Trong quá trình phát triển của mình, Huawei dựa vào Wi-Fi 6. Và những câu hỏi từ đồng nghiệp và khách hàng về thế hệ tiêu chuẩn mới đã thôi thúc chúng tôi viết một bài về nền tảng lý thuyết và nguyên tắc vật lý được nhúng trong đó. Hãy chuyển từ lịch sử sang vật lý và xem xét chi tiết lý do tại sao cần có công nghệ OFDMA và MU-MIMO. Chúng ta cũng hãy nói về cách một phương tiện truyền dữ liệu vật lý được thiết kế lại về cơ bản có thể đạt được dung lượng kênh được đảm bảo và việc giảm mức độ trễ tổng thể đến mức chúng có thể so sánh được với mức độ trễ của nhà khai thác. Và điều này bất chấp thực tế là mạng dựa trên 5G hiện đại đắt hơn (trung bình 20–30 lần) so với mạng Wi-Fi 6 trong nhà có khả năng tương tự.
Đối với Huawei, chủ đề này hoàn toàn không phải là một chủ đề vu vơ: các giải pháp hỗ trợ Wi-Fi 6 là một trong những sản phẩm đột phá nhất của chúng tôi trong năm 2020, với nguồn lực khổng lồ đã được đầu tư. Đây chỉ là một ví dụ: nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu cho phép chúng tôi chọn một hợp kim, việc sử dụng hợp kim này trong các phần tử vô tuyến của điểm truy cập đã làm tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu lên 2-3 dB: hãy ngả mũ trước Doron Ezri vì thành tựu này.
Một chút lịch sử
Thật hợp lý khi đếm lịch sử của Wi-Fi từ năm 1971, khi tại Đại học Hawaii, Giáo sư Norman Abramson và một nhóm đồng nghiệp đã phát triển, xây dựng và ra mắt mạng dữ liệu gói không dây ALOHAnet.
Năm 1980, một nhóm tiêu chuẩn và giao thức IEEE 802 đã được phê duyệt, mô tả cách tổ chức hai lớp thấp hơn của mô hình mạng OSI bảy lớp. Chúng tôi đã phải đợi 802.11 năm dài trước khi phát hành phiên bản đầu tiên của 17.
Với việc áp dụng tiêu chuẩn 1997 vào năm 802.11, hai năm trước khi Liên minh Wi-Fi ra đời, thế hệ đầu tiên của công nghệ dữ liệu không dây phổ biến nhất hiện nay đã bước vào thế giới rộng lớn hơn.
Chuẩn IEEE 802. Các thế hệ Wi-Fi
Chuẩn đầu tiên được các nhà sản xuất thiết bị thực sự hỗ trợ rộng rãi là 802.11b. Như bạn có thể thấy, tần suất đổi mới khá ổn định kể từ cuối thế kỷ XNUMX: những thay đổi về chất cần có thời gian. Trong những năm gần đây, nhiều công việc đã được thực hiện để cải thiện môi trường truyền tín hiệu vật lý. Để hiểu rõ hơn các vấn đề hiện đại của Wi-Fi, chúng ta hãy chuyển sang nền tảng vật lý của nó.
Chúng ta hãy nhớ những điều cơ bản!
Sóng vô tuyến là trường hợp đặc biệt của sóng điện từ - lan truyền từ nguồn gây nhiễu loạn điện trường và từ trường. Chúng được đặc trưng bởi ba tham số chính: vectơ sóng, cũng như vectơ cường độ điện trường và từ trường. Cả ba đều vuông góc với nhau. Trong trường hợp này, tần số của sóng thường được gọi là số dao động lặp lại trong một đơn vị thời gian.
Tất cả những điều này là sự thật nổi tiếng. Tuy nhiên, để đi đến đích, chúng ta buộc phải bắt đầu lại từ đầu.
