Huawei satsar pĂ„ Wi-Fi 6 i sina utvecklingar. FrĂ„gor frĂ„n kollegor och kunder om den nya generationens standard har drivit oss att skriva ett inlĂ€gg om de teoretiska grunderna och de fysiska principer som ligger bakom. Vi gĂ„r frĂ„n historia till fysik och gĂ„r noggrant igenom varför teknologierna OFDMA och MU-MIMO behövs. Vi kommer ocksĂ„ att prata om hur den principiellt omarbetade fysiska miljön för datatransmission har möjliggjort en garanterad kapacitet i kanalerna och en sĂ„dan minskning av den totala fördröjningen att den nu Ă€r jĂ€mförbar med "operatörernas". Och detta trots att moderna nĂ€tverk baserade pĂ„ 5G Ă€r dyrare (i genomsnitt 20â30 gĂ„nger) Ă€n jĂ€mförbara inomhusnĂ€tverk pĂ„ Wi-Fi 6.
För Huawei Ă€r detta ett allvarligt Ă€mne: lösningar med stöd för Wi-Fi 6 Ă€r bland vĂ„ra mest banbrytande produkter under 2020, dĂ€r enorma resurser har investerats. HĂ€r Ă€r ett exempel: forskning inom materialvetenskap har möjliggjort att vi har valt en legering vars anvĂ€ndning i radiokomponenter för accesspunkter har ökat förhĂ„llandet "signal - brus" med 2â3 dB: vi bugar oss för Doron Ezri för denna prestation.
Lite historia
Historien om Wi-Fi kan börja Är 1971, nÀr professor Norman Abramson med en grupp kollegor vid Hawaii universitetet utvecklade, byggde och lanserade det trÄdlösa nÀtverket för paketöverföring ALOHAnet.
à r 1980 antogs en grupp standarder och protokoll IEEE 802 som beskriver organisationen av de tvÄ lÀgsta lagren i den sju-lager nÀtverksmodellen OSI. Det skulle dröja hela 17 Är innan den första versionen av 802.11 slÀpptes.
Med antagandet av standarden 802.11 Är 1997, tvÄ Är innan Wi-Fi Alliance grundades, tog den första generationen av den populÀraste teknologin för trÄdlös dataöverföring klivet ut i den stora vÀrlden.
Standard IEEE 802. Wi-Fi-generationer
Den första standarden som verkligen stöddes av utrustningstillverkare pÄ bred front var 802.11b. Som ni ser har takten pÄ innovationer frÄn slutet av 1900-talet varit ganska stabil: kvalitativa förÀndringar tar tid. Under de senaste Ären har det frÀmsta arbetet fokuserats pÄ att förbÀttra den fysiska miljön för signalöverföring. För att bÀttre förstÄ de moderna problemen med Wi-Fi, lÄt oss se tillbaka pÄ dess fysiska grunder.
LÄt oss pÄminna oss om grunderna!
RadiovÄgor Àr en form av elektromagnetiska vÄgor som sprids frÄn en kÀlla av störningar i det elektriska och magnetiska fÀltet. De kÀnnetecknas av tre huvudparameter: vÄgvektor samt elektriska och magnetiska fÀltstyrkor. Alla tre Àr ömsesidigt vinkelrÀta mot varandra. Frekvensen av en vÄg kallas för antalet upprepade svÀngningar som ryms i en tidsenhet.
Detta Àr allmÀnt kÀnda fakta. Men för att förstÄ helheten mÄste vi börja frÄn början.
PÄ en hypotetisk skala för frekvensband av elektromagnetisk strÄlning tar radiobandet den lÀgsta (lÄgfreknenta) delen. Det inkluderar elektromagnetiska vÄgor med svÀngningar frÄn 3 Hz till 3000 GHz. Alla andra band, inklusive synligt ljus, har en mycket högre frekvens.
Ju högre frekvens, desto mer energi kan överföras till radiovĂ„gen, men det gör ocksĂ„ att den har svĂ„rare att böja sig kring hinder och dĂ€mpas snabbare. Ă
andra sidan Ă€r det ocksĂ„ sant. Med tanke pĂ„ dessa egenskaper valdes tvĂ„ huvudsakliga frekvensband för Wi-Fi â 2,4 GHz (frekvensbandet frĂ„n 2,4000 till 2,4835 GHz) och 5 GHz (frekvensbanden 5,170â5,330, 5,490â5,730 och 5,735â5,835 GHz).
