Në zhvillimet e saj, Huawei fokusohet te Wi-Fi 6. Dhe pyetjet nga kolegët dhe klientët rreth brezit të ri të standardeve na nxitën të shkruajmë një postim mbi themelet teorike dhe parimet fizike të inkorporuara në të. Nga historia, le të kalojmë te fizika, duke e shqyrtuar me detaje se për çfarë nevojiten teknologjitë OFDMA dhe MU-MIMO. Do të flasim gjithashtu se si një mjedis fizik i rigjeneruar thelbësisht i transmetimit të të dhënave na lejon të arrijmë një kapacitet të garantuar të kanaleve dhe një zvogëlim të tillë të nivelit të përgjithshëm të vonesave, saqë ato janë bërë të krahasueshme me ato të 'operatorëve'. Dhe kjo ndodhi pavarësisht faktit që rrjetet moderne të bazuara në 5G janë më të shtrenjta (në mesatarisht 20-30 herë) se rrjetet e ngjashme me mundësi të brendshme në Wi-Fi 6.
Për Huawei, tema është aspak e rastësishme: zgjidhjet me mbështetje për Wi-Fi 6 janë ndër produktet tona më inovative në vitin 2020, në të cilat u investuan burime të mëdha. Ja një shembull: kërkimet në fushën e materialeve na lejuan të zgjedhim një aleatin, përdorimi i të cilit në elementet radio të pikave të qasjes rriti raportin 'sinjal - zhurmë' me 2-3 dB: i hapim kapelën në nderim të Doron Ezri për këtë arritje.
Pak histori
Historia e Wi-Fi ka kuptim të fillojë nga viti 1971, kur në Universitetin e Hawaii-t, profesori Norman Abramson me një grup kolegësh zhvilloi, ndërtoi dhe çeli një rrjet pa tela të transmetimit të paketave ALOHAnet.
Në vitin 1980 u miratua një grup standardesh dhe protokollesh IEEE 802, që përshkruanin organizimin e dy nivelëve të parë të modelit rrjetor OSI me shtatë nivele. Duhej të prisnim 17 vjet të gjatë deri në lëshimin e versionit të parë 802.11.
Me miratimin në vitin 1997 të standardit 802.11, dy vjet para se të krijohej organizata Wi-Fi Alliance, brezi i parë i teknologjisë më të njohur sot të transmetimit të dhënave pa tela hyri në botën e madhe.
Standardi IEEE 802. Brezat e Wi-Fi
Standardi i parë, i mbështetur në mënyrë masive nga prodhuesit e pajisjeve, ishte 802.11b. Siç mund ta shihni, frekuenca e risive që nga fundi i shekullit të XX ka qenë mjaft e qëndrueshme: për ndryshime cilësore nevojitet kohë. Në vitet e fundit, puna kryesore është përqendruar në përmirësimin e mjedisit fizik të transmetimit të sinjalit. Për ta kuptuar më mirë problematikën moderne të Wi-Fi, le të kthehemi te themelet e tij fizike.
Le të rikujtojmë themelet!
Valët radio janë një rast specifik i valeve elektromagnetike — që shpërndahen nga një burim i shqetësimeve të fushave elektrike dhe magnetike. Ato karakterizohen nga tre parametra të rëndësishëm: vektori i valës, si dhe vektorët e intensitetit të fushave elektrike dhe magnetike. Të tre janë mëndësisht perpendicular me njëri-tjetrin. Frekuenca e valës, me këtë rast, quhet numri i oscillacioneve të përsëritura që ndodhin në një përsiatje kohe.
Të gjitha këto janë fakte të njohura. Megjithatë, për të arritur deri në fund, ne duhet të fillojmë nga fillimi.
Në një shkallë të kushtuar frekuencave të emetimit elektromagnetik, diapazoni radio zë vendin më të ulët (të frekuencave të ulëta). Aty përfshihen valët elektromagnetike me frekuencë oscillimi nga 3 Hz deri në 3000 GHz. Të gjitha diapazonet e tjera, përfshirë dritën e dukshme, kanë një frekuencë shumë më të lartë.
