Нещодавно на ринок вийшли пристрої, що підтримують технологію Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax), про яку багато говорять. Але мало хто знає, що зараз ведеться розробка нового покоління технології Wi-Fi — Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be). Про те, що буде Wi-Fi 7, в цій статті.
Передісторія
У вересні 2020 року ми відзначатимемо 30-річчя проекту IEEE 802.11, який суттєво вплинув на наше життя. В даний час технологія Wi-Fi, що визначається сімейством стандартів IEEE 802.11, є найпопулярнішою бездротовою технологією, що використовується для підключення до інтернету: Wi-Fi передає більше половини трафіку користувача. У той час як стільникові технології роблять ребрендинг кожне десятиліття, наприклад, замінюючи назву 4G на 5G, для користувачів Wi-Fi підвищення швидкості передачі даних, а також впровадження нових послуг та нових функцій відбуваються практично непомітно. Лише небагато клієнтів піклуються про літери «n», «ac» або «ax», які йдуть за «802.11» на коробках обладнання. Але це не означає, що Wi-Fi не розвивається.
Одним із доказів розвитку Wi-Fi є різке збільшення номінальних швидкостей передачі даних: від 2 Мбіт/с у версії 1997 до майже 10 Гбіт/с у новітньому стандарті 802.11ax, також відомому як Wi-Fi 6. Сучасний Wi-Fi досягає такого приросту продуктивності завдяки більш швидким сигнально-кодовим конструкціям, ширшим каналам та використанню технологій. .
Крім основного напряму високошвидкісних бездротових локальних мереж, еволюція Wi-Fi включає кілька нішевих проектів. Наприклад, Wi-Fi HaLow (802.11ah) став спробою вивести Wi-Fi ринку бездротового Інтернету речей. Wi-Fi міліметрового діапазону (802.11ad/ay) підтримує номінальні швидкості передачі до 275 Гбіт/с, щоправда дуже невеликі відстані.
Нові програми та послуги, пов'язані з відеопотоками високої роздільної здатності, віртуальною та доповненою реальністю, іграми, віддаленим офісом та хмарними обчисленнями, а також необхідністю підтримки великої кількості користувачів з інтенсивним трафіком у бездротових мережах вимагають високої продуктивності.
Цілі Wi-Fi 7
У травні 2019 року підгрупа BE (TGbe) робочої групи 802.11 комітету зі стандартизації локальних та міських мереж розпочала роботу над новим доповненням до стандарту Wi-Fi, яке збільшить номінальну пропускну здатність більш ніж до 40 Гбіт/с в одному частотному каналі "типового" для Wi-Fi діапазону <= 7 ГГц. Хоча у багатьох документах фігурує «максимальна пропускна спроможність щонайменше 30 Гбіт/с», новий протокол фізичного рівня забезпечуватиме номінальну швидкість понад 40 Гбіт/с.
Ще одним важливим напрямком розробки Wi-Fi 7 є підтримка додатків реального часу (Ігри, віртуальна та доповнена реальність, управління роботами). Примітно, що хоча Wi-Fi по-особливому обслуговує аудіо- та відеотрафік, довгий час вважалося, що забезпечення на рівні стандарту гарантовано малих затримок (одиниць мілісекунд), також відоме як Time-Sensitive Networking, у мережах Wi-Fi принципово неможливе. У листопаді 2017 р. наш колектив з ІППІ РАН та НДУ ВШЕ (не вважайте за піар) виступив з відповідною пропозицією у групі IEEE 802.11. Пропозиція викликала великий інтерес, і в липні 2018 року було запущено спеціальну підгрупу для подальшого вивчення цього питання. Оскільки для підтримки програм реального часу потрібні як високі номінальні швидкості передачі даних, так і розширення функціоналу канального рівня, робоча група 802.11 вирішила розробляти методи підтримки програм реального часу в рамках Wi-Fi 7.
Важливим питанням, пов'язаним з Wi-Fi 7, є його співіснування з технологіями стільникових мереж (4G/5G), що розробляються 3GPP і працюють у тих самих неліцензійних смугах частот. Йдеться про LTE-LAA/NR-U. Для вивчення проблем, пов'язаних із співіснуванням Wi-Fi та стільникових мереж, IEEE 802.11 запустив Coexisting Standing Committee (Coex SC). Незважаючи на численні зустрічі та навіть спільний семінар учасників 3GPP та IEEE 802.11 у липні 2019 року у Відні, технічні рішення ще не були затверджені. Можливе пояснення такої безплідної діяльності полягає в тому, що як IEEE 802, так і 3GPP не хочуть змінювати власні технології, щоб привести їх у відповідність з іншою. Таким чином, на даний момент не ясно, чи вплинуть обговорення в рамках Coex SC на стандарт Wi-Fi 7.