Trong thang tần số thông thường của bức xạ điện từ, dải tần vô tuyến chiếm phần thấp nhất (tần số thấp). Nó bao gồm các sóng điện từ có tần số dao động từ 3 Hz đến 3000 GHz. Tất cả các dải tần khác, kể cả ánh sáng khả kiến, đều có tần số cao hơn nhiều.
Tần số càng cao thì năng lượng truyền vào sóng vô tuyến càng nhiều, nhưng đồng thời nó uốn cong xung quanh các chướng ngại vật kém hiệu quả hơn và suy giảm nhanh hơn. Điều ngược lại cũng đúng. Khi tính đến các tính năng này, hai dải tần chính đã được chọn để hoạt động Wi-Fi - 2,4 GHz (dải tần từ 2,4000 đến 2,4835 GHz) và 5 GHz (dải tần 5,170-5,330, 5,490-5,730 và 5,735-5,835 GHz).
Sóng vô tuyến truyền đi theo mọi hướng, và để tránh các thông điệp ảnh hưởng lẫn nhau do hiệu ứng nhiễu, dải tần thường được chia thành các phần hẹp riêng biệt - các kênh với kênh này hoặc kênh khác. . Sơ đồ trên cho thấy các kênh 1 và 2 liền kề có băng thông 20 MHz sẽ gây nhiễu lẫn nhau, còn 1 và 6 thì không.
Tín hiệu bên trong kênh được truyền bằng sóng vô tuyến ở tần số sóng mang nhất định. Để truyền thông tin, các tham số sóng có thể được theo tần số, biên độ hoặc pha.
Tách kênh trong dải tần Wi-Fi
Dải tần số 2,4 GHz được chia thành 14 kênh chồng chéo một phần với độ rộng tối ưu là 20 MHz. Người ta từng tin rằng điều này là khá đủ để tổ chức một mạng không dây phức tạp. Rõ ràng là dung lượng của dải tần đang nhanh chóng cạn kiệt, vì vậy dải tần 5 GHz đã được thêm vào nó, dung lượng phổ của dải tần này cao hơn nhiều. Trong đó, ngoài các kênh 20 MHz, có thể phân bổ các kênh có độ rộng 40 và 80 MHz.
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của việc sử dụng phổ tần số vô tuyến, công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao hiện được sử dụng rộng rãi ().
Nó liên quan đến việc sử dụng, cùng với tần số sóng mang, một số tần số sóng mang con trong cùng một kênh, giúp có thể thực hiện truyền dữ liệu song song. OFDM cho phép bạn phân phối lưu lượng truy cập một cách “chi tiết” khá thuận tiện, nhưng do đã có tuổi đời đáng nể nên nó vẫn tồn tại một số nhược điểm đáng kể. Trong số đó có các nguyên tắc làm việc bằng cách sử dụng giao thức mạng CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Preventionance), theo đó chỉ một người dùng có thể làm việc trên một sóng mang và sóng mang phụ tại một số thời điểm nhất định.
Dòng chảy không gian
Một cách quan trọng để tăng thông lượng mạng không dây là thông qua việc sử dụng các luồng không gian.
Điểm truy cập mang theo một số mô-đun vô tuyến (một, hai hoặc nhiều hơn), được kết nối với một số ăng-ten nhất định. Các ăng-ten này phát ra theo một mẫu và cách điều chế nhất định, đồng thời bạn và tôi nhận được thông tin được truyền qua phương tiện không dây. Luồng không gian có thể được hình thành giữa một ăng-ten vật lý cụ thể (mô-đun vô tuyến) của điểm truy cập và thiết bị người dùng. Nhờ đó, tổng khối lượng thông tin được truyền từ điểm truy cập tăng gấp bội số luồng (ăng-ten).
Theo các tiêu chuẩn hiện hành, có thể triển khai tối đa bốn luồng không gian ở băng tần 2,4 GHz và tối đa tám luồng ở băng tần 5 GHz.