Sa më e lartë të jetë frekuenca, aq më shumë energji mund të përcjellë valës radio, megjithatë, përveç kësaj, ajo e ka më të vështirë të rrotullohet rreth pengesave dhe shuhen më shpejt. E njëjta e vlen për të kundërtën. Duke marrë parasysh këto karakteristika, për funksionimin e Wi-Fi janë zgjedhur dy diapazone kryesore frekuencash — 2,4 GHz (shkalla e frekuencave nga 2,4000 deri në 2,4835 GHz) dhe 5 GHz (shkallat e frekuencave 5,170-5,330, 5,490-5,730 dhe 5,735-5,835 GHz).
Valët radio shpërndahen në të gjitha drejtimet dhe për të siguruar që mesazhet të mos ndikojnë njëra-tjetrën për shkak të efektit të interferencës, diapazoni i frekuencave zakonisht ndahen në segmente të ngushta — kanale me një ose tjetër . Në diagramin më sipër, shihet se kanalet 1 dhe 2 të afërta me gjerësi breze 20 MHz do të ndërhyjnë me njëra-tjetrën, ndërsa kanalet 1 dhe 6 nuk do ta bëjnë këtë.
Signali brenda kanalit transmetohet përmes valës radio në një frekuencë të caktuar bartëse. Për të transmetuar informacionin, parametrat e valës mund të në frekuencë, amplitudë ose fazë.
Ndara e kanaleve në diapazonet e frekuencave Wi-Fi
Diapazoni i frekuencës 2,4 GHz është ndarë në 14 kanale që pjesërisht mbivendosen me njëri-tjetrin me një gjerësi optimale 20 MHz. Disa herë është konsideruar se kjo është mjaftueshëm për të organizuar një rrjet të ndërlikuar pa kabllo. Shpejt u zbulua se kapaciteti i diapazonit ishte shteruar me shpejtësi, kështu që i është shtuar diapazoni 5 GHz, kapaciteti spektral i të cilit është shumë më i lartë. Në të, përveç kanaleve me 20 megahercë, është e mundur të përfshihen kanale me gjerësi 40 dhe 80 MHz.
Për të rritur më tej efikasitetin e përdorimit të spektrit të frekuencave, tani përdoret gjerësisht teknologjia e mnohësimit me ndarje ortogonale të frekuencave (OFDM).).
Ajo përfshin përdorimin e disa frekuencave nën-transportuese përveç frekuencës kryesore në të njëjtin kanal, që mundëson transmetimin paralel të të dhënave. OFDM lejon shpërndarjen e trafikut në një mënyrë mjaft të përshtatshme «granulare», por për shkak të moshës së saj, ruan disa mangësi të rëndësishme. Ndër ato janë parimet e punës sipas protokollit rrjetor CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), sipas të cilit në disa momente të caktuara një përdorues mund të punojë vetëm në një frekuencë kryesore dhe nën-transportuese.
Fluxet hapësinore
Një mënyrë e rëndësishme për të rritur kapacitetin e rrjetit wireless është përdorimi i fluxeve hapësinore.
Pika e aksesit ka disa module radiove (një, dy ose më shumë) të lidhura me disa antena. Këto antena dërgojnë në një skemë të caktuar dhe modulacion dhe ne marrim informacionin e dërguar përmes mjedisit wireless. Një flux hapësinor mund të formohet midis një antene fizike të veçantë (modulit radio) të pikës së aksesit dhe pajisjes së përdoruesit. Falë kësaj, sasia totale e informacionit të dërguar nga pika e aksesit rritet shumëfish me numrin e fluxeve (antenave).
Sipas standarteve aktuale, në diapazonin e 2.4 GHz mund të realizohen deri në katër fluxe hapësinore, ndërsa në diapazonin e 5 GHz deri në tetë.
