Standardi IEEE 802. Gjeneratat e Wi-Fi
Standardi i parë që u mbështet vërtet gjerësisht nga prodhuesit e pajisjeve ishte 802.11b. Siç mund ta shihni, frekuenca e inovacioneve ka qenë mjaft e qëndrueshme që nga fundi i shekullit të XNUMX-të: ndryshimet cilësore kërkojnë kohë. Vitet e fundit, është bërë shumë punë për të përmirësuar mediumin fizik të transmetimit të sinjalit. Për të kuptuar më mirë problemet moderne të Wi-Fi, le t'i drejtohemi themeleve fizike të tij.
Le të kujtojmë bazat!
Valët e radios janë një rast i veçantë i valëve elektromagnetike - që përhapen nga një burim i shqetësimeve të fushës elektrike dhe magnetike. Ato karakterizohen nga tre parametra kryesorë: vektori i valës, si dhe vektorët e fuqisë së fushës elektrike dhe magnetike. Të tre janë reciprokisht pingul me njëri-tjetrin. Në këtë rast, frekuenca e një vale zakonisht quhet numri i lëkundjeve të përsëritura që përshtaten në një njësi të kohës.
Të gjitha këto janë fakte të njohura. Megjithatë, për të arritur në fund, ne jemi të detyruar të fillojmë nga fillimi.
Në shkallën konvencionale të diapazonit të frekuencës së rrezatimit elektromagnetik, diapazoni i radios zë pjesën më të ulët (me frekuencë të ulët). Ai përfshin valë elektromagnetike me një frekuencë lëkundjeje nga 3 Hz në 3000 GHz. Të gjitha brezat e tjerë, duke përfshirë dritën e dukshme, kanë një frekuencë shumë më të lartë.
Sa më e lartë të jetë frekuenca, aq më shumë energji mund t'i jepet valës së radios, por në të njëjtën kohë ajo përkulet rreth pengesave më pak mirë dhe zbutet më shpejt. E kundërta është gjithashtu e vërtetë. Duke marrë parasysh këto veçori, u zgjodhën dy gamë kryesore të frekuencave për funksionimin e Wi-Fi - 2,4 GHz (brezi i frekuencës nga 2,4000 në 2,4835 GHz) dhe 5 GHz (bandat e frekuencave 5,170-5,330, 5,490-5,730 dhe 5,735 GHz).
Valët e radios përhapen në të gjitha drejtimet, dhe për të parandaluar që mesazhet të ndikojnë njëri-tjetrin për shkak të efektit të ndërhyrjes, brezi i frekuencës zakonisht ndahet në seksione të veçanta të ngushta - kanale me një ose një tjetër. . Diagrami i mësipërm tregon se kanalet ngjitur 1 dhe 2 me një gjerësi brezi prej 20 MHz do të ndërhyjnë me njëri-tjetrin, por 1 dhe 6 jo.
Sinjali brenda kanalit transmetohet duke përdorur një valë radio në një frekuencë të caktuar bartës. Për të transmetuar informacion, parametrat e valës mund të jenë sipas frekuencës, amplitudës ose fazës.
Ndarja e kanaleve në intervalet e frekuencave Wi-Fi
Gama e frekuencës 2,4 GHz është e ndarë në 14 kanale pjesërisht të mbivendosura me një gjerësi optimale prej 20 MHz. Dikur besohej se kjo ishte mjaft e mjaftueshme për të organizuar një rrjet kompleks pa tel. Shumë shpejt u bë e qartë se kapaciteti i diapazonit po shterohej me shpejtësi, kështu që atij iu shtua diapazoni 5 GHz, kapaciteti spektral i të cilit është shumë më i lartë. Në të, përveç kanaleve 20 MHz, është e mundur të ndahen kanale me gjerësi 40 dhe 80 MHz.
Për të përmirësuar më tej efikasitetin e përdorimit të spektrit të radiofrekuencave, tani përdoret gjerësisht teknologjia e shumëfishimit të ndarjes së frekuencës ortogonale ().
