华为的发展依赖于Wi-Fi 6。同事和客户对新一代标准的疑问促使我们写了一篇文章，介绍其中所蕴含的理论基础和物理原理。 让我们从历史转向物理，详细了解为什么需要 OFDMA 和 MU-MIMO 技术。 我们还可以讨论一下从根本上重新设计的物理数据传输介质如何能够实现有保证的信道容量以及总体延迟水平的降低，从而与运营商的延迟水平相媲美。 尽管事实上基于 5G 的现代网络比具有类似功能的室内 Wi-Fi 20 网络更昂贵（平均 30-6 倍）。
对于华为来说，这个话题绝不是闲着的：支持Wi-Fi 6的解决方案是我们2020年最具突破性的产品之一，为此投入了大量的资源。 这只是一个例子：材料科学领域的研究使我们能够选择一种合金，在接入点的无线电元件中使用这种合金可以将信噪比提高 2-3 dB：向 Doron Ezri 致敬这个成就。
有一点历史
Wi-Fi 的历史可以追溯到 1971 年，当时夏威夷大学的 Norman Abramson 教授和一群同事开发、构建并推出了 ALOHAnet 无线分组数据网络。
1980 年，一组标准和协议 IEEE 802 获得批准，描述了七层 OSI 网络模型的两个较低层的组织。 我们等了 802.11 年才发布 17 第一个版本。
随着 1997 年（即 Wi-Fi 联盟诞生前两年）802.11 标准的采用，当今最流行的第一代无线数据技术进入了更广阔的世界。
IEEE 802 标准。Wi-Fi 世代
第一个真正得到设备制造商广泛支持的标准是802.11b。 正如你所看到的，自XNUMX世纪末以来，创新的频率一直相当稳定：质变需要时间。 近年来，人们在改进物理信号传输介质方面做了大量工作。 为了更好地理解 Wi-Fi 的现代问题，我们来看看它的物理基础。
让我们记住基础知识！
无线电波是电磁波的一种特殊情况 - 从电场和磁场干扰源传播。 它们的特征在于三个主要参数：波矢量以及电场和磁场强度矢量。 三者相互垂直。 在这种情况下，波的频率通常称为单位时间内重复振荡的次数。
这些都是众所周知的事实。 然而，为了到达终点，我们不得不从头开始。
在电磁辐射频率范围的常规尺度上，无线电范围占据最低（低频）部分。 它包括振荡频率为 3 Hz 至 3000 GHz 的电磁波。 所有其他波段，包括可见光，都有更高的频率。
频率越高，可以向无线电波传递的能量就越多，但同时它在障碍物周围弯曲的能力就越差，衰减也就越快。 反之亦然。 考虑到这些特点，Wi-Fi 操作选择了两个主要频率范围 - 2,4 GHz（频段从 2,4000 至 2,4835 GHz）和 5 GHz（频段 5,170-5,330、5,490-5,730 和 5,735-5,835 GHz）。
无线电波向各个方向传播，为了防止消息因干扰效应而相互影响，频带通常被划分为单独的狭窄部分——具有一个或另一个的信道 。 上图显示，带宽为 1 MHz 的相邻信道 2 和 20 会互相干扰，但 1 和 6 则不会。
信道内的信号使用特定载波频率的无线电波进行传输。 为了传输信息，波参数可以是 通过频率、幅度或相位。
Wi-Fi 频率范围内的通道分离
2,4 GHz 频率范围分为 14 个部分重叠的通道，最佳宽度为 20 MHz。 人们曾经认为这足以组织一个复杂的无线网络。 很快我们就发现该范围的容量正在迅速耗尽，因此添加了 5 GHz 范围，该范围的频谱容量要高得多。 其中，除了20 MHz信道外，还可以分配宽度为40和80 MHz的信道。
为了进一步提高射频频谱的使用效率，现在广泛采用正交频分复用技术（).