Njëherë, gjatë punës në diapazonet 2,4 dhe 5 GHz, ne orientoheshim vetëm mbi numrin e modulëve radio. Prania e modulit të dytë radio i jepte fleksibilitet shtesë, pasi lejonte pajisjet e vjetra të abonentëve të funksiononin në frekuencën 2,4 GHz, ndërsa ato të reja në frekuencën 5 GHz. Me shfaqjen e modulëve të tretë dhe më shumë, shpërthyen disa probleme. Elementet emetuese kanë prirjen të krijojnë ndërhyrje me njëra-tjetrën, e cila rrit kostot e pajisjes për shkak të nevojës për një projektim më cilësor dhe për përmirësimin e pikës së qasjes me filtra kompensues. Prandaj, vetëm së fundmi është bërë e mundur mbështetjeja e njëkohshme e 16 rrjedhave hapësinore në një pikë qasje.
Shpejtësia praktike dhe teorike
Për shkak të mekanizmave të funksionimit të OFDM, ne nuk mundëm të arrijmë kapacitetin maksimal të rrjetit. Llogaritjet teorike për zbatimin praktik të OFDM janë kryer shumë kohë më parë dhe vetëm në lidhje me mjedise ideale, ku pritej një raport i mjaftueshëm i sinjalit në zhurmë (SNR) dhe probabiliteti i gabimit për bit (BER). Në kushte moderne, me një nivel të lartë zhurme në të gjitha spektrat radiofrekvencor që na interesojnë, treguesit e kapacitetit të rrjeteve me bazë OFDM janë të mjerueshëm. Dhe protokolli deri vonë vazhdoi të kishte këto disavantazhe, derisa teknologjia OFDMA (access multiple me ndarjen ortogonale të frekuencave) erdhi në ndihmë. Më shumë për të - pak më vonë.
Të flasim për antennas
Siç e dini, çdo antenë ka një koeficient fitimi, në bazë të të cilit formohet një model hapësinor i shpërndarjes së sinjalit (beamforming) me një sipërfaqe të caktuar mbulimi (nuk i merren parasysh refleksionet e sinjaleve, etj.). Pikërisht mbi këtë bazohej gjithmonë mendimi i projektuesve për vendndodhjen e pikave të qasjes. Për një kohë të gjatë, forma e modelit mbeti e pandryshuar dhe vetëm u rrit ose u zvogëlua në përpjesëtim me karakteristikat e antenës.
Elementet moderne të antenës po bëhen gjithnjë e më të menaxhueshëm dhe lejojnë ndryshimin dinamik të modelit hapësinor të shpërndarjes së sinjalit në kohë reale.
Në pjesën e majtë të figurës më sipër ilustrohet parimi i shpërndarjes së valëve të radios duke përdorur një antinë standarde të shumëdrejtëshe. Duke rritur fuqinë e sinjalit, ne mund të ndryshonim vetëm rrezen e shtrirjes në mungesë të mundësisë për të ndikuar ndjeshëm në cilësinë e përdorimit të kanalit - KQI (Të Dhënat Kryesore mbi Cilësinë). Ky tregues është jashtëzakonisht i rëndësishëm për organizimin e komunikimeve në kushte të lëvizjes së shpeshtë të pajisjes së abonentit në një mjedis pa tel.
Zgjidhja e problemit ishte aplikimi i një numri të madh antinash të vogla, të cilat mund të rregullohen në kohë reale, duke formuar modele shpërndarjeje në varësi të pozicionit hapësinor të përdoruesit.
Në këtë mënyrë, arritëm të afroheshim me përdorimin e teknologjisë MU-MIMO (Shumë-Përdorues, Shumë të Hyrjeve, Shumë Daljesh). Me ndihmën e saj, pika e aksesit formon në çdo moment flukset e emetimit të orientuara saktësisht në drejtim të pajisjeve të abonentëve.