Ai përfshin përdorimin, së bashku me frekuencën e bartësit, disa frekuenca nënbartëse në të njëjtin kanal, gjë që bën të mundur kryerjen e transmetimit paralel të të dhënave. OFDM ju lejon të shpërndani trafikun në një mënyrë "granulare" mjaft të përshtatshme, por për shkak të moshës së tij të nderuar, ai ruan një sërë disavantazhesh të rëndësishme. Midis tyre janë parimet e punës duke përdorur protokollin e rrjetit CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), sipas të cilit vetëm një përdorues mund të punojë në një operator dhe nënbartës në kohë të caktuara.
Rrjedhat hapësinore
Një mënyrë e rëndësishme për të rritur qarkullimin e rrjetit pa tel është nëpërmjet përdorimit të rrymave hapësinore.
Pika e hyrjes mbart disa module radio (një, dy ose më shumë), të cilat janë të lidhura me një numër të caktuar antenash. Këto antena rrezatojnë sipas një modeli dhe modulimi të caktuar, dhe ju dhe unë marrim informacione të transmetuara përmes një mediumi me valë. Rrjedha hapësinore mund të formohet midis një antene specifike fizike (moduli radio) të pikës së hyrjes dhe pajisjes së përdoruesit. Falë kësaj, vëllimi i përgjithshëm i informacionit të transmetuar nga pika e hyrjes rritet me një shumëfish të numrit të rrymave (antenave).
Sipas standardeve aktuale, deri në katër rryma hapësinore mund të zbatohen në brezin 2,4 GHz dhe deri në tetë në brezin 5 GHz.
Më parë, kur punonim në brezat 2,4 dhe 5 GHz, ne fokusoheshim vetëm në numrin e moduleve të radios. Prania e një moduli të dytë radio siguron fleksibilitet shtesë, pasi lejonte që pajisjet e vjetra të pajtimtarëve të funksiononin në një frekuencë prej 2,4 GHz dhe ato të reja të funksiononin në një frekuencë prej 5 GHz. Me ardhjen e moduleve të treta dhe të mëvonshme të radios, u shfaqën disa probleme. Elementet rrezatuese priren të ndërhyjnë me njëri-tjetrin, gjë që rrit koston e pajisjes për shkak të nevojës për dizajn më të mirë dhe pajisjen e pikës së hyrjes me filtra kompensimi. Pra, vetëm kohët e fundit është bërë e mundur që të mbështeten njëkohësisht 16 rryma hapësinore për pikë aksesi.
Shpejtësia praktike dhe teorike
Për shkak të mekanizmave të funksionimit të OFDM, ne nuk mundëm të merrnim xhiron maksimale të rrjetit. Llogaritjet teorike për zbatimin praktik të OFDM u kryen shumë kohë më parë dhe vetëm në lidhje me mjediset ideale, ku pritej një raport mjaft i lartë sinjal-zhurmë (SNR) dhe shkalla e gabimit të bitit (BER). Në kushtet moderne të zhurmës së fortë në të gjitha spektret e radiofrekuencave që na interesojnë, xhiroja e rrjeteve të bazuara në OFDM është jashtëzakonisht e ulët. Dhe protokolli vazhdoi t'i mbante këto mangësi deri vonë, derisa teknologjia OFDMA (qasja e shumëfishtë me ndarje ortogonale të frekuencës) erdhi në shpëtim. Rreth saj - pak më tej.
Le të flasim për antenat
Siç e dini, çdo antenë ka një fitim, në varësi të vlerës së së cilës formohet një model hapësinor i përhapjes së sinjalit (formimi i rrezes) me një zonë të caktuar mbulimi (ne nuk marrim parasysh rireflektimin e sinjalit, etj.). Kjo është pikërisht ajo që dizajnerët e kanë bazuar gjithmonë arsyetimin e tyre se ku duhet të vendosen saktësisht pikat e hyrjes. Për një kohë të gjatë, forma e modelit mbeti e pandryshuar dhe vetëm u rrit ose u ul në përpjesëtim me karakteristikat e antenës.
Elementet moderne të antenës po bëhen gjithnjë e më të kontrollueshëm dhe lejojnë ndryshime dinamike në modelin hapësinor të përhapjes së sinjalit në kohë reale.