Процес розробки
Хоча процес розробки Wi-Fi 7 знаходиться на початковій стадії, до цього часу було внесено близько 500 пропозицій нового функціоналу для майбутнього Wi-Fi 7, також відомого як IEEE 802.11be. Більшість ідей тільки обговорюються в підгрупі be і рішення щодо них ще не було прийнято. Інші ідеї були нещодавно схвалені. Нижче буде явно зазначено, які пропозиції затверджені, а які тільки обговорюються.
Спочатку планувалося, що розробка основних нових механізмів завершиться до березня 2021 року. Остаточний варіант стандарту очікується на початок 2024 року. У січні 2020 в підгрупі 11be було висловлено стурбованість тим, чи розробка відповідатиме графіку за нинішнього темпу роботи. Щоб прискорити процес розробки стандарту, підгрупа погодилася вибрати невеликий набір високопріоритетних функцій, які можуть бути випущені до 2021 (Release 1), а решта залишити на Release 2. Високопріоритетні функції повинні забезпечувати основний приріст продуктивності і включають підтримку 320 МГц, 4K QAM, очевидні покращення OFDMA від Wi-Fi 6, MU-MIMO з 16 потоками.
Через коронавірус гурт зараз очно не збирається, але регулярно проводить телеконференції. Таким чином, технологія дещо сповільнилася, але не припинилася.
Деталі технології
Розглянемо основні новації Wi-Fi 7.
- Новий протокол фізичного рівня є розвитком протоколу Wi-Fi 6 з дворазовим збільшенням ширини смуги до 320 МГц, дворазовим збільшенням числа просторових потоків MU-MIMOщо збільшує номінальну пропускну здатність у 2×2 = 4 рази. Wi-Fi 7 також починає використовувати модуляцію 4K-QAMщо додає ще 20% до номінальної пропускної спроможності. Таким чином, Wi-Fi 7 забезпечуватиме номінальну швидкість передачі даних у 2x2x1,2 = 4,8 разів вище в порівнянні з Wi-Fi 6: максимальна номінальна пропускна здатність Wi-Fi 7 становить 9,6 Гбіт/с х 4,8 = 46 Гбіт/с. Крім того, буде зроблено революційну зміну в протоколі фізичного рівня, пов'язану із забезпеченням сумісності з майбутніми версіями Wi-Fi, але вона залишиться непомітною для користувачів.
- Зміна методу доступу до каналу підтримки додатків реального часу буде проведено з урахуванням досвіду IEEE 802 TSN для провідних мереж. Обговорення, що продовжуються, у комітеті зі стандартизації пов'язані з процедурою випадкової відстрочки при доступі до каналу, категоріями обслуговування трафіку і, відповідно, окремими чергами для трафіку реального часу, а також політиками обслуговування пакетів.
- Введений у Wi-Fi 6 (802.11ax) Розширення OFDMA – метод доступу до каналу з поділом за часом та частотою (аналогічний тому, що використовується в мережах 4G та 5G) – надає нові можливості для оптимального розподілу ресурсів. Однак у 11ax OFDMA недостатньо гнучкий. По-перше, він дозволяє точці доступу виділяти для клієнтського пристрою лише один ресурсний блок наперед визначеного розміру. По-друге, він не підтримує прямої передачі між клієнтськими станціями. Обидва недоліки знижують спектральну ефективність. Крім того, відсутність гнучкості успадкованого від Wi-Fi 6 OFDMA погіршує продуктивність у щільних мережах та збільшує затримку, що критично для додатків реального часу. 11be вирішить ці проблеми OFDMA.
- Одним із затверджених революційних змін Wi-Fi 7 є вбудована підтримка одночасного використання кількох паралельних з'єднань на різних частотахяка дуже корисна як для величезних швидкостей передачі даних, так і для надзвичайно низької затримки. Хоча сучасні чіпсети можуть використовувати кілька з'єднань одночасно, наприклад, в діапазоні 2.4 і 5 ГГц, ці з'єднання незалежні, що обмежує ефективність такої операції. У 11be буде знайдено такий рівень синхронізації між каналами, який дозволяє ефективно використовувати ресурси каналу та спричинить суттєві зміни у правилах протоколу доступу до каналу.
- Використання дуже широких каналів і велику кількість просторових потоків призводить до проблеми високих накладних витрат, пов'язаних з процедурою оцінювання стану каналу, необхідної для MIMO і OFDMA. Ці накладні витрати зводять нанівець весь виграш підвищення номінальних швидкостей передачі. Очікується, що процедуру оцінки стану каналу буде переглянуто.
