🥇Vad kan vi förvänta oss av Wi-Fi 7, IEEE 802.11be?

Nyligen har enheter som stöder Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) kommit ut på marknaden, en teknologi som det talas mycket om. Men få vet att utvecklingen av nästa generations Wi-Fi-teknik, Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be), redan pågår. Vad Wi-Fi 7 kommer att innefatta diskuterar vi i denna artikel.

Bakgrund

I september 2020 firar vi 30-årsjubileum för projektet IEEE 802.11, som har haft en betydande inverkan på våra liv. För närvarande är Wi-Fi-teknologin, definierad av familjen av standarder IEEE 802.11, den mest populära trådlösa teknologin som används för att ansluta till internet: Wi-Fi överför mer än hälften av användartrafiken. Medan mobilteknologier gör en rebranding varje årtionde, som att byta namn från 4G till 5G, sker förbättringar av hastighet och introduktion av nya tjänster och funktioner för användare av Wi-Fi nästan omärkligt. Endast ett fåtal kunder bryr sig om bokstäverna "n", "ac" eller "ax" som följer efter "802.11" på utrustningens förpackningar. Men det betyder inte att Wi-Fi inte utvecklas.

Ett av bevisen på utvecklingen av Wi-Fi är den dramatiska ökningen av nominella överföringshastigheter: från 2 Mbit/s i versionen från 1997 till nästan 10 Gbit/s i den senaste standarden 802.11ax, som också är känd som Wi-Fi 6. Modern Wi-Fi uppnår denna prestandaökning tack vare snabbare signal-kodningsscheman, bredare kanaler och användning av teknologier. MIMO.

Förutom det huvudsakliga fokuset på höghastighets trådlösa lokala nätverk omfattar utvecklingen av Wi-Fi flera nischprojekt. Till exempel blev Wi-Fi HaLow (802.11ah) ett försök att introducera Wi-Fi på marknaden för trådlöst Internet of Things. Wi-Fi i millimetervåg (802.11ad/ay) stödjer nominella överföringshastigheter upp till 275 Gbit/s, dock på mycket korta avstånd.

Nya applikationer och tjänster relaterade till högupplösta videoströmmar, virtuell och förstärkt verklighet, spel, distansarbete och molnberäkning, samt behovet av att stödja ett stort antal användare med intensiv trafik i trådlösa nätverk kräver hög prestanda.

Målen för Wi-Fi 7

I maj 2019 påbörjade undergruppen BE (TGbe) arbetsgruppen 802.11 inom kommittén för standardisering av lokala och stadsnät arbetet med ett nytt tillägg till Wi-Fi-standarden som ökar den nominella kapaciteten till över 40 Gbit/s i en frekanskana som är "typisk" för Wi-Fi-området <= 7 GHz. Även om många dokument nämner "maximal kapacitet på minst 30 Gbit/s" kommer den nya fysiska lagringsprotokollet att tillhandahålla nominella hastigheter över 40 Gbit/s.

En annan viktig aspekt av Wi-Fi 7:s utveckling är stödet för realtidsapplikationer (spel, virtuell och förstärkt verklighet, robotstyrning). Det är anmärkningsvärt att även om Wi-Fi på ett särskilt sätt hanterar ljud- och videodata, har det länge ansetts att det är grundläggande omöjligt att garantera låga fördröjningar (i millisekunder), även känd som Time-Sensitive Networking, i Wi-Fi-nätverk. I november 2017 presenterade vårt team från IPPI RAN och HSE (utan att se det som PR) ett motsvarande förslag i IEEE 802.11-gruppen. Förslaget väckte stort intresse, och i juli 2018 startades en speciell undergrupp för att vidare utforska denna fråga. Eftersom realtidsapplikationer kräver både höga nominella dataöverföringshastigheter och utvidgad kanalnivåfunktionalitet beslutade arbetsgruppen 802.11 att utveckla metoder för att stödja realtidsapplikationer inom ramen för Wi-Fi 7.

En viktig fråga relaterad till Wi-Fi 7 är dess samexistens med mobilnätsteknologier (4G/5G) som utvecklas av 3GPP och fungerar i samma olicensierade frekvensband. Det handlar om LTE-LAA/NR-U. För att studera frågorna kring samexistens mellan Wi-Fi och mobilnät har IEEE 802.11 startat Coexisting Standing Committee (Coex SC). Trots många möten och till och med en gemensam workshop mellan 3GPP- och IEEE 802.11-deltagarna i juli 2019 i Wien har tekniska lösningar ännu inte godkänts. En möjlig förklaring till denna fruktlösa verksamhet är att både IEEE 802 och 3GPP inte vill ändra sina egna teknologier för att anpassa dem till varandra. Således är det för närvarande oklart om diskussionerna inom Coex SC kommer att påverka standarden för Wi-Fi 7.