Figura e majtë e mësipërme tregon parimin e përhapjes së valëve të radios duke përdorur një antenë standarde gjithëdrejtuese. Duke rritur fuqinë e sinjalit, ne mund të ndryshonim vetëm rrezen e mbulimit pa aftësinë për të ndikuar ndjeshëm në cilësinë e përdorimit të kanalit - KQI (Key Quality Indicators). Dhe ky tregues është jashtëzakonisht i rëndësishëm kur organizoni komunikime në kushte të lëvizjes së shpeshtë të pajisjes së pajtimtarit në një mjedis pa tel.
Zgjidhja e problemit ishte përdorimi i një numri të madh antenash të vogla, ngarkesa në të cilat mund të rregullohet në kohë reale, duke formuar modele përhapjeje në varësi të pozicionit hapësinor të përdoruesit.
Kështu, u bë e mundur që t'i afroheshim përdorimit të teknologjisë MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Me ndihmën e saj, pika e hyrjes në çdo kohë gjeneron flukse rrezatimi të drejtuara posaçërisht drejt pajisjeve të pajtimtarëve.
Nga fizika në standardet 802.11
Ndërsa standardet Wi-Fi evoluan, parimet e punës me shtresën fizike të rrjetit ndryshuan. Përdorimi i mekanizmave të tjerë të modulimit ka bërë të mundur - duke filluar me versionet e 802.11g/n - të vendoset një sasi shumë më e madhe informacioni në një slot kohor dhe, në përputhje me rrethanat, të punohet me një numër më të madh përdoruesish. Ndër të tjera, kjo u arrit përmes përdorimit të rrjedhave hapësinore. Dhe fleksibiliteti i sapogjetur për sa i përket gjerësisë së kanalit ka bërë të mundur gjenerimin e më shumë burimeve për MIMO.
Aprovimi i standardit Wi-Fi 7 është planifikuar për vitin e ardhshëm Çfarë do të ndryshojë me ardhjen e tij? Përveç rritjes së zakonshme të shpejtësisë dhe shtimit të brezit 6 GHz, do të jetë e mundur të punohet me kanale të gjera të grumbulluara, të tilla si 320 MHz. Kjo është veçanërisht interesante në kontekstin e aplikimeve industriale.
Rrjedha teorike Wi-Fi 6
Formula teorike për llogaritjen e shpejtësisë nominale të Wi-Fi 6 është mjaft komplekse dhe varet nga shumë parametra, duke filluar me numrin e rrymave hapësinore dhe duke përfunduar me informacionin që mund të vendosim në një nënbartës (ose nënbartës, nëse ka disa prej tyre ato) për njësi të kohës.
Siç mund ta shihni, shumë varet nga rrjedhat hapësinore. Por më parë, një rritje në numrin e tyre në kombinim me përdorimin e STC (Space-Time Coding) dhe MRC (Maximum Ratio Combining) përkeqësoi performancën e zgjidhjes me valë në tërësi.
Teknologjitë e reja kyçe të shtresave fizike
Le të kalojmë te teknologjitë kryesore të shtresës fizike - dhe të fillojmë me shtresën e parë të modelit të rrjetit OSI.
Kujtojmë se OFDM përdor një numër të caktuar nënbartësish, të cilët, pa prekur njëri-tjetrin, janë në gjendje të transmetojnë një sasi të caktuar informacioni.
Në shembull, ne përdorim brezin 5,220 GHz, i cili përmban 48 nënkanale. Duke grumbulluar këtë kanal, marrim një numër më të madh të nënbartësve, secili prej të cilëve përdor skemën e vet të modulimit.
Wi-Fi 5 përdor modulimin e amplitudës kuadratike 256 QAM (Modulimi i Amplitudës kuadratike), i cili ju lejon të formoni një fushë prej 16 x 16 pikash brenda frekuencës së bartësit në një slot kohor, të ndryshme në amplitudë dhe fazë. Shqetësimi është se në çdo moment të caktuar vetëm një stacion mund të transmetojë në frekuencën e bartësit.