Nga fizika në standardet 802.11
Me zhvillimin e standardeve Wi-Fi, ndryshuan parimet e funksionimit me nivelin fizik të rrjetit. Përdorimi i mekanizmave të tjerë të modulaciónit kishte mundësuar - duke filluar nga versionet 802.11g/n - që të përmbahen shumë më tepër informacione në një interval kohor dhe, për pasojë, të punonin me një numër më të madh përdoruesish. Përveç kësaj, kjo arrihej edhe për shkak të përdorimit të flukseve hapësinore. Dhe fleksibiliteti i ri në lidhje me gjerësinë e kanalit lejonte formimin e një numri më të madh burimesh për MIMO.
Viti tjetër planifikohet miratimi i standardit Wi-Fi 7. Çfarë do të ndryshojë me ardhjen e tij? Përveç rritjes së zakonshme të shpejtësisë dhe shtimit të gamës 6 GHz, do të ketë mundësinë për të punuar me kanale të gjerë të agreguar, siç janë 320 MHz. Kjo është veçanërisht interesante në kontekstin e përdorimit industrial.
Kapaciteti teoretik i kalimit të Wi-Fi 6
Formula teorike për llogaritjen e shpejtësisë nominale së Wi-Fi 6 është mjaft e komplikuar dhe varet nga shumë parametra, duke filluar nga numri i flukseve hapësinore dhe duke përfunduar me informacionin që mund të vendosim në nën-nënshkrimin (ose nën-nënshkrimet, nëse ka disa) në një njësi kohe.
Si e shihni, shumëçka varet nga rrjedhat hapësinore. Sidoqoftë, rritja e numrit të tyre së bashku me përdorimin e STC (Kodimi Hapësinë-Kohë) dhe MRC (Kombinimi i Marrjes Maksimale) përkeqësonte performancën e zgjidhjeve pa tel në tërësi.
Teknologjitë e reja kyçe të nivelit fizik
Të kalojmë te teknologjitë kyçe të nivelit fizik - dhe të fillojmë me nivelin e parë të modelit OSI të rrjetit.
Të kujtojmë se në OFDM përdoret një numër i caktuar nënpjesësh, të cilat, pa prekur njëra-tjetrën, janë në gjendje të transmetojnë një sasi informacioni.
Në shembullin tonë, ne përdorim frekuencën 5,220 GHz, që përmban 48 nënkanale. Duke agreguar këtë kanal, ne do të kemi më shumë nënpjesë, në secilën prej të cilave aplikohet një skemë e vetme modulimi.
Në Wi-Fi 5 përdoret modulimi katror 256 QAM (Modulimi i Amplitudës Katërkëndëshe), i cili lejon formimin e një fushë 16 x 16 pikash brenda një frekuence në një slot kohe, që ndryshojnë sipas amplitudës dhe fazës. Çështja është se vetëm një stacion mund të transmetojë në një moment të caktuar në frekuencën e bartësit.
Multipeksimi me ndarjen ortogonale të frekuencave të kanaleve (OFDMA) erdhi nga bota e operatorëve të موبيلit, përhapi njëkohësisht me LTE dhe aplikohet për organizimin e downlink (kanalit të komunikimit me abonentin). Ai lejon të punojë me kanalin në nivelin e ashtuquajtur të njësive të burimeve. Këto njësi ndihmojnë për të ndarë bllokun në një numër të caktuar komponentësh. Brenda bllokut, ne mund të mos punojmë në çdo moment me një element emetues të vetëm (përdorues ose pikë qasje), por të kombinojmë dhjetëra elementë. Kjo lejon arritjen e rezultateve të jashtëzakonshme.
Lidhja e thjeshtë e kanaleve në Wi-Fi 6
Lidhja e kanaleve (Channel Bonding) në Wi-Fi 6 lejon marrjen e kanaleve të bashkuara me gjerësi nga 20 deri në 160 MHz. Për më tepër, lidhja nuk është e nevojshme të bëhet në frekuenca të afërta. Për shembull, një bllok mund të merret nga frekuenca 5,17 GHz, ndërsa tjetri - nga frekuenca 5,135 GHz. Kjo lejon ndërtimin fleksibël të mjedisit radiologjik edhe në prani të faktorëve të fortë të ndërhyrjes ose në fqinjësi me stacione të tjera që transmetojnë vazhdimisht.