Trước đây, khi làm việc ở băng tần 2,4 và 5 GHz, chúng tôi chỉ tập trung vào số lượng mô-đun vô tuyến. Sự hiện diện của mô-đun vô tuyến thứ hai mang lại sự linh hoạt hơn, vì nó cho phép các thiết bị thuê bao cũ hoạt động ở tần số 2,4 GHz và các thiết bị thuê bao mới hoạt động ở tần số 5 GHz. Với sự ra đời của mô-đun vô tuyến thứ ba và các mô-đun vô tuyến tiếp theo, một số vấn đề đã nảy sinh. Các phần tử bức xạ có xu hướng gây nhiễu lẫn nhau, điều này làm tăng giá thành thiết bị do cần thiết kế tốt hơn và trang bị bộ lọc bù cho điểm truy cập. Vì vậy, gần đây chỉ có thể hỗ trợ đồng thời 16 luồng không gian cho mỗi điểm truy cập.
Tốc độ thực tế và lý thuyết
Do cơ chế vận hành OFDM nên chúng tôi không thể đạt được thông lượng mạng tối đa. Các tính toán lý thuyết để triển khai OFDM thực tế đã được thực hiện từ lâu và chỉ liên quan đến môi trường lý tưởng, trong đó tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỷ lệ lỗi bit (BER) khá cao được dự đoán trước. Trong điều kiện hiện đại có nhiễu mạnh ở tất cả các phổ tần số vô tuyến mà chúng ta quan tâm, thông lượng của các mạng dựa trên OFDM thấp đến mức đáng kinh ngạc. Và giao thức này tiếp tục mang những thiếu sót này cho đến gần đây, cho đến khi công nghệ OFDMA (đa truy cập phân chia tần số trực giao) ra đời để giải cứu. Về cô ấy - xa hơn một chút.
Hãy nói về anten
Như bạn đã biết, mỗi ăng-ten có một mức tăng, tùy thuộc vào giá trị của mô hình không gian truyền tín hiệu (dạng chùm tia) được hình thành với một vùng phủ sóng nhất định (chúng tôi không tính đến phản xạ lại tín hiệu, v.v.). Đây chính xác là điều mà các nhà thiết kế luôn dựa trên lý luận của họ về vị trí đặt chính xác các điểm truy cập. Trong một thời gian dài, hình dạng của mẫu không thay đổi và chỉ tăng hoặc giảm tỷ lệ thuận với đặc điểm của anten.
Các phần tử ăng-ten hiện đại ngày càng trở nên dễ điều khiển hơn và cho phép thay đổi động trong mô hình không gian truyền tín hiệu trong thời gian thực.
Hình bên trái ở trên thể hiện nguyên lý truyền sóng vô tuyến bằng ăng-ten đa hướng tiêu chuẩn. Bằng cách tăng công suất tín hiệu, chúng tôi chỉ có thể thay đổi bán kính phủ sóng mà không có khả năng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng sử dụng kênh - KQI (Chỉ báo chất lượng chính). Và chỉ báo này cực kỳ quan trọng khi tổ chức liên lạc trong điều kiện thiết bị thuê bao di chuyển thường xuyên trong môi trường không dây.
Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng một số lượng lớn ăng-ten nhỏ, tải trên đó có thể được điều chỉnh theo thời gian thực, hình thành các mô hình lan truyền tùy thuộc vào vị trí không gian của người dùng.
Do đó, có thể tiến gần đến việc sử dụng công nghệ MU-MIMO (Nhiều người dùng nhiều đầu vào, nhiều đầu ra). Với sự trợ giúp của nó, điểm truy cập bất cứ lúc nào cũng tạo ra các luồng bức xạ hướng riêng đến các thiết bị thuê bao.
Từ vật lý đến chuẩn 802.11
Khi các tiêu chuẩn Wi-Fi phát triển, các nguyên tắc làm việc với lớp vật lý của mạng cũng thay đổi. Việc sử dụng các cơ chế điều chế khác đã làm cho nó có thể - bắt đầu với các phiên bản 802.11g/n - để đưa lượng thông tin lớn hơn nhiều vào một khe thời gian và do đó, hoạt động với số lượng người dùng lớn hơn. Trong số những thứ khác, điều này đạt được thông qua việc sử dụng các dòng không gian. Và tính linh hoạt mới được phát hiện về độ rộng kênh đã giúp tạo ra nhiều tài nguyên hơn cho MIMO.
