У своїх розробках Huawei робить ставку на Wi-Fi 6. І питання від колег та замовників про нове покоління стандарту підштовхнули нас до того, щоб написати пост про теоретичні основи та фізичні принципи, закладені в нього. Від історії перейдемо до фізики, детально розберемося, навіщо потрібні технології OFDMA та MU-MIMO. Поговоримо і про те, як принципово перероблене фізичне середовище передачі даних дозволило домогтися гарантованої пропускної спроможності каналів і зменшення загального рівня затримок, що вони стали порівнянними з «операторськими». І це при тому, що сучасні мережі на основі 5G дорожчі (в середньому в 20-30 разів) аналогічних за можливостями indoor-мереж на Wi-Fi 6.
Для Huawei тема аж ніяк не пуста: рішення з підтримкою Wi-Fi 6 - серед найпроривніших наших продуктів у 2020 році, в які були вкладені величезні ресурси. Ось тільки один приклад: дослідження в галузі матеріалознавства дозволили нам підібрати сплав, використання якого в радіоелементах точки доступу збільшило співвідношення "сигнал - шум" на 2-3 дБ: знімаємо капелюх у повазі Дорона Езрі (Doron Ezri) за це досягнення.
Трохи історії
Історію Wi-Fi має сенс відраховувати з 1971 року, коли в Університеті Гаваїв професор Норман Абрамсон із групою колег розробив, побудував та запустив бездротову мережу пакетної передачі даних ALOHAnet.
У 1980 році було затверджено групу стандартів і протоколів IEEE 802, що описують організацію двох нижніх шарів семирівневої мережевої моделі OSI. До релізу першої версії 802.11 залишалося чекати довгих 17 років.
З прийняттям у 1997 році стандарту 802.11, за два роки до появи організації Wi-Fi Alliance, перше покоління найпопулярнішої сьогодні технології бездротової передачі даних зробило крок у великий світ.
Стандарт IEEE 802. Покоління Wi-Fi
Першим стандартом, який по-справжньому масово підтриманий виробниками обладнання, став 802.11b. Як бачите, частота нововведень з кінця XX століття була досить стабільною: для якісних змін потрібен час. В останні роки основна робота велася над покращенням фізичного середовища передачі сигналу. Для того, щоб краще зрозуміти сучасну проблематику Wi-Fi, звернімося до його фізичних основ.
Згадаймо основи!
Радіохвилі є окремим випадком електромагнітних хвиль, що поширюються від джерела збурень електричного та магнітного поля. Вони характеризуються трьома основними параметрами: хвильовим вектором, а також векторами напруженості електричного та магнітного полів. Усі три взаємно перпендикулярні між собою. Частотою хвилі при цьому прийнято називати кількість коливань, що повторюються, що вкладаються в одиницю часу.
Усе це загальновідомі факти. Однак, щоб дійти до кінця, почати ми змушені від початку.
На умовній шкалі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання радіодіапазон займає нижню (низькочастотну) частину. До нього відносяться електромагнітні хвилі із частотою коливань від 3 Гц до 3000 ГГц. Всі інші діапазони, включаючи видиме світло, мають набагато більш високу частоту.
Чим вища частота, тим більшу енергію можна повідомити радіохвилі, проте водночас вона гірше огинає перешкоди і швидше загасає. Правильне і зворотне. З урахуванням цих особливостей для роботи Wi-Fi було обрано два основні частотні діапазони - 2,4 ГГц (смуга частот від 2,4000 до 2,4835 ГГц) і 5 ГГц (смуги частот 5,170-5,330, 5,490-5,730 і 5,735-5,835 ГГц).
Радіохвилі поширюються на всі боки, і для того, щоб повідомлення не впливали один на одного через ефект інтерференції, частотну смугу прийнято розбивати на окремі вузькі відрізки — канали з тією чи іншою. . На схемі вище видно, що канали 1 і 2, що знаходяться по сусідству, зі смугою пропускання 20 МГц будуть заважати один одному, а 1 і 6 — не будуть.
Сигнал усередині каналу передається за допомогою радіохвилі на певній частоті, що несе. Для передачі інформації параметри хвилі можуть за частотою, амплітудою або фазою.