Nga SIMO te MIMO
Metoda MIMO nuk ishte gjithmonë me ne. Njëherë, lidhja celulare ishte e kufizuar në mënyrën SIMO, e cila nënkuptonte praninë e disa antenave në stacionin e abonentit, që punonin në të njëjtën kohë për të marrë informacion.
MU-MIMO është krijuar për të transmetuar informacionin te përdoruesit duke shfrytëzuar të gjithë fondin aktual të antenave. Kjo heq kufizimet që deri tani ishin imponuar nga protokolli CSMA/CA, të lidhura me dërgimin e tokeneve për pajisjet e abonentëve për të transmetuar. Tani përdoruesit bashkohen në një grup dhe çdo anëtar i grupit merr pjesën e tij të burimeve të fondit të antenave të pikës së qasjes, dhe jo duke pritur radhën e tij.
Formimi i rrezeve të radios
Një rregull i rëndësishëm i funksionimit të MU-MIMO është ruajtja e një mënyre operimi të fondit të antenave, e cila nuk do të çonte në mbivendosjen e valëve të radios dhe humbjen e informacionit për shkak të përzierjes së fazave.
Kjo kërkon llogaritje të komplikuara matematike në anën e pikës së qasjes. Nëse terminali mbështet këtë funksion, MU-MIMO i lejon atij të tregojë pikës së qasjes, me cilin vonesë merr sinjalin në secilën antenë të veçantë. Ndërsa pika e qasjes, nga ana e saj, përshtat antenat e saj për të formuar një rreze të drejtuar në mënyrë optimale.
Çfarë na jep kjo në përgjithësi?
Qëllimet aktuale të aplikimit të Wi-Fi të brezit të kaluar janë shënuar me rrethe të bardha me numra në tabelë. Rrethet blu (shih ilustrimin më sipër) përshkruajnë mundësitë e Wi-Fi 6, ndërsa ato gri — janë çështje e së ardhmes së afërt.
Përfitimet kryesore që sjellin zgjidhjet e reja me mbështetje për OFDMA lidhen me njësitë e burimeve, të realizuara në një nivel të ngjashëm me TDM (Multipleximi i Ndërprerjeve të Kohës). Kjo nuk ka ekzistuar më parë në Wi-Fi. Kjo lejon kontrollin e qartë të bandës së dedikuar, duke siguruar një kohë minimale të kalimit të sinjalit nëpër mjedis dhe nivelin e kërkuar të besueshmërisë. E mira është se askush nuk ka dyshime se treguesit e besueshmërisë së Wi-Fi kanë nevojë për përmirësim.
Historia zhvillohet në spirale, dhe situata aktuale është e ngjashme me atë që është formuar dikur rreth Ethernet. Atëherë, u formua mendimi që mjedisi i transmetimit CSMA/CD (Qasja e Ndjeshme të Transportit me Kontrollin e Kolizionit) nuk siguron asnjë kapacitet të garantuar. Dhe kjo ka vazhduar deri në kalimin në IEEE 802.3z.
Sa i përket modeleve të zakonshme të përdorimit, siç e shihni, me çdo brezim të Wi-Fi po rriten skenarët e tij të përdorimit, më të ndjeshëm ndaj vonesave, jitters të përgjithshëm Dhe përsëri për mjedisin fizik
Tani do të flasim për atë se çfarë e formon mjedisin e ri fizik. Me përdorimin e CSMA/CA dhe OFDM, rritja e numrit të pikave aktive (Active STA) çonte në një rënie të rëndësishme të kapacitetit të kanalit 20 megahertz. Kjo ishte e lidhur me atë që u përmend më parë: me teknologjitë jo aq të reja STC (Space-Time Coding) dhe MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA, përmes përdorimit të njësive të burimeve, mund të interaktojë në mënyrë efikase me stacionet e largëta dhe me fuqinë e ulët. Kemi mundësinë për të punuar në një gamë të vetme mbajtëse me përdoruesit që konsumojnë sasi të ndryshme burimi. Një përdorues mund të zërë një njësinë, ndërsa një tjetër të gjitha të tjerat.