Việc phê duyệt tiêu chuẩn Wi-Fi 7 dự kiến vào năm tới. Điều gì sẽ thay đổi khi nó xuất hiện? Ngoài việc tăng tốc độ thông thường và bổ sung băng tần 6 GHz, nó sẽ có thể hoạt động với các kênh tổng hợp rộng, chẳng hạn như 320 MHz. Điều này đặc biệt thú vị trong bối cảnh ứng dụng công nghiệp.
Thông lượng Wi-Fi 6 lý thuyết
Công thức lý thuyết để tính tốc độ danh nghĩa của Wi-Fi 6 khá phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số, bắt đầu bằng số luồng không gian và kết thúc bằng thông tin mà chúng ta có thể đưa vào một sóng mang con (hoặc các sóng mang con, nếu có một vài trong số đó). chúng) trong một đơn vị thời gian.
Như bạn có thể thấy, rất nhiều thứ phụ thuộc vào dòng chảy không gian. Nhưng trước đây, sự gia tăng số lượng của chúng kết hợp với việc sử dụng STC (Mã hóa không gian-thời gian) và MRC (Kết hợp tỷ lệ tối đa) đã làm giảm hiệu suất của toàn bộ giải pháp không dây.
Công nghệ lớp vật lý quan trọng mới
Hãy chuyển sang các công nghệ chính của lớp vật lý - và bắt đầu với lớp đầu tiên của mô hình mạng OSI.
Chúng ta hãy nhớ lại rằng OFDM sử dụng một số sóng mang con nhất định, các sóng mang con này có khả năng truyền một lượng thông tin nhất định mà không ảnh hưởng lẫn nhau.
Trong ví dụ này, chúng tôi sử dụng băng tần 5,220 GHz, chứa 48 kênh con. Bằng cách tổng hợp kênh này, chúng tôi có được số lượng sóng mang phụ lớn hơn, mỗi sóng mang phụ sử dụng sơ đồ điều chế riêng.
Wi-Fi 5 sử dụng điều chế biên độ cầu phương 256 QAM (Điều chế biên độ cầu phương), cho phép bạn hình thành trường 16 x 16 điểm trong tần số sóng mang trong một khe thời gian, khác nhau về biên độ và pha. Điều bất tiện là tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có một trạm có thể truyền trên tần số sóng mang.
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) xuất phát từ thế giới của các nhà khai thác di động, trở nên phổ biến đồng thời với LTE và được sử dụng để tổ chức đường xuống (kênh liên lạc tới thuê bao). Nó cho phép bạn làm việc với kênh ở cấp độ được gọi là đơn vị tài nguyên. Các đơn vị này giúp chia khối thành một số thành phần cụ thể. Trong một khối, tại mỗi thời điểm, chúng ta không thể làm việc nghiêm ngặt với một phần tử phát ra (người dùng hoặc điểm truy cập) mà kết hợp hàng tá phần tử. Điều này cho phép bạn đạt được kết quả đáng chú ý.
Dễ dàng kết nối các kênh trong Wi-Fi 6
Liên kết kênh trong Wi-Fi 6 cho phép bạn thu được các kênh kết hợp có độ rộng từ 20 đến 160 MHz. Hơn nữa, kết nối không cần phải được thực hiện ở các phạm vi gần đó. Ví dụ: một khối có thể được lấy từ băng tần 5,17 GHz và khối thứ hai từ băng tần 5,135 GHz. Điều này cho phép bạn xây dựng môi trường vô tuyến một cách linh hoạt ngay cả khi có các yếu tố gây nhiễu mạnh hoặc ở gần các trạm phát sóng liên tục khác.
