Huawei, geliştirmelerinde Wi-Fi 6'ya güveniyor. Meslektaşlarımızdan ve müşterilerimizden gelen yeni nesil standartla ilgili sorular, bizi bu standartta yer alan teorik temeller ve fiziksel ilkeler hakkında bir yazı yazmaya sevk etti. Tarihten fiziğe geçip OFDMA ve MU-MIMO teknolojilerine neden ihtiyaç duyulduğuna detaylı olarak bakalım. Ayrıca, temelde yeniden tasarlanmış bir fiziksel veri aktarım ortamının, garantili kanal kapasitesine ulaşmayı ve genel gecikme düzeyinde, bir operatörün gecikmeleriyle karşılaştırılabilir hale gelecek kadar bir azalmayı nasıl mümkün kıldığını da konuşalım. Ve bu, modern 5G tabanlı ağların, benzer yeteneklere sahip iç mekan Wi-Fi 20 ağlarından daha pahalı olmasına (ortalama 30-6 kat) rağmen.
Huawei için konu kesinlikle boş bir konu değil: Wi-Fi 6'yı destekleyen çözümler, muazzam kaynakların yatırıldığı 2020'deki en çığır açan ürünlerimiz arasında yer alıyor. İşte sadece bir örnek: malzeme bilimi alanındaki araştırmalar, bir erişim noktasının radyo elemanlarında kullanılması sinyal-gürültü oranını 2-3 dB artıran bir alaşım seçmemize olanak sağladı: Doron Ezri'ye şapka çıkartıyoruz. bu başarı.
Biraz tarih
Wi-Fi'nin tarihini, Hawaii Üniversitesi'nde Profesör Norman Abramson ve bir grup meslektaşının ALOHAnet kablosuz paket veri ağını geliştirip kurduğu ve başlattığı 1971 yılına kadar saymak mantıklı olacaktır.
1980 yılında, yedi katmanlı OSI ağ modelinin iki alt katmanının organizasyonunu açıklayan bir grup standart ve IEEE 802 protokolü onaylandı. 802.11'in ilk sürümünün yayınlanması için 17 uzun yıl beklemek zorunda kaldık.
Wi-Fi Alliance'ın doğuşundan iki yıl önce, 1997 yılında 802.11 standardının benimsenmesiyle, günümüzün en popüler kablosuz veri teknolojisinin ilk nesli daha geniş bir dünyaya girdi.
IEEE 802 Wi-Fi standardı.
Ekipman üreticileri tarafından gerçekten geniş çapta desteklenen ilk standart 802.11b idi. Gördüğünüz gibi yeniliklerin sıklığı XNUMX. yüzyılın sonlarından bu yana oldukça istikrarlı: Niteliksel değişiklikler zaman alıyor. Son yıllarda fiziksel sinyal iletim ortamını geliştirmek için pek çok çalışma yapıldı. Wi-Fi'nin modern sorunlarını daha iyi anlamak için fiziksel temellerine dönelim.
Temelleri hatırlayalım!
Radyo dalgaları, elektrik ve manyetik alan bozukluklarının kaynağından yayılan elektromanyetik dalgaların özel bir durumudur. Üç ana parametre ile karakterize edilirler: dalga vektörünün yanı sıra elektrik ve manyetik alan kuvveti vektörleri. Üçü de karşılıklı olarak birbirine diktir. Bu durumda, bir dalganın frekansına genellikle bir zaman birimine sığan tekrarlanan salınımların sayısı denir.
Bütün bunlar bilinen gerçeklerdir. Ancak sonuca ulaşmak için en baştan başlamamız gerekiyor.
Elektromanyetik radyasyonun geleneksel frekans aralıkları ölçeğinde, radyo aralığı en düşük (düşük frekans) kısmı kaplar. Salınım frekansı 3 Hz'den 3000 GHz'e kadar olan elektromanyetik dalgaları içerir. Görünür ışık da dahil olmak üzere diğer tüm bantların frekansı çok daha yüksektir.
Frekans ne kadar yüksek olursa, radyo dalgasına o kadar fazla enerji aktarılabilir, ancak aynı zamanda engellerin etrafında daha az bükülür ve daha hızlı zayıflar. Bunun tersi de doğrudur. Bu özellikler dikkate alınarak, Wi-Fi işlemi için iki ana frekans aralığı seçilmiştir - 2,4 GHz (2,4000 - 2,4835 GHz frekans bandı) ve 5 GHz (5,170-5,330, 5,490-5,730 ve 5,735-5,835 GHz frekans bantları).
