Wi-Fi 6E: щось старе, щось нове, щось позичене й щось блакитне. Частина 1

За матеріалами Ель Дамдей (Al Dumdei), blogs.cisco.com

Це перша частина із 4-х статей, які можуть зацікавити фахівців галузі бездротових технологій, під назвою «Щось старе, щось нове, щось позичене й щось блакитне» (Something Old, Something New, Something Borrowed, Something Blue). Кожен із цих чотирьох матеріалів буде присвячений різним аспектам найновішого стандарту Wi-Fi 6E, інноваційним технологіям і тому, чому важливо розуміти ці функції.

На виставці споживчої електроніки CES-2023 було представлено багато пристроїв із підтриманням Wi-Fi 6E. Тому настав час врахувати деякі переваги Wi-Fi 6/6E.

Wi-Fi 6/6E не був «поступовою» зміною, це був великий стрибок уперед завдяки останнім інноваціям і, що найважливіше, доданню нещодавно виділеного спектру 6 ГГц (який варіюється залежно від регіону). У цій серії статей ми надамо читачеві глибше розуміння деяких із цих розширених функцій Wi-Fi 6 і того, як деякі з цих функцій приносять їм користь. Крім того, ми обговоримо деякі з нових технологій, що ґрунтуються на стандарті Wi-Fi 6E, і те, як ІТ-лідери тільки починають усвідомлювати потенціал бездротового зв’язку 6 ГГц.

«Щось старе»

Хоча можливість підтримувати кілька користувачів одночасно була доступна задовго до Wi-Fi 6E, але це та «стара» функція, що була дуже вдосконалена у Wi-Fi 6E. У першій статті ми хочемо розглянути деякі зміни на фізичному рівні, що сприяли продуктивності бездротової мережі.

З усіх доданих до Wi-Fi 6 функцій, зокрема одна матиме дуже значний вплив на новий діапазон 6 ГГц і тому заслуговує на поглиблений аналіз. Це OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access — метод передавання інформації багатьом користувачам одного радіоспектра з використанням технології OFDM. Цей метод використовується в стандарті мобільного зв’язку 3GPP LTE. Треба пам’ятати, що старі опціональні можливості 802.11ax тепер є обов’язковими для роботи на частоті 6 ГГц, оскільки відпала необхідність у підтриманні застарілого обладнання. До застарілих смуг у Wi-Fi 6 було додано й інші технології, які дійсно проклали шлях до істотного покращення продуктивності. Як от підвищенні швидкості модуляції (до 1024 QAM — це максимальна пропускна здатність), краща просторова ізоляція (BSSID Coloring/OBSS і кілька таймерів для IBSS і OBSS, що веде до кращої продуктивності в зоні з великою кількістю клієнтів та точок доступу), цільовий час очікування (довший час роботи акумулятора для клієнтів) та інші.

Заглиблення в OFDM — віртуальні дроти Wi-Fi

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — це основний сигнал, який є базовою формою хвилі, що використовується для генерації радіочастотного сигналу Wi-Fi із цифрового входу. Цей базовий сигнал складається з кількох «тонів». Комбінація цих тонів називається мультиплексуванням з ортогональним частотним поділом (абревіатура OFDM, що згадувалася вище).

Кожен тон є ортогональним до інших тонів. Це означає, що інформація в цьому тоні може бути прийнята з обмеженими перешкодами з боку інших тонів, навіть якщо вони розташовані щільно один до одного. Уявіть кожен із цих тонів як провід, яким може передаватися інформація. Менше тонів означає менше проводів, але більшу пропускну здатність для будь-якого відокремленого проводу. Більше тонів означає більшу кількість проводів, але нижчу пропускну здатність на кожен дріт. Загальна «доступна» пропускна здатність у кінцевому підсумку однаково залишається тією ж самою. У 802.11ax було внесено зміни для переходу від 64 тонів до 256 тонів (4x) у каналі 20 МГц.

Діагр. 1. OFDM змінюється з Wi-Fi 5 на Wi-Fi 6


Таке збільшення тонів має дуже незначний вплив на доступну пропускну здатність каналу, але це дає певні можливості. По-перше, 4-кратне збільшення тонів покращує надійність багатопроменевого поширення (збільшена стійкість до міжсимвольних перешкод), але втрачає деяку ефективність у високошвидкісному мобільному середовищі (доплерівський зсув). Отже, за типового використання в приміщенні ми здобуваємо перевагу більш надійного з’єднання.

