華為的發展依賴Wi-Fi 6。同事和客戶對新一代標準的疑問促使我們寫了一篇關於其中所蘊含的理論基礎和物理原理的文章。 讓我們從歷史轉向物理，詳細了解為什麼需要 OFDMA 和 MU-MIMO 技術。 我們還可以討論一下從根本上重新設計的實體資料傳輸媒體如何能夠實現有保證的通道容量以及整體延遲水準的降低，從而與營運商的延遲水準相媲美。 儘管事實上基於 5G 的現代網路比具有類似功能的室內 Wi-Fi 20 網路更昂貴（平均 30-6 倍）。
對華為來說，這個主題絕非閒話：支援Wi-Fi 6的解決方案是我們2020年最具突破性的產品之一，為此投入了大量資源。 這只是一個例子：材料科學領域的研究使我們能夠選擇一種合金，在接入點的無線電元件中使用這種合金可以將信噪比提高 2-3 dB：向 Doron Ezri 致敬這個成就。
歷史上的位
Wi-Fi 的歷史可以追溯到 1971 年，當時夏威夷大學的 Norman Abramson 教授和一群同事開發、建構並推出了 ALOHAnet 無線分組資料網路。
1980 年，一組標準和協定 IEEE 802 獲得批准，描述了七層 OSI 網路模型的兩個較低層的組織。 我們等了 802.11 年才發布 17 第一版。
隨著 1997 年（即 Wi-Fi 聯盟誕生前兩年）802.11 標準的採用，當今最受歡迎的第一代無線資料技術進入了更廣闊的世界。
IEEE 802 標準。Wi-Fi 世代
第一個真正得到設備製造商廣泛支持的標準是802.11b。 正如你所看到的，自XNUMX世紀末以來，創新的頻率一直相當穩定：質變需要時間。 近年來，人們在改進物理訊號傳輸介質方面做了大量工作。 為了更好地理解 Wi-Fi 的現代問題，讓我們來看看它的物理基礎。
讓我們記住基礎知識！
無線電波是電磁波的一種特殊情況 - 從電場和磁場幹擾源傳播。 它們的特徵在於三個主要參數：波矢量以及電場和磁場強度向量。 三者相互垂直。 在這種情況下，波的頻率通常稱為單位時間內重複振盪的次數。
這些都是眾所周知的事實。 然而，為了到達終點，我們不得不從頭開始。
在電磁輻射頻率範圍的常規尺度上，無線電範圍佔據最低（低頻）部分。 它包括振盪頻率為 3 Hz 至 3000 GHz 的電磁波。 所有其他波段，包括可見光，都有更高的頻率。
頻率越高，可以向無線電波傳遞的能量就越多，但同時它在障礙物周圍彎曲的能力就越差，衰減就越快。 反之亦然。 考慮到這些特點，Wi-Fi 操作選擇了兩個主要頻率範圍：2,4 GHz（頻段從 2,4000 至 2,4835 GHz）和 5 GHz（頻段 5,170-5,330、5,490-5,730 和 5,735-5,835 GHz）。
無線電波向各個方向傳播，為了防止訊息因幹擾效應而相互影響，頻帶通常被劃分為單獨的狹窄部分——具有一個或另一個的通道 。 上圖顯示，頻寬為 1 MHz 的相鄰頻道 2 和 20 會互相干擾，但 1 和 6 則不會。
頻道內的訊號使用特定載波頻率的無線電波進行傳輸。 為了傳遞訊息，波參數可以是 透過頻率、振幅或相位。
Wi-Fi 頻率範圍內的頻道分離
2,4 GHz 頻率範圍分為 14 個部分重疊的通道，最佳寬度為 20 MHz。 人們曾經認為這足以組織一個複雜的無線網路。 很快我們就發現該範圍的容量正在迅速耗盡，因此添加了 5 GHz 範圍，該範圍的頻譜容量要高得多。 其中，除了20 MHz之外，還可以分配寬度為40和80 MHz的頻道。
為了進一步提高射頻頻譜的使用效率，現在廣泛採用正交頻分複用技術（).