Radyo dalgaları her yöne yayılır ve parazit etkisi nedeniyle mesajların birbirini etkilemesini önlemek için frekans bandı genellikle ayrı dar bölümlere - biri veya diğeri olan kanallara - bölünür. . Yukarıdaki diyagram, 1 MHz bant genişliğine sahip bitişik kanal 2 ve 20'nin birbiriyle etkileşime gireceğini, ancak 1 ve 6'nın engellemeyeceğini göstermektedir.
Kanal içindeki sinyal, belirli bir taşıyıcı frekansındaki radyo dalgası kullanılarak iletilir. Bilgiyi iletmek için dalga parametreleri şunlar olabilir: frekans, genlik veya faza göre.
Wi-Fi frekans aralıklarında kanal ayrımı
2,4 GHz frekans aralığı, optimum genişliği 14 MHz olan 20 kısmen örtüşen kanala bölünmüştür. Bir zamanlar bunun karmaşık bir kablosuz ağ düzenlemek için yeterli olduğuna inanılıyordu. Kısa sürede aralığın kapasitesinin hızla tükenmekte olduğu anlaşıldı ve bu nedenle spektral kapasitesi çok daha yüksek olan 5 GHz aralığı buna eklendi. İçinde 20 MHz'lik kanalların yanı sıra 40 ve 80 MHz genişliğinde kanallar da tahsis etmek mümkündür.
Radyo frekans spektrumunun kullanımının verimliliğini daha da artırmak için, dik frekans bölmeli çoğullama teknolojisi artık yaygın olarak kullanılmaktadır ().
Taşıyıcı frekansıyla birlikte aynı kanalda birkaç alt taşıyıcı frekansının kullanılmasını içerir, bu da paralel veri iletiminin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. OFDM, trafiği oldukça uygun bir "ayrıntılı" şekilde dağıtmanıza olanak tanır, ancak saygıdeğer yaşı nedeniyle bir takım önemli dezavantajları korur. Bunların arasında, belirli zamanlarda yalnızca bir kullanıcının bir taşıyıcı ve alt taşıyıcı üzerinde çalışabileceği CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Prevention) ağ protokolünü kullanarak çalışma ilkeleri yer alıyor.
Mekansal akışlar
Kablosuz ağ verimini artırmanın önemli bir yolu, mekansal akışların kullanılmasıdır.
Erişim noktası, belirli sayıda antene bağlı çeşitli radyo modüllerini (bir, iki veya daha fazla) taşır. Bu antenler belli bir düzene ve modülasyona göre yayılır ve siz ve ben kablosuz bir ortam üzerinden iletilen bilgileri alırız. Uzamsal akış, erişim noktasının belirli bir fiziksel anteni (radyo modülü) ile kullanıcı cihazı arasında oluşturulabilir. Bu sayede erişim noktasından iletilen toplam bilgi hacmi, akış (anten) sayısının katları kadar artar.
Mevcut standartlara göre, 2,4 GHz bandında en fazla dört, 5 GHz bandında ise en fazla sekiz uzamsal akış gerçekleştirilebilir.
Daha önce 2,4 ve 5 GHz bantlarında çalışırken yalnızca radyo modülü sayısına odaklanıyorduk. İkinci bir radyo modülünün varlığı, eski abone cihazlarının 2,4 GHz frekansında ve yenilerinin 5 GHz frekansında çalışmasına olanak tanıdığından ek esneklik sağladı. Üçüncü ve sonraki radyo modüllerinin ortaya çıkmasıyla birlikte bazı sorunlar ortaya çıktı. Yayılan elemanlar birbirleriyle etkileşime girme eğilimindedir; bu da daha iyi tasarım ihtiyacı ve erişim noktasının dengeleme filtreleriyle donatılması nedeniyle cihazın maliyetini artırır. Dolayısıyla erişim noktası başına 16 uzamsal akışı aynı anda desteklemek ancak yakın zamanda mümkün hale geldi.
Pratik ve teorik hız
OFDM çalışma mekanizmaları nedeniyle maksimum ağ verimini elde edemedik. OFDM'nin pratik uygulamasına yönelik teorik hesaplamalar uzun zaman önce ve yalnızca oldukça yüksek bir sinyal-gürültü oranının (SNR) ve bit hata oranının (BER) tahmin edilebileceği ideal ortamlarla ilişkili olarak yapıldı. Bizi ilgilendiren tüm radyo frekansı spektrumlarındaki güçlü gürültünün olduğu modern koşullarda, OFDM tabanlı ağların verimi iç karartıcı derecede düşüktür. Ve protokol yakın zamana kadar bu eksiklikleri taşımaya devam etti, ta ki OFDMA (ortogonal frekans bölmeli çoklu erişim) teknolojisi imdada yetişene kadar. Onun hakkında - biraz daha ileri.
