I sin utveckling förlitar Huawei sig på Wi-Fi 6. Och frågor från kollegor och kunder om den nya generationen av standarden fick oss att skriva ett inlägg om de teoretiska grunderna och de fysiska principerna som är inbäddade i den. Låt oss gå vidare från historia till fysik och titta i detalj på varför OFDMA- och MU-MIMO-teknologier behövs. Låt oss också prata om hur ett fundamentalt omdesignat fysiskt dataöverföringsmedium gjorde det möjligt att uppnå garanterad kanalkapacitet och en sådan minskning av den totala nivån av förseningar att de blev jämförbara med en operatörs. Och detta trots att moderna 5G-baserade nätverk är dyrare (i genomsnitt 20–30 gånger) än inomhus Wi-Fi 6-nätverk med liknande kapacitet.
För Huawei är ämnet på intet sätt ett tomt ämne: lösningar som stöder Wi-Fi 6 är bland våra mest banbrytande produkter under 2020, där enorma resurser har investerats. Här är bara ett exempel: forskning inom materialvetenskapen gjorde det möjligt för oss att välja en legering, vars användning i radioelement i en accesspunkt ökade signal-brusförhållandet med 2-3 dB: hatten av för Doron Ezri för denna prestation.
Lite historia
Det är vettigt att räkna Wi-Fis historia tillbaka till 1971, när professor Norman Abramson och en grupp kollegor vid University of Hawaii utvecklade, byggde och lanserade det trådlösa paketdatanätverket ALOHAnet.
1980 godkändes en grupp av standarder och protokoll IEEE 802, som beskriver organisationen av de två nedre skikten av den sju-lagers OSI-nätverksmodellen. Vi fick vänta 802.11 långa år innan den första versionen av 17 släpptes.
Med antagandet av 1997-standarden 802.11, två år innan Wi-Fi Alliances födelse, kom den första generationen av dagens mest populära trådlösa datateknik in i den stora världen.
IEEE 802-standard. Wi-Fi-generationer
Den första standarden som verkligen stöddes av utrustningstillverkare var 802.11b. Som du kan se har frekvensen av innovationer varit ganska stabil sedan slutet av XNUMX-talet: kvalitativa förändringar tar tid. Under de senaste åren har mycket arbete gjorts för att förbättra det fysiska signalöverföringsmediet. För att bättre förstå de moderna problemen med Wi-Fi, låt oss vända oss till dess fysiska grunder.
Låt oss komma ihåg grunderna!
Radiovågor är ett specialfall av elektromagnetiska vågor - som utbreder sig från en källa till elektriska och magnetiska fältstörningar. De kännetecknas av tre huvudparametrar: vågvektorn, såväl som de elektriska och magnetiska fältstyrkevektorerna. Alla tre är ömsesidigt vinkelräta mot varandra. I det här fallet kallas frekvensen för en våg vanligtvis för antalet upprepade svängningar som passar in i en tidsenhet.
Allt detta är välkända fakta. Men för att nå slutet är vi tvungna att börja från allra första början.
På den konventionella skalan av frekvensområden för elektromagnetisk strålning upptar radioområdet den lägsta (lågfrekventa) delen. Den inkluderar elektromagnetiska vågor med en oscillationsfrekvens från 3 Hz till 3000 GHz. Alla andra band, inklusive synligt ljus, har en mycket högre frekvens.
Ju högre frekvens, desto mer energi kan radiovågen tillföras, men samtidigt böjer den sig mindre bra runt hinder och dämpas snabbare. Det motsatta är också sant. Med hänsyn till dessa funktioner valdes två huvudsakliga frekvensområden för Wi-Fi-drift - 2,4 GHz (frekvensband från 2,4000 till 2,4835 GHz) och 5 GHz (frekvensband 5,170-5,330, 5,490-5,730 och 5,735-5,835 GHz).
Radiovågor utbreder sig i alla riktningar och för att förhindra att meddelanden påverkar varandra på grund av störningseffekten brukar frekvensbandet delas upp i separata smala sektioner - kanaler med en eller annan . Diagrammet ovan visar att intilliggande kanaler 1 och 2 med en bandbredd på 20 MHz kommer att störa varandra, men 1 och 6 kommer inte att göra det.
Signalen inuti kanalen sänds med hjälp av en radiovåg vid en viss bärfrekvens. För att överföra information kan vågparametrar vara efter frekvens, amplitud eller fas.