RadiovĂ„gor sprids i alla riktningar, och för att meddelanden inte ska pĂ„verka varandra pĂ„ grund av interferenseffekten, Ă€r det vanligt att dela upp frekvensbandet i separata smala segment â kanaler med en viss . I diagrammet ovan kan man se att de nĂ€rbelĂ€gna kanalerna 1 och 2 med en bandbredd pĂ„ 20 MHz kommer att störa varandra, medan 1 och 6 inte kommer att göra det.
Signalen inom kanalen överförs via radiovÄgen pÄ en specifik bÀrfrekvens. För att överföra information kan vÄgens parametrar i frekvens, amplitud eller fas.
Delningen av kanaler i Wi-Fi-frekvensomrÄden
FrekvensomrĂ„det 2,4 GHz delas upp i 14 delvis överlappande kanaler av optimal bredd â 20 MHz. Det troddes en gĂ„ng att detta var tillrĂ€ckligt för att organisera ett komplext trĂ„dlöst nĂ€tverk. Det visade sig snart att bandets kapacitet snabbt tar slut, vilket ledde till att 5 GHz-bandet lades till, vars spektrala kapacitet Ă€r mycket högre. I detta band Ă€r det möjligt att avsĂ€tta kanaler med en bredd pĂ„ 40 och 80 MHz, förutom 20-megahertzkanaler.
För att ytterligare öka effektiviteten av anvÀndningen av radiovÄgsfrekvensspektrum anvÀnds numera vanligtvis teknik för ortogonal frekvensdelning (OFDM).).
Det innebÀr att man utöver bÀrvÄgsfrekvensen Àven anvÀnder flera underbÀrvÄgsfrekvenser i samma kanal, vilket möjliggör samtidig dataöverföring. OFDM gör det möjligt att fördela trafiken pÄ ett behagligt "granulÀrt" sÀtt, men pÄ grund av sin respektabla Älder behÄller den ett antal betydande nackdelar. Bland dessa Àr principerna för nÀtverksprotokollet CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), vilket innebÀr att endast en anvÀndare kan fungera pÄ en viss bÀrvÄg och underbÀrvÄg vid bestÀmda tidpunkter.
Rumsliga strömmar
Ett viktigt sÀtt att öka kapaciteten hos ett trÄdlöst nÀtverk Àr anvÀndningen av rumsliga strömmar.
à tkomstpunkten bÀr flera radiomoduler (en, tvÄ eller fler) som Àr anslutna till ett visst antal antenner. Dessa antenner sÀnder ut enligt ett visst schema och modulationsmetod, och vi fÄr information som överförs genom den trÄdlösa miljön. En rumslig ström kan skapas mellan en specifik fysisk antenn (radiomodul) av Ätkomstpunkten och anvÀndarens enhet. Tack vare detta ökar den totala mÀngden information som överförs frÄn Ätkomstpunkten multiplicerat med antalet strömmar (antenner).
Enligt aktuella standarder kan upp till fyra rumsliga strömmar realiseras inom 2,4 GHz-bandet och upp till Ätta inom 5 GHz-bandet.
Tidigare, nÀr vi arbetade i 2,4 och 5 GHz-band, fokuserade vi endast pÄ antalet radiomoduler. NÀrvaron av en andra radiomodul gav ytterligare flexibilitet, eftersom det tillÀt gamla abonnent-enheter att fungera pÄ 2,4 GHz, medan nya kunde anvÀnda 5 GHz. Med införandet av den tredje och efterföljande radiomodulerna uppstod vissa problem. StrÄlelement tenderar att inducera varandra, vilket ökar kostnaden för enheten pÄ grund av behovet av mer kvalitativ design och utrustning av Ätkomstpunkten med kompenseringsfilter. SÄ det har bara nyligen blivit möjligt att samtidigt stödja 16 rumsliga strömmar pÄ en Ätkomstpunkt.