Antenler hakkında konuşalım
Bildiğiniz gibi, her antenin, belirli bir kapsama alanı ile uzaysal bir sinyal yayılım modelinin (ışın oluşturma) oluşturulduğu değere bağlı olarak bir kazancı vardır (sinyalin yeniden yansımasını vb. hesaba katmıyoruz). Tasarımcıların her zaman erişim noktalarının tam olarak nereye yerleştirilmesi gerektiğine dair akıl yürütmelerini temel aldıkları şey tam olarak budur. Uzun bir süre boyunca desenin şekli değişmeden kaldı ve yalnızca antenin özellikleriyle orantılı olarak arttı veya azaldı.
Modern anten elemanları giderek daha fazla kontrol edilebilir hale geliyor ve sinyal yayılımının uzaysal modelinde gerçek zamanlı olarak dinamik değişikliklere izin veriyor.
Yukarıdaki sol şekil, standart çok yönlü bir anten kullanılarak radyo dalgası yayılımının prensibini göstermektedir. Sinyal gücünü artırarak, kanal kullanım kalitesini - KQI (Anahtar Kalite Göstergeleri) önemli ölçüde etkileme yeteneği olmadan yalnızca kapsama yarıçapını değiştirebildik. Ve bu gösterge, abone cihazının kablosuz bir ortamda sık hareket ettiği koşullarda iletişimi düzenlerken son derece önemlidir.
Sorunun çözümü, yükü gerçek zamanlı olarak ayarlanabilen ve kullanıcının mekansal konumuna bağlı olarak yayılma modelleri oluşturan çok sayıda küçük antenin kullanılmasıydı.
Böylece MU-MIMO (Çok Kullanıcılı Çoklu Giriş, Çoklu Çıkış) teknolojisinin kullanımına yaklaşmak mümkün oldu. Onun yardımıyla erişim noktası herhangi bir zamanda özellikle abone cihazlarına yönelik radyasyon akışları üretir.
Fizikten 802.11 standartlarına
Wi-Fi standartları geliştikçe ağın fiziksel katmanıyla çalışma prensipleri de değişti. Diğer modülasyon mekanizmalarının kullanılması, 802.11g/n sürümlerinden başlayarak, çok daha büyük miktarda bilgiyi bir zaman dilimine sığdırmayı ve dolayısıyla daha fazla sayıda kullanıcıyla çalışmayı mümkün kılmıştır. Diğer şeylerin yanı sıra bu, mekansal akışların kullanılmasıyla başarıldı. Kanal genişliğindeki yeni keşfedilen esneklik, MIMO için daha fazla kaynak oluşturulmasını mümkün kıldı.
Wi-Fi 7 standardının onaylanmasının önümüzdeki yıl yapılması planlanıyor. Gelişiyle birlikte neler değişecek? Her zamanki hız artışına ve 6 GHz bandının eklenmesine ek olarak, 320 MHz gibi geniş toplu kanallarla çalışmak mümkün olacak. Bu özellikle endüstriyel uygulamalar bağlamında ilgi çekicidir.
Teorik Wi-Fi 6 verimi
Wi-Fi 6'nın nominal hızını hesaplamak için teorik formül oldukça karmaşıktır ve uzaysal akışların sayısından başlayıp bir alt taşıyıcıya (veya birkaç tane varsa alt taşıyıcılara) koyabileceğimiz bilgilerle biten birçok parametreye bağlıdır. onları) birim zaman başına.
Gördüğünüz gibi pek çok şey mekansal akışlara bağlıdır. Ancak daha önce, STC (Uzay-Zaman Kodlaması) ve MRC (Maksimum Oran Birleştirme) kullanımıyla birlikte sayılarındaki artış, kablosuz çözümün performansını bir bütün olarak kötüleştiriyordu.
Yeni Anahtar Fiziksel Katman Teknolojileri
Fiziksel katmanın temel teknolojilerine geçelim ve OSI ağ modelinin ilk katmanıyla başlayalım.
OFDM'nin, birbirini etkilemeden belirli miktarda bilgiyi iletebilen belirli sayıda alt taşıyıcı kullandığını hatırlayalım.
Örnekte 5,220 alt kanal içeren 48 GHz bandını kullanıyoruz. Bu kanalı toplayarak, her biri kendi modülasyon şemasını kullanan daha fazla sayıda alt taşıyıcı elde ederiz.