它涉及在同一信道中与载波频率一起使用多个子载波频率，这使得可以进行并行数据传输。 OFDM 允许您以相当方便的“粒度”方式分配流量，但由于其历史悠久，它仍然存在许多明显的缺点。 其中包括使用CSMA/CA（带有冲突避免的载波侦听多路访问）网络协议的工作原理，根据该协议，在特定时间只有一个用户可以在一个载波和子载波上工作。
空间流
提高无线网络吞吐量的一个重要方法是使用空间流。
接入点携带多个无线电模块（一个、两个或多个），这些模块连接到一定数量的天线。 这些天线根据一定的模式和调制进行辐射，您和我接收通过无线介质传输的信息。 空间流可以在接入点的特定物理天线（无线电模块）和用户设备之间形成。 因此，从接入点传输的信息总量增加了流（天线）数量的倍数。
根据当前标准，2,4 GHz 频段最多可实现 5 个空间流，XNUMX GHz 频段最多可实现 XNUMX 个。
以前，在 2,4 和 5 GHz 频段工作时，我们只关注无线电模块的数量。 第二个无线电模块的存在提供了额外的灵活性，因为它允许旧用户设备以 2,4 GHz 频率运行，而新用户设备以 5 GHz 频率运行。 随着第三个及后续无线电模块的出现，出现了一些问题。 辐射元件往往会相互干扰，这会增加设备的成本，因为需要更好的设计并为接入点配备补偿滤波器。 因此，每个接入点同时支持 16 个空间流直到最近才成为可能。
实际和理论速度
由于 OFDM 运行机制，我们无法获得最大的网络吞吐量。 正交频分复用 (OFDM) 实际实施的理论计算是在很久以前进行的，并且仅针对理想环境，可以预见，预期会有相当高的信噪比 (SNR) 和误码率 (BER)。 在我们感兴趣的所有射频频谱都存在强噪声的现代条件下，基于 OFDM 的网络的吞吐量低得令人沮丧。 直到最近，该协议仍然存在这些缺点，直到 OFDMA（正交频分多址）技术来拯救。 关于她——再进一步一点。
我们来谈谈天线
如您所知，每个天线都有一个增益，具体取决于在一定覆盖区域内形成的信号传播空间模式（波束成形）的值（我们不考虑信号重反射等）。 这正是设计人员始终基于接入点应放置在何处的推理。 在很长一段时间内，图案的形状保持不变，只是根据天线的特性按比例增加或减少。
现代天线元件变得越来越可控，并允许信号传播的空间模式实时动态变化。
上左图显示了使用标准全向天线的无线电波传播原理。 通过增加信号功率，我们只能改变覆盖半径，而无法显着影响信道使用质量——KQI（关键质量指标）。 当在无线环境中用户设备频繁移动的情况下组织通信时，该指标极其重要。
该问题的解决方案是使用大量小型天线，其负载可以实时调整，根据用户的空间位置形成传播模式。
因此，可以接近使用MU-MIMO（多用户多输入、多输出）技术。 在它的帮助下，接入点可以随时生成专门针对用户设备的辐射流。
从物理到 802.11 标准
随着 Wi-Fi 标准的发展，网络物理层的工作原理也发生了变化。 从 802.11g/n 版本开始，其他调制机制的使用使得在一个时隙中容纳更大量的信息成为可能，从而可以与更多数量的用户一起工作。 除其他外，这是通过使用空间流来实现的。 新发现的信道宽度灵活性使得为 MIMO 生成更多资源成为可能。
Wi-Fi 7标准定于明年获得批准，它的到来会带来什么变化？ 除了通常的速度提高和添加 6 GHz 频段之外，还可以使用宽聚合信道，例如 320 MHz。 这在工业应用中尤其有趣。
Wi-Fi 6 理论吞吐量
计算 Wi-Fi 6 标称速度的理论公式相当复杂，取决于许多参数，从空间流的数量开始，到我们可以放入一个子载波（或多个子载波，如果有多个子载波）的信息结束。他们）每单位时间。
正如您所看到的，很大程度上取决于空间流。 但在此之前，它们数量的增加以及 STC（空时编码）和 MRC（最大比率组合）的使用使无线解决方案的整体性能恶化。
新的关键物理层技术
让我们继续讨论物理层的关键技术 - 从 OSI 网络模型的第一层开始。
让我们回想一下，OFDM使用一定数量的子载波，这些子载波在互不影响的情况下能够传输一定量的信息。
在示例中，我们使用 5,220 GHz 频段，其中包含 48 个子通道。 通过聚合该信道，我们获得了大量的子载波，每个子载波都使用自己的调制方案。
Wi-Fi 5采用正交幅度调制256 QAM（正交幅度调制），它允许您在一个时隙内的载波频率内形成16 x 16点的场，其幅度和相位不同。 不便之处在于，在任何给定时刻只有一个站可以在该载波频率上进行传输。
正交频分复用 (OFDMA) 来自移动运营商领域，与 LTE 同时普及，用于组织下行链路（到用户的通信信道）。 它允许您在所谓的资源单元级别上使用通道。 这些单元有助于将块分解为特定数量的组件。 在一个块内，每一时刻我们都不能严格使用一个发射元素（用户或接入点），而是结合数十个元素。 这可以让您取得显着的成果。