Praktisk och teoretisk hastighet
PÄ grund av hur OFDM fungerar kunde vi inte uppnÄ maximal nÀtverksgenomströmning. Teoretiska berÀkningar för praktisk implementering av OFDM gjordes för lÀnge sedan och endast i förhÄllande till ideala miljöer, dÀr en tillrÀckligt hög signal-till-brus-förhÄllande (SNR) och bitfelprocent (BER) förvÀntades. Under moderna förhÄllanden av stark brus i alla intressanta radiovÄgsspektra Àr genomströmningen för nÀtverk baserade pÄ OFDM nedslÄende lÄg. Protokollet har under en lÄng tid fortsatt att ha dessa brister, tills OFDMA (ortogonal frekvensdelning multiplicerad Ätkomst) kom till vÄr hjÀlp. Mer om det senare.
LĂ„t oss prata om antenner
Som ni vet har varje antenn en förstÀrkningskoefficient, som skapar ett rumsligt mönster för signalutbredning (beamforming) med en viss tÀckningsyta (vi tar inte hÀnsyn till signalreflektioner osv.). Detta har alltid varit grunden för planerares resonemang gÀllande var Ätkomstpunkterna bör placeras. Under en lÄng tid förblev mönstrets form oförÀndrad och endast ökad eller minskad i proportion till antennens egenskaper.
Moderna antennelement blir allt mer styrbara och tillÄter dynamisk förÀndring av det rumsliga mönstret för signalutbredning i realtid.
Till vÀnster i bilden ovan visas principen för spridning av radiovÄgor vid anvÀndning av en standard omnidirektionell antenn. Genom att öka signalstyrkan kunde vi endast Àndra tÀckningsradien utan möjlighet att signifikant pÄverka kvaliteten pÄ kanalens anvÀndning - KQI (Key Quality Indicators). Denna indikator Àr extremt viktig vid organisering av kommunikation i miljöer dÀr abonnentens enhet ofta rör sig i en trÄdlös miljö.
Lösningen pÄ problemet var att anvÀnda ett stort antal smÄ antenner, vars belastning kan regleras i realtid, vilket skapar spridningsmönster beroende pÄ anvÀndarens rumsliga position.
PÄ sÄ sÀtt lyckades vi nÀrma oss tillÀmpningen av MU-MIMO-teknologi (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Med den kan Ätkomstpunkten i varje ögonblick skapa strömmar av strÄlning som riktas exakt mot abonnenternas enheter.
FrÄn fysik till standarder 802.11
I takt med att Wi-Fi-standarderna utvecklades förÀndrades principerna för arbete med nÀtverkets fysiska lager. AnvÀndningen av andra moduleringsmekanismer gjorde det möjligt - frÄn versionerna 802.11g/n - att rymma mycket mer information i tidsluckan och dÀrmed arbeta med fler anvÀndare. Detta uppnÄddes ocksÄ genom anvÀndning av rumsliga strömmar. Den nyvunna flexibiliteten nÀr det gÀller kanalbredd möjliggjorde skapandet av fler resurser för MIMO.
NÀsta Är planeras godkÀnnandet av Wi-Fi 7-standarden. Vad kommer att förÀndras med dess ankomst? Förutom den sedvanliga hastighetsökningen och tillÀgget av 6 GHz-bandet kommer det att finnas möjlighet att arbeta med breda aggregerade kanaler, sÄsom 320 MHz. Detta Àr sÀrskilt intressant inom industriell tillÀmpning.
Teoretisk kapacitet för Wi-Fi 6
Den teoretiska formeln för att berÀkna den nominella hastigheten för Wi-Fi 6 Àr ganska komplex och beror pÄ mÄnga parametrar, frÄn antalet rumsliga strömmar till den information som vi kan lÀgga in i bÀrvÄg (eller bÀrvÄg(ar) om det finns flera) per tidsenhet.
Som ni ser beror mycket pÄ de rumsliga strömmarna. Tidigare förvÀrrade dock en ökning av deras antal tillsammans med anvÀndningen av STC (Space-Time Coding) och MRC (Maximum Ratio Combining) den totala prestandan hos den trÄdlösa lösningen.
Nya nyckelteknologier för fysisk nivÄ
LĂ„t oss gĂ„ vidare till de nyckelteknologier som gĂ€ller den fysiska nivĂ„n â och börja med det första lagret av OSI-modellen.
Vi pÄminner om att OFDM anvÀnder ett visst antal bÀrvÄgor som kan överföra en mÀngd information utan att pÄverka varandra.