Kanalseparation i Wi-Fi-frekvensområden
Frekvensområdet 2,4 GHz är uppdelat i 14 delvis överlappande kanaler med en optimal bredd på 20 MHz. Man trodde en gång att detta var tillräckligt för att organisera ett komplext trådlöst nätverk. Det stod snart klart att sortimentets kapacitet snabbt höll på att ta slut, så 5 GHz-intervallet lades till, vars spektralkapacitet är mycket högre. I den, förutom 20 MHz-kanaler, är det möjligt att allokera kanaler med en bredd på 40 och 80 MHz.
För att ytterligare förbättra effektiviteten av att använda radiofrekvensspektrumet används nu flitigt ortogonal frekvensdelningsmultiplexeringsteknik ().
Det innebär att man, tillsammans med bärvågsfrekvensen, använder flera underbärvågsfrekvenser i samma kanal, vilket gör det möjligt att utföra parallell dataöverföring. OFDM låter dig distribuera trafik på ett ganska bekvämt "granulärt" sätt, men på grund av sin ärevördiga ålder har den ett antal betydande nackdelar. Bland dem finns principerna för att arbeta med nätverksprotokollet CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), enligt vilket endast en användare kan arbeta på en operatör och underbärare vid vissa tidpunkter.
Rumsliga flöden
Ett viktigt sätt att öka det trådlösa nätverkets genomströmning är genom användningen av rumsliga strömmar.
Accesspunkten bär flera radiomoduler (en, två eller flera), som är anslutna till ett visst antal antenner. Dessa antenner strålar enligt ett visst mönster och modulering, och du och jag tar emot information som sänds över ett trådlöst medium. Den rumsliga strömmen kan bildas mellan en specifik fysisk antenn (radiomodul) för åtkomstpunkten och användarenheten. Tack vare detta ökar den totala volymen information som sänds från åtkomstpunkten med en multipel av antalet strömmar (antenner).
Enligt nuvarande standarder kan upp till fyra rumsliga strömmar implementeras i 2,4 GHz-bandet och upp till åtta i 5 GHz-bandet.
Tidigare, när vi arbetade i 2,4 och 5 GHz-banden, fokuserade vi bara på antalet radiomoduler. Närvaron av en andra radiomodul gav ytterligare flexibilitet, eftersom den gjorde det möjligt för gamla abonnentenheter att arbeta med en frekvens på 2,4 GHz och nya att arbeta med en frekvens på 5 GHz. Med tillkomsten av den tredje och efterföljande radiomodulerna uppstod vissa problem. Strålande element tenderar att störa varandra, vilket ökar kostnaden för enheten på grund av behovet av bättre design och utrusta åtkomstpunkten med kompensationsfilter. Så det har först nyligen blivit möjligt att samtidigt stödja 16 rumsliga strömmar per accesspunkt.
Praktisk och teoretisk hastighet
På grund av OFDM-driftmekanismer kunde vi inte få maximal nätverksgenomströmning. Teoretiska beräkningar för den praktiska implementeringen av OFDM utfördes för länge sedan och endast i förhållande till idealiska miljöer, där ett ganska högt signal-brusförhållande (SNR) och bitfelsfrekvens (BER) förväntades förutsägbart. I moderna förhållanden med starkt brus i alla radiofrekvensspektrum som intresserar oss, är genomströmningen av OFDM-baserade nätverk deprimerande låg. Och protokollet fortsatte att bära dessa brister tills nyligen, tills OFDMA (ortogonal frequency-division multiple access)-teknik kom till undsättning. Om henne - lite längre.
Låt oss prata om antenner
Som du vet har varje antenn en förstärkning, beroende på vilket värde ett rumsligt mönster av signalutbredning (stråleformning) bildas med ett visst täckningsområde (vi tar inte hänsyn till signalåterreflektion etc.). Det är just detta som designers alltid har baserat sina resonemang på var exakt accesspunkter ska placeras. Under lång tid förblev mönstrets form oförändrad och bara ökade eller minskade i proportion till antennens egenskaper.
Moderna antennelement blir mer och mer kontrollerbara och tillåter dynamiska förändringar i det rumsliga mönstret för signalutbredning i realtid.
Den vänstra bilden ovan visar principen för radiovågsutbredning med en vanlig rundstrålande antenn. Genom att öka signaleffekten kunde vi bara ändra täckningsradien utan möjlighet att väsentligt påverka kvaliteten på kanalanvändningen - KQI (Key Quality Indicators). Och denna indikator är extremt viktig när du organiserar kommunikation under förhållanden med frekvent rörelse av abonnentenheten i en trådlös miljö.
Lösningen på problemet var användningen av ett stort antal små antenner, vars belastning kan justeras i realtid och bilda utbredningsmönster beroende på användarens rumsliga position.
Därmed var det möjligt att komma nära användningen av MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output) teknologi. Med sin hjälp genererar åtkomstpunkten när som helst strålningsflöden riktade specifikt mot abonnentenheter.