Друга й найбільша зміна — це можливість краще «поділити на підканали» фізичний рівень. Цей метод доступу називається множинним доступом з ортогональним частотним поділом або OFDMA. Підканал або група тонів у заданому часовому інтервалі (time slot) вважається ресурсною одиницею, яку часто називають «RU» (Resource Unit).

Оскільки відношення кількості тонів залежить від смуги пропускання, у каналі 20 МГц може бути до 9 RU (26 груп тонів) для кожного кадру, а в каналі 160 МГц це число може сягати 74 RU (зверніть увагу, що це не 72, оскільки є певний ефект завдяки більшому співвідношенню корисних тонів на вищих частотних смугах).

RU також можуть мати більші розміри, щоб відповідати потребам у ресурсах. Наприклад, у каналі 20 Гц ви можете додатково мати 52 тони, 106 тонів або повну смугу на 242 тони. Крім того, ви можете певною мірою поєднувати такі RU різного розміру в одному кадрі — вони забезпечують механізм для одночасної передачі кільком користувачам (multi-users, MU) без потреби покладатися на просторове рознесення. Пояснимо, чому це важливо.

Візьмемо 64-байтовий пакет, який працює на типовій швидкості, наприклад 256 QAM із кодуванням ¾ швидкості (MCS8). З каналами 40 МГц один слот здатний об’єднати приблизно 380 байтів. Що станеться, якщо 64-байтовий пакет (типовий пакет) буде передано через цей канал 40 МГц? З користю буде використано менш як 20% каналу, а понад 80% цього ресурсу витрачається даремно! Застосовуючи RU, ми можемо надсилати кілька пакетів одночасно й майже усунути таку неефективність. Зрозуміло, що не всі пакети мають розмір 64 байти, але більші пакети розбиваються на менші пакети фізичного рівня, які називаються протокольними одиницями обміну (Protocol Data Unit, PDU), і знову не заповнюють увесь спектр для всіх PDU.

Але як точка доступу сигналізує клієнту, коли та де визначено його RU, адже тепер у часовому інтервалі є кілька клієнтських пакетів? Це досягається завдяки двом механізмам. По-перше, у службовому заголовку з’явилося нове поле, яке надає інформацію щодо «де» під назвою SIG-B. У цьому полі зазначено яким чином розподіляються одиниці ресурсів для слота, а також інформація про кожного клієнта, що фіксує які одиниці ресурсу виділені для певного конкретного клієнта.

Є 3 варіанти одночасної передачі багатокористувацьких пакетів:

• просторове розділення — кілька одночасних сигналів користувачів передаються в усьому діапазоні, але просторові характеристики каналу дають їм змогу комунікувати з обмеженими перешкодами;
• частотний поділ — багатокористувацький режим із різними користувачами, призначеними для різних RU;
• поєднання обох.

Варіант 1 — мультиплікатор. Якщо канал дає змогу надсилати кілька потоків через один і той же канал, пропускна здатність каналу зростає пропорційно кількості користувачів. Для цього є обмеження, наприклад, кількість просторових потоків висхідної лінії зв’язку має дорівнювати або бути меншою кількості приймачів цієї висхідної лінії в точці доступу. Якщо точка доступу та середовище підтримують варіант 1, то він зазвичай використовується.

Варіант 2 є оптимізацією. Якщо в мережі є кілька клієнтів, що підтримують Wi-Fi 6 і мають трафік для одночасного надсилання, мережа оптимізується, надсилаючи цей трафік одночасно.

Другою функцією, яка полегшує «коли» під час використання кількох клієнтів, є тригерний кадр. Коли точка доступу готова до одночасного надсилання клієнтами інформації висхідної лінії зв’язку, вона передає тригерний кадр з інформацією про клієнта. Клієнт чекає одного короткого інтервалу між кадрами (SIF), а потім передає дані висхідної лінії зв’язку на відповідних RU. Точка доступу може надіслати назад мультистанційний ACK (ACK — acknowledgment, тобто сигнал, який передається між процесами зв’язку, комп’ютерами або пристроями для позначення підтвердження або отримання повідомлення як частини протоколу зв’язку), що дає змогу одночасно підтверджувати декілька клієнтських пакетів висхідної лінії зв’язку. ACK висхідної лінії зв’язку (uplink) передаються аналогічно uplink-даним із тригерним кадром на виділених RU.

