Det viktigaste med Wi-Fi 6. Nej, seriöst

Привет.

Om du tror på Einsteins teori om enkelhet, är huvudindikatorn för att förstå ett ämne förmågan att förklara det så enkelt som möjligt, så i detta inlägg kommer jag att försöka förklara så enkelt och grundligt som möjligt effekten av bara en detalj av det nya standard, som av någon anledning till och med Wi-Fi Alliance anser vara ovärdig att nämna i infographic om de nya funktionerna i Wi-Fi 6, även om det, som vi snart kommer att se tillsammans, är mycket viktigt och anmärkningsvärt. Allt här är inte tillräckligt djupt och absolut inte heltäckande (eftersom en sådan elefant är svår att äta även i delar), men jag hoppas att vi alla kommer att lära oss något nytt och intressant för oss själva av mina verbala övningar.

Samma 802.11ax, som vi har väntat på varje dag i åtminstone andra året, för med sig en hel del nya och fantastiska saker. Den som vill berätta något om honom har alltid ett val: antingen göra en översiktstävling över huvudet, nämna en hink med förkortningar och förkortningar, försöka att inte fastna i de komplexa mekanismerna under huven på var och en av dem, eller svepa in upp en timslång rapport om en sak, mest glädjande för författaren. Jag riskerar att gå ännu längre: det mesta av mina anteckningar kommer att ägnas åt något som inte ens är nytt!

Så, i mer än tjugo år nu, har några av de trådlösa datanätverken byggts enligt ett gäng standarder i 802.11-familjen, och som alla talare med självrespekt, skulle jag behöva återställa tidslinjen för hela kedjan något. av händelser som gav världen miljarder interoperabla enheter – men som författare som respekterar läsaren riskerar jag ändå att inte göra detta. Vi bör dock påminna varandra om något.

Alla iterationer av Wi-Fi har prioriterat tillförlitlighet snarare än att maximera genomströmningen. Detta följer av medelåtkomstmekanismen (CSMA/CA), som inte är den mest optimala ur synvinkeln att pressa ut de sista kilobitarna per sekund från överföringsmediet (du kan läsa mer om världens ofullkomligheter i allmänhet och Wi -Fi i synnerhet i artikeln av min tidigare kollega skhomm här är fläckarna), men otroligt hållbart i nästan alla förhållanden. Faktum är att du kan bryta nästan alla grunderna i Wi-Fi-nätverksdesign - och ett sådant nätverk kommer fortfarande att utbyta data! Hela mekanismen genom vilken Wi-Fi-nätverksklienter kan överföra och/eller ta emot sina delar av data syftar till att säkerställa det som på engelska kallas ett ord med en svåröversatt känsla av teknokrati, robusthet. Hela lagret av modulering ökar, aggregering av ramar med data (inte exakt så, men så ska det vara!) utsmetad på toppen fortsätter att fungera efter de två huvudprinciperna i 802.11, som ger denna oöverträffade tillförlitlighet:

1. "Medan en talar, är de andra tysta";
2. "Allt utom data sägs långsamt och tydligt."

Den andra punkten orsakar mycket mer skada på nätverkets bandbredd än vad det kan verka vid första anblicken. Här är en cool bild som illustrerar en bit data som skickas på ett Wi-Fi-nätverk:

Låt oss ta reda på vad det betyder för vanliga människor som inte vet hur många sidor det finns i standarden 802.11-2016. Dataöverföringshastigheten som systemet skriver i egenskaperna för det trådlösa nätverket och som marknadsförare från valfri tillverkare ritar på accesspunktsboxar (nåja, du såg det säkert - 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!) , inte bara är det topp och maximum vid 100 % av tiden som upptas av överföring, utan det är också hastigheten med vilken endast den blå delen i denna vackra graf kommer att skickas. Allt annat kommer att skickas med en hastighet som kallas management rate på engelska (och även på ryska, eftersom översättning av sådana uttryck hotar ytterligare missförstånd mellan ingenjörer), och som är lägre inte bara flera gånger, utan med en faktor av HUNDRATALS en gång. Till exempel, utan några ytterligare inställningar, sänder ett 802.11ac-nätverk, som kan arbeta med klienter med en kanalhastighet på 1300 Mb/s, all serviceinformation (allt som inte är blått i vår allt mer hemska graf) med en hanteringshastighet på 6 Mb/s . Mer än tvåhundra gånger långsammare!