Multipleksimi ortogonal i ndarjes së frekuencës (OFDMA) erdhi nga bota e operatorëve celularë, u përhap në të njëjtën kohë me LTE dhe përdoret për të organizuar një downlink (kanal komunikimi me pajtimtarin). Kjo ju lejon të punoni me kanalin në nivelin e të ashtuquajturave njësi burimore. Këto njësi ndihmojnë në zbërthimin e një blloku në një numër të caktuar komponentësh. Brenda një blloku, në çdo moment nuk mund të punojmë rreptësisht me një element emetues (përdorues ose pikë aksesi), por të kombinojmë dhjetëra elementë. Kjo ju lejon të arrini rezultate të jashtëzakonshme.
Lidhje e lehtë e kanaleve në Wi-Fi 6
Lidhja e kanaleve në Wi-Fi 6 ju lejon të merrni kanale të kombinuara me një gjerësi prej 20 deri në 160 MHz. Për më tepër, lidhja nuk duhet të bëhet në vargjet e afërta. Për shembull, një bllok mund të merret nga brezi 5,17 GHz, dhe i dyti nga brezi 5,135 GHz. Kjo ju lejon të ndërtoni në mënyrë fleksibël një mjedis radioje edhe në prani të faktorëve të fortë të ndërhyrjes ose në afërsi me stacione të tjera që emetojnë vazhdimisht.
Nga SIMO në MIMO
Metoda MIMO nuk ka qenë gjithmonë me ne. Njëherë e një kohë, komunikimet celulare duhej të kufizoheshin në modalitetin SIMO, gjë që nënkuptonte praninë e disa antenave në stacionin e abonentëve, duke punuar njëkohësisht për të marrë informacion.
MU-MIMO është krijuar për të transmetuar informacion tek përdoruesit duke përdorur të gjithë stokun aktual të antenës. Kjo heq kufizimet e vendosura më parë nga protokolli CSMA/CA lidhur me dërgimin e argumenteve te pajisjet e pajtimtarëve për transmetim. Tani përdoruesit janë bashkuar në një grup dhe secili anëtar i grupit merr pjesën e tij të burimit të antenës së pikës së aksesit, në vend që të presin radhën e tyre.
Formimi i rrezeve të radios
Një rregull i rëndësishëm për funksionimin e MU-MIMO është ruajtja e një mënyre funksionimi të grupit të antenës që nuk do të çonte në mbivendosje të ndërsjellë të valëve të radios dhe humbje informacioni për shkak të shtimit të fazës.
Kjo kërkon llogaritje komplekse matematikore në anën e pikës së hyrjes. Nëse terminali e mbështet këtë veçori, MU-MIMO e lejon atë t'i tregojë pikës së hyrjes se sa kohë duhet për të marrë një sinjal në çdo antenë specifike. Dhe pika e hyrjes, nga ana tjetër, rregullon antenat e saj për të formuar një rreze të drejtuar në mënyrë optimale.
Çfarë na jep kjo në përgjithësi?
Rrathët e bardhë me numra në tabelë tregojnë skenarët aktualë për përdorimin e Wi-Fi të gjeneratave të mëparshme. Rrathët blu (shih ilustrimin më lart) përshkruajnë aftësitë e Wi-Fi 6, dhe ato gri janë çështje e së ardhmes së afërt.
Përfitimet kryesore që sjellin zgjidhjet e reja të aktivizuara me OFDMA lidhen me njësitë e burimeve të zbatuara në një nivel të ngjashëm me TDM (Time Division Multiplexing). Ky nuk ishte rasti me Wi-Fi më parë. Kjo ju lejon të kontrolloni qartë gjerësinë e brezit të caktuar, duke siguruar kohën minimale të transitit të sinjalit përmes mediumit dhe nivelin e kërkuar të besueshmërisë. Për fat të mirë, askush nuk dyshon se treguesit e besueshmërisë së Wi-Fi kanë nevojë për përmirësim.
Historia lëviz në një spirale dhe situata aktuale është e ngjashme me atë që u zhvillua rreth Ethernetit në një kohë. Edhe atëherë, u krijua mendimi se mediumi i transmetimit CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) nuk ofron ndonjë xhiro të garantuar. Dhe kjo vazhdoi deri në kalimin në IEEE 802.3z.
Sa i përket modeleve të përgjithshme të aplikacioneve, siç mund ta shihni, me çdo gjeneratë të Wi-Fi, skenarët e përdorimit të tij po shumohen, gjithnjë e më shumë i ndjeshëm ndaj vonesave, të përgjithshme. dhe besueshmërinë.