Từ SIMO tới MIMO
Phương pháp MIMO không phải lúc nào cũng phù hợp với chúng tôi. Ngày xưa, thông tin liên lạc di động phải bị giới hạn ở chế độ SIMO, nghĩa là sự hiện diện của một số ăng-ten tại trạm thuê bao, đồng thời hoạt động để nhận thông tin.
MU-MIMO được thiết kế để truyền thông tin tới người dùng bằng toàn bộ ăng-ten hiện có. Điều này loại bỏ các hạn chế được áp đặt trước đây bởi giao thức CSMA/CA liên quan đến việc gửi mã thông báo đến thiết bị thuê bao để truyền tải. Giờ đây, người dùng được hợp nhất thành một nhóm và mỗi thành viên trong nhóm nhận được phần tài nguyên ăng-ten của điểm truy cập thay vì phải chờ đến lượt.
Sự hình thành chùm tia vô tuyến
Một nguyên tắc quan trọng đối với hoạt động của MU-MIMO là duy trì chế độ hoạt động của dãy ăng-ten không dẫn đến sự chồng chéo lẫn nhau của các sóng vô tuyến và mất thông tin do cộng pha.
Điều này đòi hỏi các phép tính toán học phức tạp ở phía điểm truy cập. Nếu thiết bị đầu cuối hỗ trợ tính năng này, MU-MIMO sẽ cho phép nó thông báo cho điểm truy cập biết phải mất bao lâu để nhận được tín hiệu ở mỗi ăng-ten cụ thể. Và điểm truy cập lần lượt điều chỉnh ăng-ten của nó để tạo thành chùm tia được định hướng tối ưu.
Điều này mang lại cho chúng ta điều gì nói chung?
Vòng tròn màu trắng với các số trong bảng biểu thị các kịch bản sử dụng Wi-Fi của các thế hệ trước hiện tại. Các vòng tròn màu xanh lam (xem hình minh họa ở trên) mô tả khả năng của Wi-Fi 6 và các vòng tròn màu xám là vấn đề của tương lai gần.
Những lợi ích chính mà các giải pháp hỗ trợ OFDMA mới mang lại có liên quan đến các đơn vị tài nguyên được triển khai ở mức tương tự như TDM (Ghép kênh phân chia theo thời gian). Điều này chưa bao giờ xảy ra với Wi-Fi trước đây. Điều này cho phép bạn kiểm soát rõ ràng băng thông được phân bổ, đảm bảo thời gian truyền tín hiệu tối thiểu qua môi trường và mức độ tin cậy cần thiết. May mắn thay, không ai nghi ngờ rằng các chỉ số về độ tin cậy của Wi-Fi cần được cải thiện.
Lịch sử chuyển động theo hình xoắn ốc và tình hình hiện tại tương tự như tình hình đã phát triển xung quanh Ethernet. Ngay cả khi đó, ý kiến đã được xác lập rằng phương tiện truyền dẫn CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Development) không cung cấp bất kỳ thông lượng đảm bảo nào. Và điều này tiếp tục cho đến khi chuyển sang IEEE 802.3z.
Đối với các mô hình ứng dụng chung, như bạn có thể thấy, với mỗi thế hệ Wi-Fi, các kịch bản sử dụng của nó ngày càng tăng lên gấp bội, ngày càng nhạy cảm hơn với độ trễ, các và độ tin cậy.
Và một lần nữa về môi trường vật chất
Bây giờ hãy nói về cách hình thành môi trường vật chất mới. Khi sử dụng CSMA/CA và OFDM, số lượng STA hoạt động tăng lên dẫn đến thông lượng của kênh 20 MHz giảm nghiêm trọng. Điều này là do những gì đã được đề cập: không phải các công nghệ mới nhất STC (Mã hóa không gian-thời gian) và MRC (Kết hợp tỷ lệ tối đa).