轻松连接 Wi-Fi 6 通道
Wi-Fi 6 中的通道绑定允许您获得宽度为 20 至 160 MHz 的组合通道。 此外，连接不必在附近范围内进行。 例如，一个块可以取自 5,17 GHz 频段，第二个块可以取自 5,135 GHz 频段。 这使您即使在存在强干扰因素或靠近其他不断发射的电台的情况下也可以灵活地构建无线电环境。
从 SIMO 到 MIMO
MIMO 方法并不总是伴随着我们。 曾几何时，移动通信必须仅限于 SIMO 模式，这意味着用户站上存在多个天线，同时工作以接收信息。
MU-MIMO 旨在使用现有的全部天线向用户传输信息。 这消除了之前由 CSMA/CA 协议施加的与将令牌发送到订户设备进行传输相关的限制。 现在，用户被团结在一个组中，每个组成员都会收到自己共享的接入点天线资源，而不是等待轮到自己。
无线电波束形成
MU-MIMO操作的一个重要规则是保持天线阵列的操作模式，不会导致无线电波相互重叠和由于相位相加而导致信息丢失。
这需要接入点侧进行复杂的数学计算。 如果终端支持此功能，MU-MIMO 允许它告诉接入点在每个特定天线上接收信号需要多长时间。 接入点反过来调整其天线以形成最佳定向波束。
一般来说，这给我们带来了什么？
表中带有数字的白色圆圈表示当前使用前几代 Wi-Fi 的场景。 蓝色圆圈（见上图）描述了 Wi-Fi 6 的功能，灰色圆圈表示不久的将来的问题。
新的支持 OFDMA 的解决方案带来的主要好处与在类似于 TDM（时分复用）的级别上实现的资源单元有关。 以前 Wi-Fi 从未出现过这种情况。 这使您可以清楚地控制分配的带宽，确保最短的信号通过介质的传输时间和所需的可靠性水平。 幸运的是，没有人怀疑 Wi-Fi 可靠性指标需要改进。
历史是螺旋式发展的，目前的情况与曾经围绕以太网发展的情况类似。 即使如此，人们仍然认为 CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）传输介质不提供任何有保证的吞吐量。 这种情况一直持续到过渡到 IEEE 802.3z。
至于一般的应用模式，可以看到，随着Wi-Fi的每一代，它的使用场景都在倍增，对时延越来越敏感，一般 和可靠性。
再次关于物理环境
好，现在我们来说说新的物理环境是如何形成的。 当使用CSMA/CA和OFDM时，活动STA数量的增加导致20 MHz信道的吞吐量严重下降。 这是由于已经提到的：不是最新的技术 STC（空时编码）和 MRC（最大比率组合）。
OFDMA通过使用资源单元，可以有效地与长距离、低功率站点进行交互。 我们有机会在同一运营商范围内与消耗不同资源量的用户一起工作。 一个用户可以占用一个单元，另一个用户可以占用所有其他单元。
为什么以前没有 OFDMA？
最后，主要问题是：为什么以前没有 OFDMA？ 奇怪的是，这一切都归结为金钱。
长期以来，人们认为 Wi-Fi 模块的价格应该是最低的。 当该协议于 1997 年投入商业运营时，决定此类模块的生产成本不能超过 1 美元。 结果，技术的发展走了一条次优的道路。 这里我们不考虑运营商 LTE，而 OFDMA 已经使用了相当长的时间。
最终，Wi-Fi 工作组决定将电信运营商领域的这些发展成果引入企业网络领域。 主要任务是过渡到使用更高质量的元件，例如滤波器和振荡器。
为什么我们在有或没有干扰的情况下使用旧的 MRC 编码工作如此困难？ 因为当我们尝试组合大量发射点时，MVDR（最小方差无失真响应）波束成形机制会急剧增加错误数量。 OFDMA已经证明这个问题是可以解决的。
对抗干扰的斗争现在以数学为基础。 如果传输窗口足够长，则由此产生的动态干扰会引起问题。 新的操作算法可以避免这些干扰，不仅消除了与 Wi-Fi 传输相关的干扰的影响，还消除了该范围内发生的任何其他干扰的影响。
得益于自适应抗干扰，即使在复杂的异构环境中，我们也能实现高达 11 dB 的增益。 使用华为自己的算法解决方案，可以在需要的地方（室内解决方案）实现严格的优化。 5G 中的好不一定适用于 Wi-Fi 6 环境，Massive MIMO 和 MU-MIMO 方法在室内和室外解决方案中有所不同。 如果需要，最好使用昂贵的解决方案，例如 5G。 但还需要其他选项，例如 Wi-Fi 6，它可以提供我们期望运营商提供的延迟和其他指标。
我们向他们借用了对我们作为企业消费者有用的工具，所有这些都是为了提供一个我们可以依赖的物理环境。
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顺便说一句，不要忘记我们针对 2020 年华为新产品举办的众多网络研讨会，这些研讨会不仅在俄语领域举行，还在全球范围内举行。 未来几周的网络研讨会列表请访问： .
来源： habr.com