Wi-Fi 6 (802.11ax)

Wi-Fi 6: стандарт нового поколения

Новый стандарт беспроводных локальных компьютерных сетей IEEE 802.11ax, Wi-Fi 6 впервые был представлен Wi-Fi Alliance 3 октября 2018 года. Wi-Fi 6 является частью нового подхода к присвоению имен, который предоставляет пользователям простое для понимания обозначение технологии Wi-Fi, поддерживаемой их устройствами.

Новая система идентифицирует поколения Wi-Fi по числовой последовательности, которая соответствует основным достижениям в развитии Wi-Fi:

• Wi-Fi 6 для определения устройств, поддерживающих технологию 802.11ax
• Wi-Fi 5 для определения устройств, поддерживающих технологию 802.11ac
• Wi-Fi 4 для идентификации устройств, поддерживающих технологию 802.11n

Официально утвердить новый стандарт Wi-Fi Alliance планирует осенью 2019 года. Wi-Fi 6 будет работать как в частотных диапазонах 2.4 GHz и 5 GHz, так и в дополнительных полосах частот в диапазонах от 1 до 7 GHz по мере их появления. Некоторые производители уже предлагают точки доступа с поддержкой Wi-Fi 6. Например, компания MikroTik недавно анонсировала выпуск новых устройств для работы с IoT (Internet of Things) - WAP LoRa8 kit.

Прежде чем перейти непосредственно к Wi-Fi 6, давайте сначала кратко рассмотрим эволюцию Wi-Fi:

 

1. В 802.11a добавлена ​​поддержка OFDM и модуляция 64 QAM, что позволяет нам использовать амплитуду и фазу для представления 64 различных символов, содержащих больше данных, в одной и той же TxOP, существенно увеличивая пропускную способность с 11 Mbps до 54 Mbps.
2. В 802.11n добавлена ​​поддержка MIMO для увеличения пропускной способности. Это позволяет принимать одновременно больше потоков. MIMO позволяет нам использовать несколько приемных/передающих антенн либо для увеличения полосы пропускания (пространственное мультиплексирование), либо для повышения качества передаваемого или принимаемого сигнала (TxBF и MRC). Следует отметить, что поскольку объединить несколько функций MIMO невозможно - пространственное мультиплексирование является наиболее популярным выбором. При увеличении ширины полосы пропускания увеличивается объем прохождения информации за единицу времени. При этом, возрастают помехи в каналах (CCI, ACI), а удвоение ширины канала уменьшает SNR на 3 dB из-за удвоения минимального уровня шума.

3. 11ac по сравнению с 802.11n значительно упростилcя: в частности, количество доступных типов PPDU было сокращено с трех в WiFi 4 (HT, устаревшие и смешанные) до всего лишь одного в WiFi 5. Кроме того, в стандарте указан только один тип реализации TxBF вместо двух. Главной целью перехода от WiFi 4 к WiFi 5, помимо упрощения, было увеличение скорости.
4. Что касается разработки стандарта 802.11ax, то усилия сфокусированы не на увеличении скорости, а на эффективности.

 Теперь давайте более подробно остановимся на стандарте Wi-Fi 6:

802.11ax OFDMA

OFDMA (множественный доступ с ортогональным частотным разделением) работает в Uplink ИЛИ Downlink в любой момент времени - добавляет эффективности, но не позволяет одной точке доступа работать в полудуплексном режиме.

Мощный результат дает цифровая модуляция OFDMA в сочетании с BSS Coloring (маркировка пакетов в каналах с целью распознавания свой-чужой).

Различия между OFDM и OFDMA

• Количество и размер поднесущих

• В 4 раза больше поднесущих в OFDMA, чем в OFDM

• 64 поднесущих в канале 20 MHz в OFDM
  • Ширина 312.5 KHz

• 256 поднесущих в канале 20 MHz в OFDMA
  • Ширина 78.125 KHz
    

• Symbol Duration в OFDMA увеличилась в 4 раза

• Передача на определенной поднесущей во времени
• Защитный интервал - это время между передачей каждого символа
• Переход с 3.2 микросекунд с OFDM на 12.8 микросекунд

• Увеличивает ли OFDMA пропускную способность по сравнению с OFDM? Нет! Посмотрите таблицу MCS, где нет абсолютно никакой разницы в скоростях при использовании OFDM или OFDMA 802.11ax:

• OFDM использует 64 поднесущих, 12 поднесущих GuardNull = 18,75%
• OFDMA использует 256 поднесущих. 22 GuardNull поднесущих = 8,5%.