Från fysik till 802.11-standarder
I takt med att Wi-Fi-standarderna utvecklades förändrades principerna för att arbeta med det fysiska lagret i nätverket. Användningen av andra moduleringsmekanismer har gjort det möjligt - från och med versioner av 802.11g/n - att passa in en mycket större mängd information i en tidslucka och följaktligen arbeta med ett större antal användare. Detta uppnåddes bland annat genom användning av rumsliga flöden. Och den nyfunna flexibiliteten i kanalbredd har gjort det möjligt att generera mer resurser för MIMO.
Godkännandet av Wi-Fi 7-standarden är planerad till nästa år. Vad kommer att förändras med dess ankomst? Utöver den vanliga hastighetsökningen och tillägget av 6 GHz-bandet kommer det att vara möjligt att arbeta med breda aggregerade kanaler, som 320 MHz. Detta är särskilt intressant i samband med industriella tillämpningar.
Teoretisk Wi-Fi 6-genomströmning
Den teoretiska formeln för att beräkna den nominella hastigheten för Wi-Fi 6 är ganska komplex och beror på många parametrar, som börjar med antalet rumsliga strömmar och slutar med informationen som vi kan lägga in i en underbärare (eller underbärare, om det finns flera av dem) per tidsenhet.
Som du kan se beror mycket på rumsliga flöden. Men tidigare försämrade en ökning av deras antal i kombination med användningen av STC (Space-Time Coding) och MRC (Maximum Ratio Combining) prestandan för den trådlösa lösningen som helhet.
Nya nyckelteknologier för fysiska lager
Låt oss gå vidare till det fysiska lagrets nyckelteknologier – och börja med det första lagret av OSI-nätverksmodellen.
Låt oss komma ihåg att OFDM använder ett visst antal underbärare, som, utan att påverka varandra, kan sända en viss mängd information.
I exemplet använder vi 5,220 GHz-bandet, som innehåller 48 underkanaler. Genom att aggregera denna kanal får vi ett större antal underbärvågor, som var och en använder sitt eget moduleringsschema.
Wi-Fi 5 använder kvadraturamplitudmodulering 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), vilket gör att du kan bilda ett fält på 16 x 16 punkter inom bärvågsfrekvensen i en tidslucka, som skiljer sig i amplitud och fas. Olägenheten är att endast en station vid varje givet tillfälle kan sända på bärfrekvensen.
Ortogonal frekvensdelningsmultiplexering (OFDMA) kom från mobiloperatörernas värld, blev utbredd samtidigt med LTE och används för att organisera en nedlänk (kommunikationskanal till abonnenten). Det låter dig arbeta med kanalen på nivån för så kallade resursenheter. Dessa enheter hjälper till att bryta ner ett block i ett specifikt antal komponenter. Inom ett block kan vi i varje ögonblick inte arbeta strikt med ett emitterande element (användare eller åtkomstpunkt), utan kombinera dussintals element. Detta gör att du kan uppnå anmärkningsvärda resultat.
Enkel anslutning av kanaler i Wi-Fi 6
Channel Bonding i Wi-Fi 6 låter dig få kombinerade kanaler med en bredd på 20 till 160 MHz. Dessutom behöver anslutningen inte göras i närliggande områden. Till exempel kan ett block tas från 5,17 GHz-bandet och det andra från 5,135 GHz-bandet. Detta gör att du flexibelt kan bygga en radiomiljö även i närvaro av starka störningsfaktorer eller i närheten av andra stationer som ständigt sänder ut.
Från SIMO till MIMO
MIMO-metoden har inte alltid funnits med oss. En gång i tiden var mobilkommunikationen tvungen att begränsas till SIMO-läget, vilket innebar närvaron av flera antenner vid abonnentstationen, som samtidigt arbetade för att ta emot information.
MU-MIMO är utformad för att överföra information till användare som använder hela den nuvarande antennstocken. Detta tar bort de restriktioner som tidigare införts av CSMA/CA-protokollet associerat med att skicka tokens till abonnentenheter för överföring. Nu förenas användare i en grupp och varje gruppmedlem får sin del av åtkomstpunktens antennresurs istället för att vänta på sin tur.
Radiostrålebildning
En viktig regel för driften av MU-MIMO är att upprätthålla ett driftsätt för antennuppsättningen som inte skulle leda till ömsesidig överlappning av radiovågor och förlust av information på grund av fasaddition.
Detta kräver komplexa matematiska beräkningar på åtkomstpunktssidan. Om terminalen stöder denna funktion låter MU-MIMO den tala om för åtkomstpunkten hur lång tid det tar att ta emot en signal vid varje specifik antenn. Och åtkomstpunkten justerar i sin tur sina antenner för att bilda en optimalt riktad stråle.