Поділ каналів у частотних діапазонах Wi-Fi
Частотний діапазон 2,4 ГГц розділений на 14 каналів оптимальної ширини, що частково накладаються один на одного, - 20 МГц. Колись вважалося, що цього цілком достатньо для організації складної бездротової мережі. Незабаром з'ясувалося, що ємність діапазону стрімко вичерпується, так що до нього було додано діапазон 5 ГГц, спектральна ємність якого набагато вища. У ньому, крім 20-мегагерцовых, можливе виділення каналів шириною 40 і 80 МГц.
Для додаткового підвищення ефективності використання радіочастотного спектру в даний час широко застосовується технологія мультиплексування з частотним ортогональним поділом каналів ().
Вона має на увазі використання поряд з несучою частотою ще й кількох піднесучих частот у тому ж каналі, що дає можливість здійснювати паралельну передачу даних. OFDM дозволяє розподіляти трафік досить зручним «гранулярним» способом, але через свій поважний вік зберігає ряд істотних мінусів. Серед них принципи роботи з мережевого протоколу CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), відповідно до яких у певні моменти часу на одній несучій та піднесучій може працювати лише один користувач.
Просторові потоки
Важливим способом збільшити пропускну здатність бездротової мережі є використання просторових потоків.
Точка доступу несе на собі кілька радіомодулів (один, два або більше), які підключені до деякої кількості антен. Ці антени випромінюють за певною схемою та модуляцією, і ми з вами отримуємо інформацію, передану бездротовим середовищем. Просторовий потік може формуватися між конкретною фізичною антеною (радіомодулем) точки доступу і пристроєм користувача. Завдяки цьому загальний обсяг інформації, що передається від точки доступу, збільшується кратно кількості потоків (антенн).
За поточними стандартами у діапазоні 2,4 ГГц можна реалізувати до чотирьох просторових потоків, у діапазоні 5 ГГц – до восьми.
Насамперед під час роботи у діапазонах 2,4 і 5 ГГц ми орієнтувалися лише кількість радіомодулів. Наявність другого радіомодуля давало додаткову гнучкість, оскільки дозволяло старим абонентським пристроям функціонувати на частоті 2,4 ГГц, а новим — частоті 5 ГГц. З появою третього та наступних радіомодулів виникали деякі проблеми. Випромінювальні елементи схильні створювати наведення один на одного, що підвищує вартість пристрою у зв'язку з необхідністю якіснішого проектування та оснащення точки доступу компенсаційними фільтрами. Так що тільки недавно стало можливим одночасне підтримання 16 просторових потоків на одну точку доступу.
Швидкість практична та теоретична
Через механізми роботи OFDM ми не могли отримати максимальну пропускну здатність мережі. Теоретичні розрахунки для практичного застосування OFDM проводилися дуже давно і лише стосовно ідеальних середовищ, де передбачувано очікувалися досить високий показник відношення "сигнал - шум" (SNR) і ймовірність помилки на біт (BER). У сучасних умовах сильної зашумленості всіх радіочастотних спектрів, що нас цікавлять, показники пропускної спроможності мереж на основі OFDM гнітюче малі. І протокол до останнього часу продовжував нести в собі ці недоліки, поки на допомогу не прийшла технологія OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). Про неї трохи далі.
Поговоримо про антени
Як ви знаєте, кожна антена має коефіцієнт посилення, залежно від значення якого формується просторовий патерн поширення сигналу (beamforming) з певною площею покриття (ми не враховуємо перевідображення сигналів тощо). Саме на це завжди спиралися міркування проектувальників щодо того, де саме мають бути розміщені точки доступу. Довгий час форма патерну залишалася незмінною і лише збільшувалася або зменшувалася пропорційно до характеристик антени.
Сучасні антенні елементи стають дедалі керованішими і дозволяють динамічно змінювати просторовий патерн поширення сигналу реальному часі.
Зліва малюнку вгорі показаний принцип поширення радіохвиль під час використання стандартної всеспрямованої антени. Збільшуючи потужність сигналу, ми могли змінювати лише радіус покриття без можливості значно впливати на якість використання каналу — KQI (Key Quality Indicators). А цей показник є надзвичайно важливим при організації зв'язку в умовах частого переміщення абонентського пристрою в бездротовому середовищі.
Вирішенням проблеми стало застосування великої кількості маленьких антен, навантаження на які можна регулювати в реальному часі, формуючи патерни поширення залежно від просторового становища користувача.
Таким чином вдалося впритул підійти до застосування технології MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). З її допомогою точка доступу будь-якої миті часу формує потоки випромінювання, спрямовані саме у бік абонентських пристроїв.