Utvecklingsprocessen

Trots att utvecklingen av Wi-Fi 7 fortfarande är i ett tidigt skede har omkring 500 förslag på nya funktioner för framtida Wi-Fi 7, även känd som IEEE 802.11be, redan lagts fram. Största delen av idéerna diskuteras fortfarande i undergruppen be och beslut om dem har ännu inte fattats. Andra förslag har nyligen godkänts. Nedan kommer det att anges tydligt vilka förslag som är godkända och vilka som bara diskuteras.

Det var ursprungligen planerat att utvecklingen av de grundläggande nya mekanismerna skulle vara färdig i mars 2021. Den slutliga versionen av standarden förväntas vara klar i början av 2024. I januari 2020 uttryckte undergruppen 11be oro över huruvida utvecklingen skulle hålla tidsplanen med den nuvarande takten. För att snabba på standardutvecklingen enades undergruppen om att välja en liten uppsättning högprioriterade funktioner som kan släppas till 2021 (Release 1), medan resten skulle lämnas till Release 2. Högprioriterade funktioner ska ge en grundläggande prestandaförbättring och inkluderar stöd för 320 MHz, 4K-QAM, och tydliga förbättringar av OFDMA från Wi-Fi 6, samt MU-MIMO med 16 strömmar.

På grund av coronaviruset träffas gruppen för närvarande inte fysiskt, men genomför regelbundet videokonferenser. Därmed har utvecklingen något fördröjts men inte stoppats.

Detaljer om teknologin

Låt oss titta på de viktigaste nyheterna inom Wi-Fi 7.