OFDMA, thông qua việc sử dụng các đơn vị tài nguyên, có thể tương tác hiệu quả với các trạm có khoảng cách xa và công suất thấp. Chúng tôi có cơ hội làm việc trong cùng một phạm vi nhà cung cấp dịch vụ với những người dùng tiêu thụ lượng tài nguyên khác nhau. Một người dùng có thể chiếm một đơn vị và một đơn vị khác - tất cả những đơn vị khác.
Tại sao trước đây không có OFDMA?
Và cuối cùng, câu hỏi chính: tại sao trước đây không có OFDMA? Điều kỳ lạ là tất cả đều liên quan đến tiền.
Trong một thời gian dài, người ta tin rằng giá của mô-đun Wi-Fi phải ở mức tối thiểu. Khi giao thức được đưa vào hoạt động thương mại vào năm 1997, người ta quyết định rằng chi phí sản xuất một mô-đun như vậy không được vượt quá 1 USD. Kết quả là sự phát triển của công nghệ đã đi theo một con đường dưới mức tối ưu. Ở đây chúng tôi không tính đến nhà cung cấp dịch vụ LTE, nơi OFDMA đã được sử dụng từ khá lâu.
Cuối cùng, nhóm làm việc về Wi-Fi đã quyết định đưa những phát triển này từ thế giới của các nhà khai thác viễn thông và đưa chúng vào thế giới mạng doanh nghiệp. Nhiệm vụ chính là chuyển sang sử dụng các phần tử chất lượng cao hơn, chẳng hạn như bộ lọc và bộ tạo dao động.
Tại sao chúng tôi lại gặp khó khăn khi làm việc với các mã hóa MRC cũ dù có hoặc không có sự can thiệp? Bởi vì cơ chế tạo chùm tia MVDR (Phản hồi biến dạng phương sai tối thiểu) đã làm tăng đáng kể số lượng lỗi ngay khi chúng tôi cố gắng kết hợp một số lượng lớn các điểm truyền. OFDMA đã chứng minh rằng vấn đề có thể được giải quyết.
Cuộc chiến chống lại sự can thiệp hiện nay dựa trên toán học. Nếu cửa sổ truyền đủ dài thì hiện tượng nhiễu động sẽ gây ra vấn đề. Các thuật toán vận hành mới giúp tránh được chúng, loại bỏ ảnh hưởng không chỉ của nhiễu liên quan đến truyền Wi-Fi mà còn của bất kỳ ảnh hưởng nào khác xảy ra trong phạm vi này.
Nhờ khả năng chống nhiễu thích ứng, chúng ta có thể đạt được mức tăng lên tới 11 dB ngay cả trong môi trường không đồng nhất phức tạp. Việc sử dụng các giải pháp thuật toán riêng của Huawei giúp đạt được sự tối ưu hóa nghiêm túc ở chính xác những nơi cần thiết - trong các giải pháp trong nhà. Những gì tốt ở 5G không nhất thiết là tốt trong môi trường Wi-Fi 6. Các phương pháp tiếp cận MIMO và MU-MIMO khổng lồ sẽ khác nhau đối với các giải pháp trong nhà và ngoài trời. Khi cần thiết, việc sử dụng các giải pháp đắt tiền như 5G là phù hợp. Tuy nhiên, cần có các tùy chọn khác, chẳng hạn như Wi-Fi 6, có thể cung cấp độ trễ và các số liệu khác mà chúng tôi mong đợi từ các nhà cung cấp dịch vụ.
Chúng tôi mượn từ họ những công cụ sẽ hữu ích với chúng tôi với tư cách là người tiêu dùng doanh nghiệp, tất cả nhằm nỗ lực cung cấp một môi trường vật chất mà chúng tôi có thể tin cậy.
***
Nhân tiện, đừng quên vô số hội thảo trực tuyến của chúng tôi về các sản phẩm mới của Huawei trong năm 2020, được tổ chức không chỉ ở phân khúc nói tiếng Nga mà còn ở cấp độ toàn cầu. Danh sách hội thảo trực tuyến cho những tuần tới có sẵn tại .
Nguồn: www.habr.com