Pse nuk kishte OFDMA më parë?
Dhe përfundimisht, pyetja kryesore: pse nuk kishte OFDMA më parë? Siç është e çuditshme, gjithçka varej nga paratë.
Për një kohë të gjatë, ishte e menduar se çmimi i moduli Wi-Fi duhet të ishte sa më minimal. Kur u lançua protokolli në funksionimin komercial në vitin 1997, u vendos që kostoja e prodhimit të këtij moduli nuk mund të kalonte $1. Si rezultat, zhvillimi i teknologjisë shkoi në një rrugë jo optimale. Këtu nuk e marrim në konsideratë LTE operator, ku OFDMA përdoret për një kohë të gjatë.
Më në fund, grupi punues për Wi-Fi vendosi të marrë këto zhvillime nga bota e operatorëve të komunikimit dhe t'i transferojë në botën e rrjeteve korporative. Procesi kryesor ishte kalimi në përdorimin e elementeve më cilësore, si filtrat dhe oscilatorët.
Pse na ishte kaq e vështirë të punonim me kodifikimet e vjetra MRC me interferencë ose pa të? Sepse mekanizmi i formimit të rrezeve MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) rritte ndjeshëm numrin e gabimeve, sa herë që përpiqeshim të bashkonim një numër të madh pikash transmetuese. OFDMA e dështoi, tregoi që problemi ishte i zgjidhshëm.
Почему нам было так сложно работать в старых кодировках MRC с интерференцией или без неё? Потому что механизм формирования луча MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) резко увеличивал число ошибок, как только мы пытались совместить большое количество передающих точек. OFDMA доказал, что проблема решаема.
Lufta kundër ndërhyrjes tani bazohet në matematikë. Nëse dritarja e transmetimit është e mjaftueshme, ndërhyrja dinamike që ndodh ka pasoja. Algoritmet e reja të funksionimit lejojnë shmangien e saj, duke përjashtuar ndikimin jo vetëm të ndërhyrjes së lidhjes Wi-Fi, por edhe çdo ndërhyrjeje tjetër që ndodh brenda këtij gamë.
Falë luftës adaptuese ndaj ndërhyrjes, ne mund të fitojmë deri në 11 dB edhe në një mjedis të ndërlikuar e të ndryshëm. Përdorimi i zgjidhjeve algoritmike të Huawei ka lejuar arritjen e optimizimit të rëndësishëm atje ku nevojitet – në zgjidhjet indoor. Ajo që është e mirë në 5G, nuk është domosdoshmërisht e mirë në mjedisin Wi-Fi 6. Qasjet Massive MIMO dhe MU-MIMO ndryshojnë në rastin e zgjidhjeve indoor dhe outdoor. Atje ku është e nevojshme, përdorimi i zgjidhjeve më të shtrenjta është i përshtatshëm, si në 5G. Por ka nevojë edhe për opsione të tjera, si Wi-Fi 6, të cilat mund të ofrojnë vonesa dhe tregues të tjerë që i presim nga operatorët e komunikimit.
Ne huazojmë prej tyre instrumentet që do të jenë të dobishme për ne si konsumatorë të korporatave, dhe gjithçka për të siguruar një ambient fizik në të cilin mund të mbështetemi.
***
Kështu, mos haroni për webinarët tanë të shumtë mbi novitetet e Huawei për vitin 2020, që zhvillohen jo vetëm në segmentin rusishtfolës, por edhe në nivel global. Lista e webinarëve për javët e ardhshme është e disponueshme për .
Burimi: habr.com