Діагр. 2. Тригерна послідовність кадрів


З огляду на те, що 6 ГГц має набагато більший блок спектра, а найбільш поширене правило FCC для розгортання ґрунтується на спектральній щільності потужності (Power-Spectrum Density, PSD), яке дає змогу збільшити потужність із ширшими каналами, очікується, що в розгортаннях здебільшого буде використовуватись смуга 80 МГц або 160 МГц.

У попередньому поколінні, де використовувався один пакет на тайм-слот, канали 80 МГц стали дуже неефективними. Із цієї причини такий тип операцій для множинного доступу зустрічається зрідка. Завдяки можливості 802.11ax виконувати як частотний, так і просторовий поділ, клієнтам можуть бути призначені ті ресурси, які необхідні для їх потреб, незалежно від ширини каналу, що робить використання цих ширших каналів набагато ефективнішим.

У діапазонах 2,4 ГГц і 5 ГГц клієнти, можуть підтримувати OFDMA, мали конкурувати за слот із застарілими клієнтами, й оскільки для участі в множинному доступі потрібен понад один клієнт, він боротиметься за призначений на багато користувачів слот тільки в тому випадку, якщо там буде кілька клієнтів здатних підтримувати OFDMA під час передачі пакетів.

На частоті 6 ГГц усі клієнти підтримують OFDMA, отже, не потрібно змагатися із застарілими клієнтами за доступ, бо кожен слот може передавати кілька пакетів. З додаванням каналів у діапазоні 6 ГГц ми тільки зараз почнемо повною мірою користуватися перевагами застосування OFDMA.

У технології Wi-Fi 6 канал можна розділити як за частотною смугою, так і за проміжками часу, тому певні фрагменти ресурсів можуть бути заплановані для доставлення, що ще більше підвищує ефективність і затримку (див. діагр. 2).

На додаток до підвищення ефективності в широкосмугових каналах ініційований багатокористувацький доступ дає змогу планувати пакети набагато більш передбачуваним способом. Стандарт 802.11ax не диктує всі необхідні деталі для керування плануванням пакетів. Отже, це галузь, де можуть бути певні відмінності в продуктивності між реалізаціями. Cisco, компанія з багатою історією планування та оптимізації пакетів, звичайно, також вивчає цю сферу. Наприклад, у наведених нижче даних ми можемо побачити порівняння показника затримки в типовій мережі Wi-Fi 5, мережі Wi-Fi 6 та мережі Wi-Fi 6 з оптимізацією в плануванні. Зауважте, що у Wi-Fi 6 суттєво зменшується кількість сторонніх пакетів, що перевищують межу затримки у 25 мс, а з допомогою певної оптимізації можна побачити подальше зменшення затримки. Це приклад цінності оптимізованого планування за допомогою багатокористувацьких можливостей 802.11ax.

Діагр. 3. Покращення планування пакетів


Отже, Wi-Fi 6E забезпечив суттєвий стрибок у можливостях. Втім деякі з них ми не могли повністю розпізнати, доки не стала доступною частота 6 ГГц. Переваги в місткості, затримці та стабільності — це частина оновлення 802.11ax. Проте такі постачальники як Cisco можуть забезпечити оптимізоване планування пакетів для подальшого підвищення зручності роботи користувачів. Розгортання точок доступу з допомогою Wi-Fi 6E дасть змогу оператору відчути ці нові значні поліпшення продуктивності.

Фахівці Мегатрейд, що є офіційним дистриб’ютором Cisco в Україні, проконсультують щодо розгортання точок доступу за допомогою Wi-Fi 6E. Надішліть запит (soft@megatrade.ua) та отримайте консультацію.

Wi-Fi 6E. Частина 2: «Щось нове». Методи виявлення точок доступу Wi-Fi в діапазоні 6 ГГц

Не купуйте нову точку доступу… Поки що

5 критеріїв вибору бездротової технології для бізнесу