Den logiska frågan är - vad, ursäkta mig, vilken månad kan en sådan sabotageidé ens bli en del av standarden som miljarder enheter fungerar runt om i världen? Det logiska svaret är kompatibilitet, kompatibilitet, kompatibilitet! Nätverket på den nyaste accesspunkten ska ge möjlighet att fungera för tio- och till och med femton år gamla enheter, och det är i alla dessa "icke-blå" bitar som informationen flyger som långsamma äldre enheter kommer att höra, förstå korrekt och kommer inte att försöka sända under ultrahöghastighetsbitar av data deras. Robusthet kräver uppoffringar!

Nu är jag redo att ge alla som är intresserade ett oumbärligt verktyg för att bli förskräckt av de potentiella överförda megabitarna som planlöst går förlorade i modern Wi-Fi - detta har redan blivit obligatoriskt för studier i de involverade ingenjörskretsarna WiFi AirTime Calculator av norska 802.11-entusiasten Gjermund Raaen. Den finns på denna länk — resultatet av hans arbete ser ut ungefär så här:

Linje 1 är den tid som spenderas på att sända ett 1512 byte datapaket av en 802.11n-enhet i en 20 MHz kanalbredd.

Linje 2 är den tid som spenderas på att sända samma paket av en enhet med samma antennformel, men som redan fungerar enligt 802.11ac-standarden i en 80 MHz-kanal.

Hur kan detta vara - fyra gånger mer sändningstid har "bortskämts", den maximala moduleringen har blivit mer komplex från 64QAM till 256QAM, kanalhastigheten är högre SEX gånger (433 Mb/s istället för 72 Mb/s), men som mest 25% av sändningstiden vann?

Kompatibilitet och två principer för 802.11, minns du?

Tja, hur kan vi rätta till sådan orättvisa och slöseri – vi frågar oss själva, som varje IEEE-arbetsgrupp som började skapa en standard förmodligen frågade sig själv? Flera logiska vägar kommer att tänka på:

1. Accelerera dataöverföringen i den "gröna" delen av grafen. Detta görs när varje standard släpps, eftersom stora antal ser snygga ut på lådorna. I praktiken, som vi nyss märkte, ger det en ändlig ökning - även om vi accelererar kanalhastigheten till hundratusen miljoner gigabit per nanosekund kommer inte alla andra delar av grafen att försvinna. Det är därför jag rekommenderar att i alla berättelser om alla nya 802.11-standarder, hoppa över styckena som nämner megabit per sekund.
2. Snabba upp alla andra delar av grafen. Faktum är att om vi åtminstone fördubblar hastigheten med vilken allt "icke-grönt" sänds (tja, eller "icke-blått", om du fortfarande tittar på föregående bild), så kommer vi att få lite mindre än 50 % ökning av verklig genomströmning - dock genom att förlora kompatibilitet med enheter och ett antal andra nyanser som du kommer att lära dig om när du går för att förbereda dig för provet för den stolta titeln CWNA :) Spoiler: du kommer inte alltid att kunna gör detta efter att ha funderat och förstått vad det kommer att leda till. I själva verket är detta ett brott mot en av de två principerna i 802.11, så du måste vara mycket försiktig med det!
3. Sätt ihop flera ramar så här med de gröna delarna tillsammans. Ju längre den gröna delen är, desto effektivare är ökningen av kanalhastigheten. Ja, detta är en helt fungerande strategi, som dök upp redan i 802.11n och är en av flera hörnstenar i dess revolutionära karaktär. Det enda problemet är att, för det första, ett antal applikationer brydde sig inte ett dugg om sådan aggregering (till exempel samma blodtörstiga Voice over Wi-Fi), för det andra, ett antal enheter brydde sig inte heller ett dugg om det (på något sätt bestämde jag mig för att fånga det dock. Det skulle ha funnits flera sådana aggregerade ramar på det verkliga nätverket för företaget jag jobbar för, men för >500 XNUMX "plockade" ramar fanns det exakt noll aggregerade ramar. Troligtvis är problemet i min datainsamlingsmetodik, men jag är redo att diskutera det med vem som helst var som helst. någon gång i ett personligt samtal!).
4. Brott mot den första av de två principerna i 802.11 genom att börja prata när någon annan pratar. Och det är här 802.11ax faktiskt kommer till undsättning.