Wi-Fi 5, bir zaman diliminde taşıyıcı frekansı içinde genlik ve faz bakımından farklılık gösteren 256 x 16 noktadan oluşan bir alan oluşturmanıza olanak tanıyan 16 QAM (Dörtlü Genlik Modülasyonu) dörtlü genlik modülasyonunu kullanır. Buradaki sakınca, herhangi bir anda taşıyıcı frekansı üzerinden yalnızca bir istasyonun iletim yapabilmesidir.
Ortogonal frekans bölmeli çoğullama (OFDMA), mobil operatörler dünyasından geldi, LTE ile eş zamanlı olarak yaygınlaştı ve bir downlink (aboneye iletişim kanalı) düzenlemek için kullanıldı. Kanalla kaynak birimleri adı verilen düzeyde çalışmanıza olanak tanır. Bu birimler bir bloğun belirli sayıda bileşene bölünmesine yardımcı olur. Bir blok içinde, her an tek bir yayan öğeyle (kullanıcı veya erişim noktası) tam anlamıyla çalışamayız, düzinelerce öğeyi birleştirebiliriz. Bu, olağanüstü sonuçlar elde etmenizi sağlar.
Wi-Fi 6'da kanalların kolay bağlantısı
Wi-Fi 6'daki Kanal Birleştirme, 20 ila 160 MHz genişliğinde birleşik kanallar elde etmenizi sağlar. Üstelik bağlantının yakın mesafelerde yapılmasına da gerek yok. Örneğin bir blok 5,17 GHz bandından, ikincisi ise 5,135 GHz bandından alınabilir. Bu, güçlü parazit faktörlerinin varlığında veya sürekli yayın yapan diğer istasyonların yakınında bile esnek bir radyo ortamı oluşturmanıza olanak tanır.
SIMO'dan MIMO'ya
MIMO yöntemi her zaman yanımızda değildi. Bir zamanlar, mobil iletişimin SIMO moduyla sınırlı olması gerekiyordu; bu, abone istasyonunda aynı anda bilgi almak için çalışan birkaç antenin varlığını ima ediyordu.
MU-MIMO, mevcut anten stoğunun tamamını kullanarak kullanıcılara bilgi aktarmak üzere tasarlanmıştır. Bu, iletim için abone cihazlarına token göndermeyle ilgili CSMA/CA protokolü tarafından önceden uygulanan kısıtlamaları ortadan kaldırır. Artık kullanıcılar bir grupta birleşiyor ve her grup üyesi sırasını beklemek yerine erişim noktasının anten kaynağından kendi payına düşeni alıyor.
Radyo ışını oluşumu
MU-MIMO'nun çalışması için önemli bir kural, anten dizisinin, radyo dalgalarının karşılıklı örtüşmesine ve faz eklenmesi nedeniyle bilgi kaybına yol açmayacak bir çalışma modunu sürdürmektir.
Bu, erişim noktası tarafında karmaşık matematiksel hesaplamalar gerektirir. Terminal bu özelliği destekliyorsa MU-MIMO, erişim noktasına her bir antenden sinyal almanın ne kadar sürdüğünü söylemesine olanak tanır. Erişim noktası da antenlerini optimum şekilde yönlendirilmiş bir ışın oluşturacak şekilde ayarlar.
Bu bize genel olarak ne veriyor?
Tablodaki sayıların bulunduğu beyaz daireler, önceki nesillerin Wi-Fi kullanımına ilişkin mevcut senaryoları gösterir. Mavi daireler (yukarıdaki resme bakın) Wi-Fi 6'nın yeteneklerini tanımlar ve gri daireler yakın geleceğin meselesidir.
Yeni OFDMA özellikli çözümlerin getirdiği temel faydalar, TDM'ye (Zaman Bölmeli Çoğullama) benzer bir düzeyde uygulanan kaynak birimleriyle ilgilidir. Daha önce Wi-Fi'de durum böyle değildi. Bu, tahsis edilen bant genişliğini net bir şekilde kontrol etmenize olanak tanıyarak, ortamdan minimum sinyal geçiş süresini ve gerekli güvenilirlik düzeyini sağlar. Neyse ki Wi-Fi güvenilirlik göstergelerinin iyileştirilmesi gerektiğinden kimse şüphe duymuyor.
Tarih bir sarmal içinde ilerliyor ve mevcut durum bir zamanlar Ethernet etrafında gelişen duruma benziyor. O zaman bile CSMA/CD (Çarpışma Tespitli Taşıyıcı Algılama Çoklu Erişim) iletim ortamının garantili herhangi bir verim sağlamadığı görüşü ortaya çıktı. Ve bu IEEE 802.3z'ye geçişe kadar devam etti.