Vad ger detta oss generellt?
Vita cirklar med siffror i tabellen indikerar aktuella scenarier för användning av Wi-Fi från tidigare generationer. De blå cirklarna (se illustrationen ovan) beskriver funktionerna hos Wi-Fi 6, och de gråa är en fråga om en nära framtid.
De huvudsakliga fördelarna som nya OFDMA-aktiverade lösningar ger är relaterade till resursenheter implementerade på en nivå som liknar TDM (Time Division Multiplexing). Detta var aldrig fallet med Wi-Fi tidigare. Detta gör att du tydligt kan kontrollera den allokerade bandbredden, vilket säkerställer minimal signalöverföringstid genom mediet och den erforderliga tillförlitlighetsnivån. Lyckligtvis tvivlar ingen på att Wi-Fi-tillförlitlighetsindikatorer behöver förbättras.
Historien rör sig i en spiral, och den nuvarande situationen liknar den som utvecklades kring Ethernet vid en tidpunkt. Redan då fastställdes åsikten att överföringsmediet CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) inte ger någon garanterad genomströmning. Och detta fortsatte fram till övergången till IEEE 802.3z.
När det gäller de allmänna applikationsmodellerna, som du kan se, för varje generation av Wi-Fi, ökar dess användningsscenarier, mer och mer känsliga för förseningar, allmänt och tillförlitlighet.
Och återigen om den fysiska miljön
Nåväl, låt oss nu prata om hur den nya fysiska miljön bildas. Vid användning av CSMA/CA och OFDM ledde en ökning av antalet aktiva STA till en allvarlig minskning av genomströmningen av 20 MHz-kanalen. Detta berodde på vad som redan nämnts: inte de senaste teknologierna STC (Space-Time Coding) och MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA kan, genom användning av resursenheter, effektivt interagera med långdistans- och lågkraftverk. Vi får möjlighet att arbeta inom samma transportörssortiment med användare som förbrukar olika mycket resurser. En användare kan ockupera en enhet och en annan - alla andra.
Varför fanns det inte OFDMA tidigare?
Och slutligen, huvudfrågan: varför fanns det ingen OFDMA tidigare? Konstigt nog handlade det hela om pengar.
Under lång tid trodde man att priset på en Wi-Fi-modul borde vara minimalt. När protokollet lanserades i kommersiell drift 1997 beslutades att produktionskostnaden för en sådan modul inte fick överstiga 1 USD. Som ett resultat tog utvecklingen av tekniken en suboptimal väg. Här tar vi inte hänsyn till operatören LTE, där OFDMA har använts ganska länge.
Till slut beslutade Wi-Fi-arbetsgruppen att ta dessa utvecklingar från teleoperatörernas värld och föra dem till en värld av företagsnätverk. Huvuduppgiften var övergången till användning av element av högre kvalitet, såsom filter och oscillatorer.
Varför var det så svårt för oss att arbeta i de gamla MRC-kodningarna med eller utan störningar? Eftersom MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) strålformningsmekanismen dramatiskt ökade antalet fel så snart vi försökte kombinera ett stort antal sändningspunkter. OFDMA har bevisat att problemet kan lösas.
Kampen mot störningar bygger nu på matematik. Om överföringsfönstret är tillräckligt långt orsakar den resulterande dynamiska störningen problem. Nya driftsalgoritmer gör det möjligt att undvika dem, vilket eliminerar påverkan inte bara av störningar i samband med Wi-Fi-överföring, utan också av alla andra som inträffar i detta intervall.
Tack vare adaptiv anti-interferens kan vi uppnå vinster på upp till 11 dB även i komplexa heterogena miljöer. Användningen av Huaweis egna algoritmiska lösningar gjorde det möjligt att uppnå seriös optimering precis där det behövdes – i inomhuslösningar. Vad som är bra i 5G är inte nödvändigtvis bra i en Wi-Fi 6-miljö. Massiva MIMO- och MU-MIMO-metoder skiljer sig åt när det gäller inomhus- och utomhuslösningar. Vid behov är det lämpligt att använda dyra lösningar, som i 5G. Men andra alternativ behövs, till exempel Wi-Fi 6, som kan leverera latensen och andra mätvärden vi har förväntat oss från operatörer.
Vi lånar av dem de verktyg som kommer att vara användbara för oss som företagskunder, allt i ett försök att tillhandahålla en fysisk miljö som vi kan lita på.
***
Glöm förresten inte våra många webbseminarier om nya Huawei-produkter 2020, som hålls inte bara i det ryskspråkiga segmentet utan också på global nivå. En lista över webbseminarier för de kommande veckorna finns på .
Källa: will.com