• Можно предположить, что OFDMA более эффективен, так как имеет более высокий процент массива переносимых данных, но если учитывать как минимум вдвое более длинные защитные интервалы, используемые в ax (переменный ток обычно используется как 0.4us, тогда как ax использует 0.8us или больше), это хорошо уравновешивается.

• OFDMA вводит более узкие «детские каналы» и более узкий канал = лучшее SNR = лучшая схема модуляции, используемая дольше при удалении от точки доступа = более счастливые клиенты и лучшая общая эффективность соты.
• Типы
  

• Наименьший подканал состоит из 26 поднесущих.
   
  
• Тип поднесущих:

• Поднесущие данных
  • Актуальные данные 
    

• Пилотные поднесущие
  • Не менее 2 на RU
  • Используется для синхронизации связи    

• Поднесущие постоянного тока
  • Постоянный ток
  • Приблизительная центральная частота подканала
  • Легко просматривается в БПФ - деление канала на половину
  • В зависимости от ширины канала и RU, мы можем иметь от 3 до 7 поднесущих постоянного тока.
            
• Охранные поднесущие
  • Расположены в конце канала
• Нулевые поднесущие
  • Не расположены в конце канала

• RU структуры

• 26-тональный RU состоит из 24 поднесущих данных и 2 пилотных поднесущих.
  
• 52-тональный RU состоит из 48 поднесущих данных и 4 пилотных поднесущих.
• 106-тональный RU состоит из 102 поднесущих данных и 4 пилотных поднесущих.
• 242-тональный RU состоит из 234 поднесущих данных и 8 пилотных поднесущих.
• 484-тональный RU состоит из 468 поднесущих данных и 16 пилотных поднесущих.
• 996-тональный RU состоит из 980 поднесущих данных и 16 пилотных поднесущих.

• Поднесущие постоянного тока (постоянного тока) используются для поднесущих, расположенных в центре канала. В зависимости от ширины канала и количества используемых тонов число поднесущих постоянного тока может варьироваться (например, 3 или 7 для канала шириной 20 MHz). В большинстве случаев это будет 7 для каналов шириной 20 MHz и 80 MHz и 5 для каналов шириной 40 MHz.
• Каналы шириной 20 MHz имеют 11 защитных интервалов: первые 6 и последние 5 каналов.

Легко, правда? Давайте взглянем на простую диаграмму, на которой визуализируются основные концепции OFDMA:

Чтобы было еще проще, вот так выглядят поднесущие.

Вот схемы, извлеченные из черновика документа 802.11ax, подробно описывающие структуру поднесущих для каждой ширины канала с использованием разных размеров RU:

Наконец, посмотрите полную таблицу MCS ниже. Потратьте некоторое время, чтобы переварить это.

Теперь давайте переключимся на BSS Coloring.

BSS маркировка (опция)

• Использовать BSS Coloring можно при условии:
  

• Две AP (точки доступа) на одном столе не будут работать - «перекрестные помехи» слишком высоки - обе считают среду занятой и борются за эфирное время
• Две AP в соседней комнате будут работать - «перекрестные помехи» игнорируются

• BSS Coloring действительно исправляет проблемы CCI (межканальная интерференция), которые RX-SOP (запуск получения пакета) пытался исправить
• Несколько точек доступа могут работать на одном и том же канале в одной области без добавления в CCI
• Где вы видите BSS Color

• HE PHY> Ext Tag: HE Operation> BSS Color Information
  
• Находится в кадрах маяка, кадрах ассоциации и повторной ассоциации, ответах на запросы и т. д.
      

• Как BSS Colours влияет на дизайн

• Дизайн не меняется - по-прежнему нацелен на ограничение CCI - подумайте об устаревших устройствах

• AP может отправлять данные об изменении цвета BSS
  • Если AP видит другую AP того же канала и того же цвета, она может решить изменить цвет
  • Границы действия
  • Аналогично идее перемещения канала DFS
  • Могут ли клиентские устройства передавать информацию о BSS/канале обратно AP?
        