Det är bra att jag äntligen kom till själva Wi-Fi 6 i min berättelse om Wi-Fi 6! Om du fortfarande läser detta måste du antingen av någon anledning eller så är du verkligen intresserad. Så även om 802.11ax ärver en stor del av den tidigare utvecklingen av hela 802.11-familjen (och inte bara, förresten - några coola saker dök upp i 802.16, aka WiMAX), är något i den fortfarande fräscht och originellt. Vanligtvis åtföljs dessa ord av en bild som denna, tillgänglig på Wi-Fi Alliances webbplats:

Eftersom jag gjorde en reservation från första början, inom gränserna för en läsbar artikel kommer vi att kunna överväga endast en av dessa nyckelpunkter, eller snarare ingen av de som visas på bilden (vilken överraskning!). Jag är säker på att du redan har läst en miljon snabba beskrivningar av vart och ett av dessa åtta nyckelelement, men jag ska fortsätta min tröttsamt långa historia om vad som följer av OFDMA - åtkomstkontroll för flera medier (MU-åtkomstkontroll), som, som vi ser, jag fick inte infografiken alls. Men det är helt förgäves!

Fleråtkomst är något utan vilket det inte är någon mening med att dela upp en kanal i underbärare. Varför försöka titta på olika delar av spektrumet om det inte finns någon mekanism som kan tvinga kunder i det nya Wi-Fi 6-nätverket att bryta en av de hittills orubbliga reglerna och börja prata samtidigt? Och, naturligtvis, en sådan mekanism var helt enkelt tvungen att dyka upp - och minska effekten av det "långa" problemet jämfört med proprietär informationsdata. Hur? Ja, det är väldigt enkelt: låt den "långsamma" servicedelen skickas på samma sätt som tidigare, men vi skickar den "snabba" delen, där data skickas direkt, samtidigt från flera (eller till flera) enheter på kommando! Det ser ut ungefär så här:

Det ser komplicerat ut, men i huvudsak är det ganska lätt att förklara: åtkomstpunkten, med hjälp av en speciell ram som är förståelig för alla (inte ens Wi-Fi 6!) enheter, rapporterar att den är redo att överföra data samtidigt till STA1 och STA2. Eftersom "huvudet" i denna ram är helt förståeligt även för mycket, mycket gamla klienter, drar de den korrekta slutsatsen att etern kommer att vara upptagna under en viss tid med att överföra information till andra nätverksklienter, och börjar räkna ner tiden till slutet av denna period (i själva verket, som alltid i Wi-Fi). Men enheterna STA1 och STA2 förstår att nu kommer data att överföras till dem på ett nytt sätt, samtidigt, var och en på sin egen del av kanalen, och de svarar på åtkomstpunkten samtidigt och bekräftar sedan synkront mottagningen av ramen (var och en med sin egen del av data!), och miljön frigörs igen. "Bottom-up" fungerar det på ungefär samma sätt:

Den främsta och mest slående skillnaden är att åtkomstpunkten i denna situation talar om för stationer som kan tala samtidigt när de ska börja sända, med hjälp av en speciell ram som kallas Trigger. Detta är faktiskt en ny "utlösare" av hela mekanismen för flera samtidiga åtkomster till mediet, vilket enligt min ödmjuka åsikt är en av de viktigaste innovationerna "under huven" av den nya standarden. Det är i den som kunder får ett "schema" om hur man delar upp en frekvenskanal mellan sig; det är här som klienter samtidigt informerar åtkomstpunkten om att de har fått sina delar av data och kunnat analysera dem. I den meddelar åtkomstpunkten alla som kan "prata" samtidigt om början av dataöverföring - i den börjar åtkomstpunkten skicka den nödvändiga informationen. Den nya Trigger-rammekanismen låter dig faktiskt minska den irrationella användningen av sändningstid – och lika effektivt som många kunder kan använda den och uppfatta den korrekt!