Від фізики до стандартів 802.11
З розвитком стандартів Wi-Fi змінювалися принципи роботи з фізичним шаром мережі. Використання інших механізмів модуляції дало можливість - починаючи з версій 802.11g/n - вміщувати в тайм-слот набагато більше інформації і, відповідно, працювати з більшим числом користувачів. Крім того, це досягалося і завдяки використанню просторових потоків. А новонабута гнучкість щодо ширини каналу дозволила формувати більше ресурсів для MIMO.
Наступного року намічено затвердження стандарту Wi-Fi 7. Що зміниться з його приходом? Окрім звичного приросту швидкості та додавання діапазону 6 ГГц з'явиться можливість працювати з широкими агрегованими каналами, такими як 320 МГц. Це особливо цікаво у розрізі індустріального застосування.
Теоретична пропускна здатність Wi-Fi 6
Теоретична формула розрахунку номінальної швидкості роботи Wi-Fi 6 досить складна і залежить від багатьох параметрів, починаючи з кількості просторових потоків і закінчуючи тією інформацією, які ми можемо вкласти в піднесучу (або піднесучу, якщо їх кілька) в одиницю часу.
Як бачите, від просторових потоків залежить дуже багато. Адже насамперед збільшення їх кількості у поєднанні з використанням STC (Space-Time Coding) та MRC (Maximum Ratio Combining) погіршувало роботу бездротового рішення загалом.
Нові ключові технології фізичного рівня
Перейдемо до ключових технологій фізичного рівня і почнемо з першого рівня мережевої моделі OSI.
Нагадаємо, що в OFDM використовується певна кількість піднесучих, які, не торкаючись один одного, здатні передавати певний обсяг інформації.
У прикладі ми використовуємо діапазон 5,220 ГГц, що містить 48 підканалів. Агрегуючи цей канал, ми отримаємо більше піднесучих, на кожній з яких застосовується своя схема модуляції.
У Wi-Fi 5 використовується квадратурна модуляція 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), яка дозволяє формувати в рамках несучої частоти в одному тайм-слоті поле 16 х 16 точок, що розрізняються по амплітуді та фазі. Незручність полягає в тому, що в кожен окремий момент здійснювати передачу на частоті, що несе, може тільки одна станція.
Мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів (OFDMA) прийшло зі світу операторів мобільного зв'язку, набуло поширення одночасно з LTE та застосовується для організації downlink (каналу зв'язку до абонента). Воно дозволяє працювати з каналом лише на рівні про ресурсних юнітів. Ці юніти допомагають розбити блок на певну кількість компонентів. В рамках блоку ми можемо в кожний момент не працювати строго з одним випромінюючим елементом (користувачем або точкою доступу), а комбінувати десятки елементів. Це дозволяє досягати чудових результатів.
Просте з'єднання каналів у Wi-Fi 6
З'єднання каналів (Channel Bonding) Wi-Fi 6 дозволяє отримувати об'єднані канали шириною від 20 до 160 МГц. Причому з'єднання не обов'язково робити у довколишніх діапазонах. Наприклад, один блок можна взяти з діапазону 5,17 ГГц, а другий з діапазону 5,135 ГГц. Це дозволяє гнучко будувати радіосередовище навіть за наявності сильних інтерференційних факторів або при сусідстві з іншими станціями, що постійно випромінюють.
Від SIMO до MIMO
Метод MIMO був із нами не завжди. Колись мобільного зв'язку доводилося обмежуватися режимом SIMO, який мав на увазі наявність у абонентської станції кількох антен, які одночасно працюють на отримання інформації.
MU-MIMO має передавати інформацію користувачам, використовуючи весь поточний антенний фонд. Це знімає обмеження, що накладалися раніше протоколом CSMA/CA, пов'язані з відправкою абонентським пристроям токенів на передачу. Тепер користувачі об'єднуються в групу і кожен учасник групи отримує свою частину ресурсу антенного фонду точки доступу, а не чекає своєї черги.
Формування радіопроменя
Важливим правилом роботи MU-MIMO є підтримка такого режиму роботи антенного фонду, який не призводив би до взаємного перекриття радіохвиль та втрати інформації через складання фаз.
Це вимагає складних математичних розрахунків за точки точки доступу. Якщо термінал підтримує цю функцію, MU-MIMO дозволяє йому повідомляти про точку доступу, з якою затримкою він отримує сигнал на кожну конкретну антену. А точка доступу, своєю чергою, підлаштовує свої антени на формування оптимально спрямованого променя.
Що це нам дає загалом?