• Впервые определено в 802.11ah
• Столкновение все еще может происходить в пределах одной цветовой области
  • Повторная передача будет происходить как обычно
    

  

• BSSC улучшит SNR за счет уменьшения помех и уменьшения количества коллизий
• 63 цвета/номера доступны на каждом канале
• В проекте не говорится, как производители реализуют BSS Coloring

Target Wake Time - TWT (обязательно для точек доступа, необязательно для клиентов)

• Цели WiFi 6 согласно проекту:

• Увеличение эффективности без увеличения энергопотребления
• Повышение энергоэффективности - ответ TWT
• TWT используется, чтобы помочь минимизировать конфликты между клиентами и сократить время, в течение которого клиенты в режиме экономии активны.

• AP управляет TWT расписанием
  
• Впервые представлен в 802.11ah/HaLow
• Направлен на IoT (интернет вещей), но чрезвычайно выгоден для мобильных телефонов и ноутбуков
• 3 режима работы

• Индивидуальный

• Клиентское устройство само регулирует режим сна и бодрствования
  
• Взаимодействует с AP
• Клиент может отправлять свой график мощности на AP
  
• AP получает это и имеет последнее слово
• AP должна отслеживать несколько расписаний TWT для каждого устройства, использующего его

• Broadcast  

• В основном многоадресный и рекуррентный трафик 
  

• Выгодное энергосбережение

• С TWT клиентские устройства пребывают в спящем режиме столько, сколько нужно

• День, неделя, месяц и т. д.
• Клиент может предложить свой график режима сна AP
• У AP есть последнее слово - может принять, отклонить или изменить этот график
• AP должна отслеживать расписания TWT для всех связанных устройств, которые ее используют
  
  

• Благодаря преимуществам энергосбережения TWT снижает конфликты между клиентами

MU-MIMO (опционально) - уловка?

Вкратце: MU-MIMO используется для передачи нескольких одновременных потоков данных AP <-> STA (станция) через одну AP. Звучит прекрасно, но для работы MU-MIMO необходимо выполнить ряд условий:

• STA должна быть на другой физической стороне от AP
• Данные должны быть буферизованы на все STA одновременно - все STA передают ИЛИ получают, и никогда не передают и получают в любой момент времени
• Кадры AP должны быть для каждого устройства одинакового размера
• Клиентские станции и точки доступа должны поддерживать работу MU-MIMO
  
  

Чем больше в это углубляться - тем сложнее - нужно больше антенн на точке доступа, чтобы технология MU-MIMO имела смысл. 4 × 4: 3 (довольно популярный микс на современных точках доступа) позволит нам использовать, например, 2 × 2: 2 и 2 × 2: 1. Некоторые производители выпускают AP с 8 × 8, и это отлично подходит для MU-MIMO, но как насчет энергопотребления AP? Больше антенн или больше радиостанций = повышенное энергопотребление как на точке доступа, так и на стороне клиента. 802.3at (30 W) больше уже не снизит его, и нет уверенности, что увеличение количества антенн обновит инфраструктуру коммутации для поддержки UPoE или 802.3bt (стандартная, 90 W). Кроме того, нам не известны какие-либо клиенты, поддерживающие MU-MIMO в обоих направлениях.
   

Наконец, давайте взглянем на новую схему модуляции!

1024 QAM (обязательно) - нужно ли быть очень близко к точке доступа?

Существует популярная теория, что 1024 QAM - пустая трата времени, так как вам нужно буквально поместить свое устройство в точку доступа, чтобы достичь этого. Это правда? Не обязательно!

Что такое 1024 QAM и как это изменит нашу жизнь? Это просто более быстрая схема модуляции. Итерация, а не революция, обеспечивающая до 20% теоретического прироста (меньше в реальной жизни). Полезная штука! Больше пропускная способность = меньше времени, проведенного в эфире.

Это имеет еще больше смысла при использовании с OFDMA и RU - более узкие «детские каналы» (RU) предлагают лучшее SNR (соотношение сигнал/шум), чем OFDMA 242 тонны 20 MHz или OFDM 20 MHz, и, следовательно, будет проще поддерживать 1024 QAM на еще больших расстояниях.

При написании обзора использовались материалы блога WN Blog 003 - WiFi 6 Deep Dive & Real World Testing.