它涉及在同一通道中與載波頻率一起使用多個子載波頻率，這使得可以進行平行資料傳輸。 OFDM 允許您以相當方便的「粒度」方式分配流量，但由於其歷史悠久，它仍然存在許多明顯的缺點。 其中包括使用CSMA/CA（具有衝突避免的載波偵聽多路存取）網路協定的工作原理，根據該協議，在特定時間只有一個使用者可以在一個載波和子載波上工作。
空間流
提高無線網路吞吐量的一個重要方法是使用空間流。
接入點攜帶多個無線電模組（一個、兩個或多個），這些模組連接到一定數量的天線。 這些天線根據一定的模式和調製進行輻射，您和我接收透過無線介質傳輸的資訊。 空間流可以在存取點的特定實體天線（無線電模組）和用戶設備之間形成。 因此，從存取點傳輸的資訊總量增加了流（天線）數量的倍數。
根據目前標準，2,4 GHz 頻段可達到高達 5 個空間流，XNUMX GHz 頻段最多可實現 XNUMX 個。
以前，在 2,4 和 5 GHz 頻段工作時，我們只關注無線電模組的數量。 第二個無線電模組的存在提供了額外的靈活性，因為它允許舊用戶設備以 2,4 GHz 頻率運行，而新用戶設備以 5 GHz 頻率運行。 隨著第三個及後續無線電模組的出現，出現了一些問題。 輻射元件往往會相互幹擾，這會增加設備的成本，因為需要更好的設計並為接入點配備補償濾波器。 因此，每個接入點同時支援 16 個空間流直到最近才成為可能。
實際和理論速度
由於 OFDM 運作機制，我們無法獲得最大的網路吞吐量。 正交頻分複用 (OFDM) 實際實施的理論計算是在很久以前進行的，並且僅針對理想環境，可以預見，預期會有相當高的信噪比 (SNR) 和誤碼率 (BER)。 在我們感興趣的所有射頻頻譜都存在強烈雜訊的現代條件下，基於 OFDM 的網路的吞吐量低得令人沮喪。 直到最近，該協定仍然存在這些缺點，直到 OFDMA（正交頻分多址）技術來拯救。 關於她——再進一步一點。
我們來談談天線
如您所知，每個天線都有一個增益，取決於在一定覆蓋區域內形成的訊號傳播空間模式（波束成形）的值（我們不考慮訊號重反射等）。 這正是設計人員始終基於接入點應放置在何處的推理。 在很長一段時間內，圖案的形狀保持不變，只是根據天線的特性按比例增加或減少。
現代天線元件變得越來越可控，並允許訊號傳播的空間模式即時動態變化。
上左圖顯示了使用標準全向天線的無線電波傳播原理。 透過增加訊號功率，我們只能改變覆蓋半徑，而無法顯著影響頻道使用品質－KQI（關鍵品質指標）。 當在無線環境中用戶設備頻繁移動的情況下組織通訊時，此指標極為重要。
該問題的解決方案是使用大量小型天線，其負載可以即時調整，根據使用者的空間位置形成傳播模式。
因此，可以接近使用MU-MIMO（多用戶多輸入、多輸出）技術。 在它的幫助下，接入點可以隨時產生專門針對使用者裝置的輻射流。
從物理到 802.11 標準
隨著 Wi-Fi 標準的發展，網路物理層的工作原理也發生了變化。 從 802.11g/n 版本開始，其他調變機制的使用使得在一個時隙中容納更大量的資訊成為可能，從而可以與更多數量的使用者一起工作。 除此之外，這是透過使用空間流來實現的。 新發現的通道寬度靈活性使得為 MIMO 產生更多資源成為可能。
Wi-Fi 7標準定於明年獲得批准，它的到來會帶來什麼變化？ 除了通常的速度提高和添加 6 GHz 頻段之外，還可以使用寬聚合通道，例如 320 MHz。 這在工業應用上尤其有趣。
Wi-Fi 6 理論吞吐量
計算 Wi-Fi 6 標稱速度的理論公式相當複雜，取決於許多參數，從空間流的數量開始，到我們可以放入一個子載波（或多個子載波，如果有多個子載波）的資訊結束。他們）每單位時間。
正如您所看到的，這很大程度上取決於空間流。 但在此之前，它們數量的增加以及 STC（空時編碼）和 MRC（最大比率組合）的使用使無線解決方案的整體性能惡化。
新的關鍵物理層技術
讓我們繼續討論物理層的關鍵技術 - 從 OSI 網路模型的第一層開始。
讓我們回想一下，OFDM使用一定數量的子載波，這些子載波在互不影響的情況下能夠傳輸一定量的信息。
在範例中，我們使用 5,220 GHz 頻段，其中包含 48 個子通道。 透過聚合該通道，我們獲得了大量的子載波，每個子載波都使用自己的調變方案。
Wi-Fi 5採用正交幅度調變256 QAM（正交幅度調變），它讓您在一個時隙內的載波頻率內形成16 x 16點的場，其振幅和相位不同。 不便之處在於，在任何給定時刻只有一個站可以在該載波頻率上進行傳輸。
正交頻分複用 (OFDMA) 來自行動電信業者領域，與 LTE 同時普及，用於組織下行鏈路（到用戶的通訊頻道）。 它允許您在所謂的資源單元層級上使用通道。 這些單元有助於將區塊分解為特定數量的組件。 在一個區塊內，每一時刻我們都不能嚴格使用一個發射元素（使用者或存取點），而是結合數十個元素。 這可以讓您取得顯著的成果。