Білими кружками з цифрами у таблиці відзначені поточні сценарії використання Wi-Fi попередніх поколінь. Сині кружки (див. ілюстрацію вище) описують можливості Wi-Fi 6, а сірі - справа недалекого майбутнього.
Основні переваги, які приносять нові рішення за допомогою OFDMA, пов'язані з ресурсними юнітами, реалізованими на рівні, аналогічному TDM (Time Division Multiplexing). Насамперед у Wi-Fi такого не було. Це дозволяє чітко контролювати смугу, що виділяється, забезпечуючи мінімальний час проходження сигналу через середовище і необхідний рівень надійності. Благо ні в кого не виникає сумнівів у тому, що показники надійності Wi-Fi потребують покращення.
Історія рухається по спіралі, і поточна ситуація схожа на ту, яка склалася свого часу навколо Ethernet. Вже тоді утвердилася думка, що середовище передачі CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) не забезпечує гарантованої пропускної спроможності. І так тривало до переходу на IEEE 802.3z.
Що стосується загальних моделей застосування, то, як бачите, з кожним поколінням Wi-Fi множаться сценарії його використання, все більш чутливі до затримок, загального. та надійності.
І знову про фізичне середовище
Ну а тепер про те, за рахунок чого формується нове фізичне середовище. При використанні CSMA/CA та OFDM зростання кількості активних точок (Active STA) призводило до того, що пропускна здатність 20-мегагерцового каналу серйозно падала. Пов'язано це було з тим, що вже згадувалося: з не найновішими технологіями STC (Space-Time Coding) і MRC (Maximum Ratio Combining).
OFDMA за рахунок використання ресурсних юнітів може ефективно взаємодіяти з далекими та малопотужними станціями. Ми отримуємо можливість роботи в одному діапазоні, що несе, з користувачами, що споживають різні обсяги ресурсів. Один користувач може займати один юніт, а інший всі інші.
Чому раніше не було OFDMA?
І, нарешті, головне питання: чому раніше не було OFDMA? Як не дивно, все впиралося у гроші.
Довгий час вважалося, що ціна Wi-Fi-модуля має бути мінімальною. При запуску протоколу в комерційну експлуатацію 1997 року було вирішено, що собівартість виробництва такого модуля неспроможна перевищувати $1. Як наслідок, розвиток технології пішов неоптимальним шляхом. Тут ми не беремо до уваги операторський LTE, де OFDMA використовується вже досить давно.
Зрештою робоча група з Wi-Fi вирішила взяти ці напрацювання зі світу операторів зв'язку та перенести їх у світ корпоративних мереж. Основним завданням став перехід на використання більш якісних елементів, таких як фільтри та осцилятори.
Чому нам було так складно працювати у старих кодуваннях MRC з інтерференцією чи без неї? Тому що механізм формування променя MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) різко збільшував кількість помилок, як тільки ми намагалися поєднати велику кількість точок, що передають. OFDMA довів, що проблема вирішувана.
Боротьба з інтерференцією тепер ґрунтується на математиці. Якщо вікно передачі інформації досить довге, динамічна інтерференція, що виникає, призводить до проблем. Нові алгоритми роботи дозволяють уникнути них, виключаючи вплив як інтерференції, що з передачею Wi-Fi, а й будь-який інший, що у цьому діапазоні.
Завдяки адаптивній боротьбі з інтерференцією ми можемо здобути виграш до 11 дБ навіть у складному неоднорідному середовищі. Використання власних алгоритмічних рішень Huawei дозволило досягти серйозної оптимізації саме там, де потрібно, - в indoor-рішеннях. Те, що добре в 5G, не обов'язково добре в середовищі Wi-Fi 6. Підходи Massive MIMO та MU-MIMO відрізняються у випадку з indoor- та outdoor-рішеннями. Там, де потрібно, доречно використовувати дорогі рішення, як у 5G. Але потрібні й інші варіанти, такі як Wi-Fi 6, здатні забезпечити затримки та інші показники, яких ми звикли очікувати від операторів зв'язку.
Ми запозичуємо в них інструменти, які будуть корисні для нас, як для корпоративних споживачів, і все це для того, щоб забезпечити фізичне середовище, на яке можна буде покластися.
***
До речі, не забувайте про наші численні вебінари за новинками Huawei 2020 року, які проводяться не тільки в російськомовному сегменті, але й на глобальному рівні. Список вебінарів на найближчі тижні доступний .
Джерело: habr.com