Låt oss nu formulera de huvudsakliga teserna som följer av hela denna långa historia och kvalificera oss för TL;DR:

1. Åtkomstpunkter för den nya 802.11ax-standarden, även beroende på bara en av många innovationer, kommer att börja öka den totala genomströmningen av hela nätverket redan från kl. den andra kompatibel klientenhet! Så fort det finns minst två klienter som kan prata samtidigt, då, allt annat lika (jag har ingen anledning att anta att drivrutiner för klientradiomoduler kommer att skrivas bättre än tidigare, vilket innebär att aggregeringen av "användbara" delar av ramar och många andra klientberoende funktioner kommer fortfarande inte att fungera "i genomsnitt i en djurpark") de kommer REDAN att öka den genomsnittliga genomströmningen. Så om du funderar på ett nytt Wi-Fi-nätverk är det vettigt att omedelbart överväga de nyaste och bästa åtkomstpunkterna, för även om det fortfarande finns få klienter för dem nu, kommer situationen inte att förbli så här länge.
2. Alla knep och knep som finns i en bra trådlös ingenjörs arsenal idag kommer att förbli relevanta under lång tid - även om mekanismen för åtkomst till mediet har uppdaterats, vilket bryter mot hörnstensprinciperna som har varat i mer än 20 år, håller den fortfarande kompatibilitet i framkant. Du måste fortfarande skära av "långsamma" hanteringshastigheter (och du måste fortfarande förstå varför och när), du behöver fortfarande planera det fysiska lagret korrekt, eftersom ingen mekanism på datalänksnivå kommer att fungera om det finns problem på det fysiska nivå. Möjligheten dök bara upp att göra ännu bättre.
3. Nästan alla beslut i Wi-Fi 6 fattas av åtkomstpunkten. Som vi kan se styr den klientåtkomst till miljön genom att gruppera enheter i "perioder" av samtidig drift. När man rör sig lite längre åt sidan ligger TWT:s arbete också helt på accesspunktens axlar. Nu måste AP inte bara "sända nätverket" och lagra trafik i köer, utan också föra register över alla kunder, planera hur de ska kombineras mer lönsamt med varandra baserat på deras bandbredd och trafikbehov, deras batterier och mycket, mycket mer Jag kallar den här processen för "orkestrering". Algoritmerna med vilka åtkomstpunkten kommer att fatta alla dessa beslut är inte reglerade, vilket innebär att tillverkarnas verkliga kvalitet och strukturella tillvägagångssätt kommer att manifesteras just i utvecklingen av orkestreringsalgoritmer. Ju mer exakt punkterna förutsäger kundernas behov, desto bättre och mer enhetligt kommer de att kunna kombinera dem till flera åtkomstgrupper - därför kommer samtalstidsresurserna att användas mer rationellt och desto högre blir den slutliga genomströmningen av en sådan åtkomstpunkt. kommer vara. Algoritmen är den sista gränsen!
4. Övergången från Wi-Fi 5 till Wi-Fi 6 är lika revolutionerande till sin natur och betydelse som övergången från 802.11g till 802.11n. Sedan fick vi multi-threading och "nyttolast" aggregering - nu får vi samtidig tillgång till mediet och slutligen fungerande MU-MIMO och Beamforming (för det första, som vi vet, är dessa nästan samma sak; för det andra, diskussionen "varför MU- MIMO uppfanns i 802.11ac, men kunde inte fås att fungera” är ämnet för en separat lång artikel :) Både 802.11n och Wi-Fi 6 fungerar i båda banden (2,4 GHz och 5 GHz), till skillnad från deras "mellanliggande" föregångare - verkligen, "sex är de nya fyra"!

Lite om ursprunget till denna artikel
Artikeln skrevs för en tävling som hölls av Huawei (ursprungligen publicerad just här). När jag skrev den förlitade jag mig till stor del på min egen rapport vid "Bezprovodov"-konferensen, som hölls 2019 i St. Petersburg (du kan se inspelningen av talet på Youtube, kom bara ihåg - ljudet där, ärligt talat, är inte bra, trots S:t Petersburgs ursprung till videon!).

Källa: will.com