輕鬆連線 Wi-Fi 6 頻道
Wi-Fi 6 中的通道綁定可讓您獲得寬度為 20 至 160 MHz 的組合通道。 此外，連接不必在附近範圍內進行。 例如，一個區塊可以取自 5,17 GHz 頻段，第二個區塊可以取自 5,135 GHz 頻段。 這使您即使在存在強幹擾因素或靠近其他不斷發射的電台的情況下也可以靈活地構建無線電環境。
從 SIMO 到 MIMO
MIMO 方法並不總是伴隨著我們。 曾幾何時，行動通訊必須僅限於 SIMO 模式，這意味著用戶站上存在多個天線，同時工作以接收訊息。
MU-MIMO 旨在使用現有的全部天線向用戶傳輸訊息。 這消除了先前由 CSMA/CA 協議施加的與將令牌發送到訂戶設備進行傳輸相關的限制。 現在，使用者被團結在一個群組中，每個組成員都會收到自己共享的存取點天線資源，而不是等待輪到自己。
無線電波束形成
MU-MIMO操作的一個重要規則是保持天線陣列的操作模式，不會導致無線電波相互重疊和由於相位相加而導致資訊遺失。
這需要接入點側進行複雜的數學計算。 如果終端支援此功能，MU-MIMO 允許其告知存取點在每個特定天線接收訊號需要多長時間。 接入點反過來調整其天線以形成最佳定向波束。
一般來說，這為我們帶來了什麼？
表中帶有數字的白色圓圈表示目前使用前幾代 Wi-Fi 的場景。 藍色圓圈（見上圖）描述了 Wi-Fi 6 的功能，灰色圓圈表示不久的將來的問題。
新的支援 OFDMA 的解決方案帶來的主要好處與在類似於 TDM（時分複用）的層級上實現的資源單元有關。 以前 Wi-Fi 從未出現過這種情況。 這使您可以清楚地控制分配的頻寬，確保最短的訊號通過介質的傳輸時間和所需的可靠性等級。 幸運的是，沒有人懷疑 Wi-Fi 可靠性指標需要改進。
歷史是螺旋式發展的，目前的情況與曾經圍繞乙太網路發展的情況類似。 即便如此，人們仍認為 CSMA/CD（具有衝突偵測的載波偵聽多路存取）傳輸媒體不提供任何有保證的吞吐量。 這種情況一直持續到過渡到 IEEE 802.3z。
至於一般的應用模式，可以看到，隨著Wi-Fi的每一代，它的使用場景都在倍增，對時延越來越敏感，一般 和可靠性。
再一次關於物理環境
好，現在我們來談談新的物理環境是如何形成的。 當使用CSMA/CA和OFDM時，活動STA數量的增加導致20 MHz頻道的吞吐量嚴重下降。 這是由於已經提到的：不是最新的技術 STC（空時編碼）和 MRC（最大比率組合）。
OFDMA透過使用資源單元，可以有效地與長距離、低功率站點進行互動。 我們有機會在同一運營商範圍內與消耗不同資源量的用戶一起工作。 一個使用者可以佔用一個單元，另一個使用者可以佔用所有其他單元。
為什麼以前沒有 OFDMA？
最後，主要問題是：為什麼以前沒有 OFDMA？ 奇怪的是，這一切都歸結於金錢。
長期以來，人們認為 Wi-Fi 模組的價格應該是最低的。 當協議於 1997 年投入商業營運時，決定此類模組的生產成本不能超過 1 美元。 結果，科技的發展走了一條次優的路。 這裡我們不考慮電信商 LTE，而 OFDMA 已經使用了相當長的時間。
最終，Wi-Fi 工作小組決定將電信業者領域的這些發展成果引入企業網路領域。 主要任務是過渡到使用更高品質的元件，例如濾波器和振盪器。
為什麼我們在有或沒有乾擾的情況下使用舊的 MRC 編碼工作如此困難？ 因為當我們嘗試組合大量發射點時，MVDR（最小方差無失真響應）波束成形機制會急劇增加錯誤數量。 OFDMA已經證明這個問題是可以解決的。
對抗幹擾的鬥爭現在以數學為基礎。 如果傳輸視窗夠長，則由此產生的動態幹擾會造成問題。 新的操作演算法可以避免這些幹擾，不僅消除了與 Wi-Fi 傳輸相關的干擾的影響，還消除了在該範圍內發生的任何其他幹擾的影響。
由於採用自適應抗干擾，即使在複雜的異質環境中，我們也能實現高達 11 dB 的增益。 使用華為自己的演算法解決方案，可以在需要的地方（室內解決方案）實現嚴格的最佳化。 5G 中的良好不一定適用於 Wi-Fi 6 環境，Massive MIMO 和 MU-MIMO 方法在室內和室外解決方案中有所不同。 如果需要，最好使用昂貴的解決方案，例如 5G。 但還需要其他選項，例如 Wi-Fi 6，它可以提供我們期望營運商提供的延遲和其他指標。
我們向他們借用了對我們作為企業消費者有用的工具，所有這些都是為了提供一個我們可以依賴的物理環境。
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順便說一句，不要忘記我們針對 2020 年華為新產品舉辦的眾多網路研討會，這些研討會不僅在俄語領域舉行，還在全球範圍內舉行。 未來幾週的網路研討會清單請見： .
來源： www.habr.com