Den nya fysiska lagprotocollet är en vidareutveckling av Wi-Fi 6-protocollet med en dubblering av bandbredden till 320 MHz och en dubblering av antalet spatiala strömmar med MU-MIMO, vilket ökar den nominella kapaciteten med 2×2 = 4 gånger. Wi-Fi 7 börjar också använda moduleringen 4K-QAM, vilket ger ytterligare 20% till den nominella kapaciteten. Således kommer Wi-Fi 7 att erbjuda en nominell dataöverföringshastighet på 2x2x1,2 = 4,8 gånger högre jämfört med Wi-Fi 6: den maximala nominella kapaciteten för Wi-Fi 7 är 9,6 Gbit/s x 4,8 = 46 Gbit/s. Dessutom kommer en revolutionerande förändring i det fysiska lagprotocollet att göras för att säkerställa kompatibilitet med framtida versioner av Wi-Fi, men detta kommer att förbli osynligt för användarna.
Ändring av metoden för kanalåtkomst för att stödja realtidsapplikationer kommer att genomföras med hänsyn till IEEE 802 TSN:s erfarenheter för trådbundna nätverk. Pågående diskussioner i standardiseringskommittén handlar om proceduren för slumpmässig försening vid kanaltillgång, trafiktjänstekategorier och därmed separata köer för realtidsdata samt policyer för paketbehandling.
Introducerad i Wi-Fi 6 (802.11ax) OFDMA – en metod för kanaltillgång som delar upp tiden och frekvensen (liknande det som används i 4G- och 5G-nät) – erbjuder nya möjligheter för optimal resursfördelning. Dock är OFDMA i 11ax inte tillräckligt flexibelt. För det första tillåter det att accesspunkten bara tilldelar en resursblock av en förutbestämd storlek till klienten. För det andra stödjer det inte direktöverföring mellan klientstationer. Båda dessa brister minskar spektral effektivitet. Dessutom försämrar den begränsade flexibiliteten hos den ärvda OFDMA från Wi-Fi 6 prestandan i täta nät och ökar fördröjningen, vilket är kritiskt för realtidsapplikationer. 11be kommer att lösa dessa OFDMA-problem.
En av de godkända revolutionära förändringarna i Wi-Fi 7 är den inbyggda stödet för samtidig användning av flera parallella anslutningar på olika frekvenser, vilket är mycket användbart för både enorma dataöverföringshastigheter och extremt låg fördröjning. Även om moderna chipsets redan kan utnyttja flera anslutningar samtidigt, till exempel i banden 2.4 och 5 GHz, är dessa anslutningar oberoende, vilket begränsar effektiviteten av en sådan operation. I 11be kommer en nivå av synkronisering mellan kanalerna att hittas, vilket möjliggör effektiv användning av kanalresurserna och kommer att innebära betydande förändringar i protokollens regler för kanaltillgång.
Användningen av mycket breda kanaler och ett stort antal spatiala flöden leder till problem med höga overheadkostnader relaterade till proceduren för kanalstatusbedömning, som är nödvändig för MIMO och OFDMA. Dessa overheadkostnader neutraliserar hela vinsten från ökade nominella dataöverföringshastigheter. Det förväntas att kanalstatusbedömningsproceduren kommer att revideras.
I samband med Wi-Fi 7 diskuteras vissa "avancerade" metoder för datatransmission inom standardiseringskommittén. I teorin ökar dessa metoder spektral effektivitet vid omgångar av överföringar, samt vid samtidiga överföringar i samma eller motsatta riktningar. Det handlar om hybrid automatic repeat request (HARQ), som för närvarande används i mobilnät, om full-duplex-läge och om icke-ortogonal multipel tillgång (NOMA). Dessa metoder har studerats väl i litteraturen teoretiskt, men det är fortfarande oklart om den prestandaökning de ger kommer att rättfärdiga insatserna för deras genomförande.
- Användning HARQ kompliceras av följande problem. I Wi-Fi sammanfogas paket för att minska overhead. I de nuvarande versionerna av Wi-Fi bekräftas leveransen av varje paket inom sammanfogningen, och om bekräftelsen inte kommer skickas paketet om med hjälp av kanalåtkomstprotokollet. HARQ flyttar omgångarna från den kanala nivån till den fysiska nivån, där det inte längre finns paket utan kodord, och gränserna för kodorden överensstämmer inte med gränserna för paketen. Denna desynkronisering komplicerar implementeringen av HARQ i Wi-Fi.
- När det gäller Full-Duplex, i dagsläget kan varken mobilnät eller Wi-Fi-nät överföra data och ta emot dem från en accesspunkt (basstation) samtidigt på samma frekvenskanal. Ur teknisk synvinkel beror detta på den stora skillnaden i den sända och mottagna signalens styrka. Även om det finns prototyper som kombinerar digital och analog subtraktion av den sända signalen från den mottagna, som kan få Wi-Fi-signalen under sin överföring, kan vinsten de ger i praktiken vara obetydlig eftersom den nedåtgående strömmen inte är lik den uppåtgående vid varje given tidpunkt (i genomsnitt är den nedåtgående betydligt större). För detta kan tvåvägskommunikation väsentligt komplicera protokollet.
- Om flera strömmar med MIMO kräver flera antenner för avsändaren och mottagaren, kan accesspunkten i fallet med icke-ortogonal åtkomst samtidigt överföra data till två mottagare med en antenn. Olika varianter av icke-ortogonal åtkomst ingår i de senaste specifikationerna för 5G. Prototyp NOMA Wi-Fi skapades första gången 2018 vid IPPI RAN (vänligen uppfatta inte detta som reklam). Det visade en prestandaökning på 30-40%. Fördelarna med den utvecklade teknologin är dess bakåtkompatibilitet: en av de två mottagarna kan vara en gammal enhet som inte stödjer Wi-Fi 7. Generellt är bakåtkompatibilitetsproblemet mycket viktigt, eftersom enheter av olika generationer kan fungera samtidigt i Wi-Fi-nätverket. För närvarande analyserar flera team världen över effektiviteten av att kombinera NOMA och MU-MIMO, vars resultat kommer att avgöra den framtida öden för tillvägagångssättet. Vi fortsätter också arbetet med prototypen: nästa version kommer att presenteras på IEEE INFOCOM-konferensen i juli 2020.
Slutligen är en annan viktig nyhet, men med oklart öde, samordnat arbete mellan accesspunkter. Även om många leverantörer har sina egna centraliserade kontroller för företags Wi-Fi-nätverk har dessa kontroller vanligtvis begränsade funktioner med avseende på långsiktig parameterinställning och kanalval. Standardiseringskommittén diskuterar ett närmare samarbete mellan angränsande åtkomstpunkter, vilket omfattar koordinerad överföringsplanering, beamforming och till och med distribuerade MIMO-system. Vissa av de metoder som övervägs använder sekventiellt störningsundertryckande (ungefär detsamma som i NOMA). Även om metoderna för 11be:s samordning ännu inte är helt utvecklade, finns det ingen tvekan om att standarden kommer att göra det möjligt för åtkomstpunkter från olika tillverkare att samordna sina överföringsscheman för att minska ömsesidig störning. Vad gäller andra, mer komplexa tillvägagångssätt (t.ex. distribuerat MU-MIMO), kommer det att vara svårare att integrera dem i standarden, även om medlemmar i gruppen är fast beslutna att göra det inom Release 2. Oavsett utgången är framtiden för metoderna för samordning av åtkomstpunkter osäker. Även om de inkluderas i standarden kan de kanske aldrig nå marknaden. Liknande har skett tidigare när man försökt ordna Wi-Fi-överföringar med hjälp av sådana lösningar som HCCA (11e) och HCCA TXOP Negotiation (11be).

Sammanfattningsvis tycks det som att de flesta förslagen relaterade till de första fem grupperna kommer att bli en del av Wi-Fi 7, medan förslagen kopplade till de två sista grupperna kräver betydande ytterligare forskning för att bevisa sin effektivitet.