- У контексті Wi-Fi 7 у комітеті зі стандартизації обговорюється використання деяких «просунутих» методів передачі даних. Теоретично ці методи підвищують спектральну ефективність у разі повторних спроб передачі, а також при одночасних передачах в тому самому або протилежних напрямках. Йдеться про гібридний автоматичний запит повторення (HARQ), який використовується зараз у стільникових мережах, про режим full-duplex і про неортогональний множинний доступ (NOMA). Ці методи добре вивчені в літературі в теорії, однак поки не ясно, чи окупить приріст продуктивності, який вони забезпечують, зусилля, спрямовані на їхню реалізацію.
- Використання HARQ ускладнено наступною проблемою. У Wi-Fi зниження накладних витрат пакети склеюються. У поточних версіях Wi-Fi доставка кожного пакета всередині склеєного підтверджується і, якщо підтвердження не надходить, передача пакета повторюється методами протоколу доступу до каналу. HARQ переносить повторні спроби з канального на фізичний рівень, де пакетів більше немає, тобто кодові слова, причому межі кодових слів не збігаються з кордоном пакетів. Така розсинхронізація ускладнює реалізацію HARQ у Wi-Fi.
- Щодо Повнодуплексний, то в даний час ні в стільникових мережах, ні в мережах Wi-Fi не можна одночасно в тому самому частотному каналі передавати дані і до точки доступу (базової станції), і від неї. З технічної точки зору це пов'язано з великою різницею в потужності сигналу, що передається і приймається. Хоча існують прототипи, що поєднують цифрове і аналогове віднімання сигналу від прийнятого, здатні отримати сигнал Wi-Fi під час своєї передачі, виграш, який вони можуть дати на практиці, може бути незначний через те, що в кожен момент часу низхідний потік не дорівнює висхідному (у середньому «по лікарні» низхідний значно більше). При цьому така двостороння передача суттєво ускладнить протокол.
- Якщо передачі кількох потоків з допомогою MIMO потрібно мати кілька антен для відправника і одержувача, то разі неортогонального доступу точка доступу може одночасно передавати дані двом одержувачам з однієї антени. Різні варіанти неортогонального доступу включені останні специфікації 5G. Прототип НОМА Wi-Fi був уперше створений у 2018 р. в ІППІ РАН (знову не вважайте за піар). Він продемонстрував приріст продуктивності 30-40%. Достоїнствами розробленої технології є її зворотна сумісність: один із двох одержувачів може бути застарілим пристроєм, який не підтримує Wi-Fi 7. Взагалі проблема зворотної сумісності дуже важлива, оскільки в мережі Wi-Fi можуть одночасно працювати пристрої різних поколінь. Нині кілька команд у світі аналізують ефективність спільного використання NOMA і MU-MIMO, результати яких визначать подальшу долю підходу. Ми також продовжуємо роботу над прототипом: його чергова версія буде представлена на конференції IEEE INFOCOM у липні 2020 року.
- Зрештою, ще одним важливим нововведенням, але з незрозумілою долею, є скоординована робота точок доступу. Хоча багато постачальників мають власні централізовані контролери для корпоративних мереж Wi-Fi, можливості таких контролерів були, як правило, обмежені налаштуванням довгострокових параметрів і вибором каналу. Комітет зі стандартизації обговорює більш тісне співробітництво між сусідніми точками доступу, яке включає скоординовані планування передач, beamforming (спрямовану передачу сигналу) і навіть розподілені системи MIMO. Деякі з підходів, що розглядаються, використовують послідовне придушення перешкод (приблизно те ж, що і в NOMA). Хоча підходи для координації 11be ще не опрацьовані, немає сумніву, що стандарт дозволить точкам доступу різних виробників координувати між собою розклад передач, щоб зменшити взаємну інтерференцію. Що стосується інших, більш складних підходів (наприклад, розподілене MU-MIMO), то їх впровадити в стандарт буде складніше, хоча окремі члени групи сповнені рішучості зробити це в рамках Release 2. Незалежно від результату доля методів координації точок доступу туманна. Навіть якщо вони включені до стандарту, вони можуть не дійти до ринку. Подібне траплялося і раніше при спробі навести лад у передачах Wi-Fi за допомогою таких рішень, як HCCA (11e) та HCCA TXOP Negotiation (11be).
Резюмуючи, здається, більшість пропозицій, пов'язаних з першими п'ятьма групами, стануть частиною Wi-Fi 7, тоді як пропозиції, пов'язані з двома останніми групами, вимагають значних додаткових досліджень, щоб довести свою ефективність.
Більше технічних деталей
Технічні подробиці про Wi-Fi 7 можна почитати (англійською мовою)
Джерело: habr.com