Genel uygulama modellerine gelince, görebileceğiniz gibi, Wi-Fi'nin her neslinde kullanım senaryoları çoğalıyor, gecikmelere karşı giderek daha duyarlı hale geliyor, genel ve güvenilirlik.
Ve yine fiziksel çevre hakkında
Peki şimdi yeni fiziki ortamın nasıl oluştuğundan bahsedelim. CSMA/CA ve OFDM kullanıldığında aktif STA'ların sayısındaki artış, 20 MHz kanalının veriminde ciddi bir düşüşe yol açtı. Bunun nedeni daha önce bahsedilenlerden kaynaklanıyordu: en yeni STC (Uzay-Zaman Kodlaması) ve MRC (Maksimum Oran Birleştirme) teknolojileri değil.
OFDMA, kaynak birimlerinin kullanımı yoluyla, uzun mesafeli ve düşük güçlü istasyonlarla etkili bir şekilde etkileşime girebilir. Farklı miktarda kaynak tüketen kullanıcılarla aynı taşıyıcı aralığında çalışma fırsatı buluyoruz. Bir kullanıcı bir birimi, diğerini ise diğerlerini işgal edebilir.
OFDMA neden daha önce yoktu?
Ve son olarak asıl soru: Neden daha önce OFDMA yoktu? Garip bir şekilde her şey paraya bağlıydı.
Uzun zamandır Wi-Fi modülünün fiyatının minimum düzeyde olması gerektiğine inanılıyordu. Protokol 1997 yılında ticari faaliyete geçtiğinde böyle bir modülün üretim maliyetinin 1 doları geçemeyeceğine karar verildi. Sonuç olarak, teknolojinin gelişimi optimal olmayan bir yol izledi. Burada OFDMA'nın oldukça uzun süredir kullanıldığı operatör LTE'yi hesaba katmıyoruz.
Sonuçta Wi-Fi çalışma grubu, bu gelişmeleri telekom operatörleri dünyasından alıp kurumsal ağlar dünyasına taşımaya karar verdi. Ana görev, filtreler ve osilatörler gibi daha kaliteli elemanların kullanımına geçişti.
Eski MRC kodlamalarında müdahaleli veya müdahalesiz çalışmak bizim için neden bu kadar zordu? Çünkü MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) hüzme oluşturma mekanizması, çok sayıda iletim noktasını birleştirmeye çalıştığımız anda hata sayısını önemli ölçüde artırdı. OFDMA sorunun çözülebileceğini kanıtladı.
Müdahaleye karşı mücadele artık matematiğe dayanıyor. İletim penceresi yeterince uzunsa ortaya çıkan dinamik girişim sorunlara neden olur. Yeni işletim algoritmaları, yalnızca Wi-Fi iletimiyle ilişkili parazitlerin değil, aynı zamanda bu aralıkta meydana gelen diğer parazitlerin etkisini de ortadan kaldırarak bunların önlenmesini mümkün kılmaktadır.
Uyarlanabilir parazit önleme sayesinde karmaşık heterojen ortamlarda bile 11 dB'ye kadar kazanç elde edebiliyoruz. Huawei'nin kendi algoritmik çözümlerinin kullanılması, iç mekan çözümlerinde tam olarak ihtiyaç duyulan yerde ciddi optimizasyon elde edilmesini mümkün kıldı. 5G'de iyi olan, Wi-Fi 6 ortamında mutlaka iyi değildir. Massive MIMO ve MU-MIMO yaklaşımları, iç ve dış mekan çözümlerinde farklılık gösterir. Gerektiğinde 5G'de olduğu gibi pahalı çözümlerin kullanılması uygun. Ancak operatörlerden beklediğimiz gecikmeyi ve diğer ölçümleri sağlayabilecek Wi-Fi 6 gibi başka seçeneklere de ihtiyaç var.
Güvenebileceğimiz fiziksel bir ortam sağlamak amacıyla, kurumsal tüketiciler olarak bize yararlı olacak araçları onlardan ödünç alıyoruz.
***
Bu arada, yalnızca Rusça segmentinde değil, aynı zamanda küresel düzeyde de düzenlenen 2020'nin yeni Huawei ürünlerine ilişkin çok sayıda web seminerimizi de unutmayın. Önümüzdeki haftalarda gerçekleştirilecek web seminerlerinin listesine şu adresten ulaşabilirsiniz: .
Kaynak: habr.com