I exemplet anvÀnder vi frekvensomrÄdet 5,220 GHz, som rymmer 48 underkanaler. Genom att aggregera denna kanal fÄr vi fler bÀrvÄgor, dÀr var och en tillÀmpar sin egen moduleringsschema.
Wi-Fi 5 anvÀnder kvadraturamplitudmodulering, 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), som gör det möjligt att bilda ett fÀlt med 16 x 16 punkter som skiljer sig Ät i amplitud och fas inom en bÀrvÄg under en tidslucka. Obehaget Àr att vid varje specifikt ögonblick kan endast en station överföra pÄ bÀrvÄgen.
Ortogonal frekvensdelad multiplexering (OFDMA) kommer frÄn mobiloperatörernas vÀrld, blev utbredd samtidigt med LTE och anvÀnds för att organisera nedladdningskanalen (kanal för kommunikation till abonnenten). Det gör att vi kan arbeta med kanalen pÄ nivÄn av sÄ kallade resursenheter. Dessa enheter hjÀlper till att dela upp blocket i ett visst antal komponenter. Inom blocket kan vi vid varje ögonblick inte behöva arbeta strikt med en enskild sÀndare (anvÀndare eller Ätkomstpunkt), utan kombinera dussintals enheter. Detta gör det möjligt att uppnÄ anmÀrkningsvÀrda resultat.
Enkel kanalanslutning i Wi-Fi 6
Kanalbindning (Channel Bonding) i Wi-Fi 6 gör det möjligt att erhÄlla sammanslagna kanaler med en bredd frÄn 20 till 160 MHz. Dessutom behöver inte anslutningen göras i nÀrliggande frekvensomrÄden. Till exempel kan ett block tas frÄn frekvensomrÄdet 5,17 GHz och ett annat frÄn frekvensomrÄdet 5,135 GHz. Detta möjliggör att flexibelt bygga radiomiljö Àven vid starka interferensfaktorer eller i nÀrheten av andra stÀndigt sÀndande stationer.
FrÄn SIMO till MIMO
MIMO-metoden har inte alltid varit med oss. Tidigare var mobilkommunikation begrÀnsad till SIMO-lÀge, som innebar att abonnentstationen hade flera antenner som samtidigt arbetade för att ta emot information.
MU-MIMO syftar till att överföra information till anvÀndare genom att anvÀnda hela den aktuella antennresursen. Detta tar bort de begrÀnsningar som tidigare infördes av CSMA/CA-protokollet, relaterade till att skicka överföringstoken till abonnentens enheter. Nu samlas anvÀndarna i en grupp dÀr varje deltagare i gruppen fÄr sin del av antennresursen frÄn accesspunkten, istÀllet för att vÀnta pÄ sin tur.
Formandet av radiostrÄlen
En viktig regel för MU-MIMO:s funktion Àr att upprÀtthÄlla ett antennlÀgeslÀge som inte skulle leda till överlappning av radiovÄgor och informationsförlust pÄ grund av fasöverlagring.
Detta krÀver komplexa matematiska berÀkningar pÄ accesspunktens sida. Om terminalen stöder denna funktion tillÄter MU-MIMO den att rapportera till accesspunkten med vilken fördröjning den tar emot signalen pÄ varje specifik antenn. Accesspunkten justerar i sin tur sina antenner för att skapa en optimalt riktad strÄle.
Vad ger detta oss i stort?
De vita cirklarna med siffror i tabellen markerar nuvarande anvÀndningsscenarier för tidigare generationers Wi-Fi. De blÄ cirklarna (se illustration ovan) beskriver möjligheterna för Wi-Fi 6, och de grÄ Àr framtiden.
De huvudsakliga fördelarna som de nya lösningarna med stöd för OFDMA ger Àr relaterade till resursenheter som implementeras pÄ en nivÄ som liknar TDM (Time Division Multiplexing). Detta har tidigare inte funnits i Wi-Fi. Detta möjliggör en tydlig kontroll av den tilldelade bandbredden, vilket sÀkerstÀller minimal signalöverföringstid genom mediet och den nödvÀndiga pÄlitlighetsnivÄn. Det rÄder ingen tvekan om att behovet av att förbÀttra Wi-Fi:s pÄlitlighet Àr stort.