Dhe përsëri për mjedisin fizik
Epo, tani le të flasim se si është formuar mjedisi i ri fizik. Kur përdorni CSMA/CA dhe OFDM, një rritje në numrin e pikave aktive (Active STAs) çoi në faktin se xhiroja e kanalit 20 MHz ra ndjeshëm. Kjo ishte për shkak të asaj që është përmendur tashmë: jo teknologjitë më të reja STC (Space-Time Coding) dhe MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, nëpërmjet përdorimit të njësive të burimeve, mund të ndërveprojë në mënyrë efektive me stacionet në distanca të gjata dhe me energji të ulët. Ne kemi mundësinë të punojmë në të njëjtin gamë operatori me përdoruesit që konsumojnë sasi të ndryshme burimesh. Një përdorues mund të zërë një njësi, dhe një tjetër - të gjithë të tjerët.
Pse nuk kishte OFDMA më parë?
Dhe së fundi, pyetja kryesore: pse nuk kishte OFDMA më parë? Mjaft e çuditshme, gjithçka erdhi në para.
Për një kohë të gjatë besohej se çmimi i një moduli Wi-Fi duhet të ishte minimal. Kur protokolli u lançua në funksionim tregtar në 1997, u vendos që kostoja e prodhimit të një moduli të tillë nuk mund të kalonte $1. Si rezultat, zhvillimi i teknologjisë mori një rrugë jo optimale. Këtu nuk marrim parasysh operatorin LTE, ku OFDMA është përdorur për një kohë mjaft të gjatë.
Në fund të fundit, grupi i punës Wi-Fi vendosi t'i marrë këto zhvillime nga bota e operatorëve të telekomit dhe t'i sjellë ato në botën e rrjeteve të ndërmarrjeve. Detyra kryesore ishte kalimi në përdorimin e elementeve me cilësi më të lartë, siç janë filtrat dhe oshilatorët.
Pse ishte kaq e vështirë për ne që të punonim në kodimet e vjetra MRC me ose pa ndërhyrje? Sepse mekanizmi i formimit të rrezes MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) rriti në mënyrë dramatike numrin e gabimeve sapo u përpoqëm të kombinonim një numër të madh pikash transmetimi. OFDMA ka vërtetuar se problemi mund të zgjidhet.
Lufta kundër ndërhyrjeve tani bazohet në matematikë. Nëse dritarja e transmetimit është mjaft e gjatë, ndërhyrja dinamike që rezulton shkakton probleme. Algoritmet e reja të funksionimit bëjnë të mundur shmangien e tyre, duke eliminuar ndikimin jo vetëm të ndërhyrjeve që lidhen me transmetimin Wi-Fi, por edhe të çdo tjetër që ndodh në këtë interval.
Falë anti-ndërhyrjes adaptive, ne mund të arrijmë përfitime deri në 11 dB edhe në mjedise komplekse heterogjene. Përdorimi i zgjidhjeve algoritmike të Huawei-t bëri të mundur arritjen e optimizimit serioz pikërisht aty ku nevojitej - në zgjidhjet e brendshme. Ajo që është e mirë në 5G nuk është domosdoshmërisht e mirë në një mjedis Wi-Fi 6. Qasjet masive MIMO dhe MU-MIMO ndryshojnë në rastin e zgjidhjeve të brendshme dhe të jashtme. Aty ku kërkohet, është e përshtatshme të përdoren zgjidhje të shtrenjta, si në 5G. Por nevojiten opsione të tjera, të tilla si Wi-Fi 6, i cili mund të japë vonesën dhe metrikat e tjera që kemi pritur nga operatorët.
Ne huazojmë prej tyre mjetet që do të jenë të dobishme për ne si konsumatorë të ndërmarrjeve, të gjitha në një përpjekje për të siguruar një mjedis fizik ku mund të mbështetemi.
***
Nga rruga, mos harroni për webinarët tanë të shumtë për produktet e reja Huawei të vitit 2020, të mbajtura jo vetëm në segmentin në gjuhën ruse, por edhe në nivel global. Një listë e webinareve për javët e ardhshme është në dispozicion në .
Burimi: www.habr.com