Historien rör sig i spiraler, och den nuvarande situationen pÄminner om den som rÄdde kring Ethernet för en tid sedan. Redan dÄ blev det allmÀnt accepterat att överföringsmediet CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) inte erbjuder nÄgon garanterad kapacitet. Detta fortsatte fram till övergÄngen till IEEE 802.3z.
NÀr det gÀller allmÀnna anvÀndningsmodeller ser vi att med varje generation av Wi-Fi ökar antalet anvÀndningsscenarier, som blir alltmer kÀnsliga för latens, total jitter Och Äterigen om den fysiska miljön
Nu handlar det om vad som formar den nya fysiska miljön. NÀr CSMA/CA och OFDM anvÀndes ledde en ökning av antalet aktiva punkter (Active STA) till att bandbredden för en 20 MHz-kanal kraftigt minskade. Detta berodde pÄ det som redan nÀmnts: inte helt nya teknologier som STC (Space-Time Coding) och MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan genom anvÀndning av resursenheter effektivt interagera med fjÀrr- och lÄgeffektsstationer. Vi fÄr möjlighet att arbeta inom samma bÀrvÄg med anvÀndare som krÀver olika mÀngder resurser. En anvÀndare kan ta en enhet, medan en annan kan ta alla andra.
Varför fanns inte OFDMA tidigare?
Och slutligen, den stora frÄgan: varför fanns inte OFDMA tidigare? Konstigt nog handlar allt om pengar.
Under lÄng tid ansÄgs det att kostnaden för Wi-Fi-modulen skulle vara minimal. Vid lanseringen av protokollet för kommersiell drift 1997 beslutades det att produktionskostnaden för en sÄdan modul inte kunde överskrida $1. Som följd blev utvecklingen av teknologin suboptimal. HÀr tar vi inte hÀnsyn till operatörernas LTE, dÀr OFDMA redan anvÀnds ganska lÀnge.
Slutligen beslutade arbetsgruppen för Wi-Fi att ta dessa uppfinningar frÄn vÀrldens telekommunikationsoperatörer och föra dem till vÀrlden av företagsnÀtverk. Huvuduppgiften blev att övergÄ till anvÀndningen av mer kvalitativa komponenter, sÄsom filter och oscillatorer.
Varför var det sÄ svÄrt för oss att arbeta med gamla MRC-kodningar med eller utan störningar? För att mekanismen för strÄleformning MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) ökade kraftigt antalet fel sÄ fort vi försökte kombinera mÄnga sÀndande punkter. OFDMA har bevisat att problemet gÄr att lösa.
OFDMA har bevisat att problemet gÄr att lösa.
Kampen mot interferens baseras nu pÄ matematik. Om informationsöverföringsfönstret Àr tillrÀckligt lÄngt, leder den dynamiska interferensen till problem. Nya arbetsalgoritmer gör det möjligt att undvika dessa problem, och utesluter pÄverkan inte bara frÄn interferens relaterad till Wi-Fiöverföring, utan Àven frÄn annan interferens som uppstÄr inom detta omrÄde.
Genom adaptiv kamp mot interferens kan vi uppnÄ en vinst pÄ upp till 11 dB Àven i svÄra heterogena miljöer. AnvÀndning av Huaweis egna algoritmiska lösningar har möjliggjort en betydande optimering just dÀr det behövs - i inomhuslösningar. Det som fungerar bra i 5G Àr inte nödvÀndigtvis bra i Wi-Fi 6-miljöer. TillvÀgagÄngssÀtten Massive MIMO och MU-MIMO skiljer sig Ät för inomhus- och utomhuslösningar. DÀr det krÀvs, Àr kostnadskrÀvande lösningar lÀmpliga, precis som i 5G. Men andra alternativ, sÄsom Wi-Fi 6, behövs ocksÄ för att sÀkerstÀlla förseningar och andra parametrar som vi Àr vana att förvÀnta oss frÄn teleoperatörer.
Vi lÄnar de verktyg som kommer att vara anvÀndbara för oss som företagskonsumenter, och allt detta för att sÀkerstÀlla en fysisk miljö som man kan lita pÄ.
***
Förresten, glöm inte vÄra mÄnga webbinarier om Huaweis nyheter för 2020, som hÄlls inte bara inom den rysktalande segmentet, utan Àven pÄ global nivÄ. Listan över webbinarier de kommande veckorna Àr tillgÀnglig via .
KĂ€lla: habr.com
