Новые возможности беспроводной связи с использованием WI-FI 7

В статье приведена краткая информация о потен­циальных возможностях стандарта IEEE 802.11be (Wi-Fi 7). Приведена краткая информация о каждом из новшеств, предлагаемых в Wi-Fi 7. Приведены примеры устройств, реализующих этот стандарт.

В. Макаренко

Новые приложения и услуги, связанные с пере­дачей видеосигналов высокого разрешения, виртуальной и дополненной реальностью, играми, уда­ленным офисом и облачными вычислениями, а так­же необходимостью поддержки большого количе­ства пользователей с интенсивным трафиком в беспроводных сетях требуют высокой производитель­ности беспроводной сети.

Типичные примеры таких приложений включают передачу видео 4K и 8K (со скоростью передачи данных до 20 Гбит/с), онлайн-игры (требующие за­держки менее 5 мс), онлайн видеоконференцсвязь и облачные вычисления. Для реализации таких вы­соких требований скорости передачи данных Wi-Fi 6 (802.11ах) недостаточно.

В 2019 году подгруппа BE (TGbe) рабочей группы 802.11 комитета по стандартизации локальных и го­родских сетей начала разработку стандарта Wi-Fi следующего поколения — IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) [1].

На первый взгляд, новая поправка IEEE 802.11be к стандарту Wi-Fi представляет собой не что иное, как модернизация 802.11ax, позволяющую удвоить пропускную способность и увеличить количество пространственных потоков, которые вместе должны обеспечивать скорость передачи данных до 40 Гбит/с. Однако, в стандарте 802.11be вводится еще много различных изменений.

Важным направлением разработки Wi-Fi 7 яв­ляется поддержка приложений реального времени (игры, виртуальная и дополненная реальность, управление роботами). Примечательно, что хотя Wi­Fi поособому обслуживает аудио- и видеотрафик, долгое время считалось, что обеспечение на уровне стандарта гарантированно малых задержек (единиц миллисекунд), также известное как Time-Sensitive Networking, в сетях Wi-Fi принципиально невозможно.

Важным вопросом, связанным с Wi-Fi 7, являет­ся его взаимодействие с сотовыми сетями 4G, 5G) и 3GPP (LTE-LAA/NR-U), работающими в тех же нели- цензируемых диапазонах частот. Для изучения про­блем, связанных с сосуществованием Wi-Fi и сото­вых сетей, IEEE 802.11 создал комитет Coexisting Standing Committee (Coex SC — постоянный комитет по сосуществованию).

В настоящее время Wi-Fi 6 широко используется на рынке с использованием диапазонов частот 2.4, 5.2 и 5.6 ГГц (рис. 1). В некоторых новых устрой­ствах уже используется диапазон 6 ГГц (Wi-Fi 6E), который позволяет повысить скорость передачи информации.

Полосы частот 2,4 ГГц и 5 ГГц представляют со­бой нелицензированные диапазоны, которые ограничены и перегружены. При запуске новых при­ложений (таких как VR/AR) существующие сети Wi-Fi неизбежно сталкиваются с низким качеством об­служивания (QoS). Этими факторами и вызвано по­явление нового диапазона.

Рис. 1. Диапазоны частот, используемые в Wi-Fi 6

В дополнение к основному варианту Wi-Fi 6 су­ществуют и несколько его модификаций Wi-Fi HaLow (802.11ah) [1] предназначенный для исполь­зования в системах Интернета вещей, и Wi-Fi (802.11ad/ay), обеспечивающий скорость передачи данных 275 Гбит/с на малые расстояния. Эволюция стандартов Wi-Fi детально описана в [1].

Рассмотрим кратко усовершенствования в стан­дарте 802.11be

Усовершенствования протокола физическо­го уровня (PHY — Physical Layer) для технологии EHT (Extremely High Throughput Full Duplex — чрезвычай­но высокая пропускная способность в полноду­плексном режиме)

Обеспечение расширенной полосы пропускания до 240 и 320 МГц

Из-за ограниченности и переполненности спек­тров в нелицензионных диапазонах 2.4 и 5 ГГц, су­ществующие сети WLAN 802.11 (например, IEEE 802.11ax) неспособны обеспечить высокое каче­ство обслуживания (QoS) при использовании таких приложений как VR/AR.

Чтобы обеспечить пропускную способность не менее 30 Гбит/с, вводятся непрерывные полосы пропускания 240 МГц, несмежные полосы 160+80 МГц, смежные 320 МГц и несмежные 160+160 МГц [2].

Поддержка назначения нескольких RU одному пользователю (SU)

В IEEE 802.11ax каждому пользователю назнача­ется только определенный блок ресурсов (RU — Re­source Unit) для передачи или приема кадров, что значительно ограничивает гибкость планирования использования ресурсов спектра. Для повышения эффективности использования спектра, одному пользователю разрешено назначение нескольких RU — Multi-RU.

Для повышения максимальной скорости передачи данных используется модуляция 4096-QAM

В стандарте 802.11ax доступна модуляция выс­шего порядка 1024-QAM, при использовании кото­рой модулированный символ переносит 10 бит ин­формации. При использовании 4096-QAM каждый символ переносит 12 бит информации. Следова­тельно, при одинаковой скорости кодирования EHT может увеличить скорость передачи данных на 20% по сравнению с 1024-QAM.

Предоставление эффективных форматов преамбулы и перфорации

До EHT использовались разные форматы пре­амбулы в каждом поколении стандартов WLAN, ко­торые могут включать такие функции как: синхрони­зацию, автоматическое управление усилением, временная и частотная коррекция, оценка канала, автоматическое определение версии данных физи­ческого протокола, способность различать единицы в модуле данных о протоколе физического уровня (PPDU — Presentation Protocol Data Unit) и необходи­мую сигнализацию (например, выделение ресур­сов) и т.д.

Преамбула EHT должна обеспечивать обратную совместимость и сосуществование с устаревшими PPDU, передаваемыми на частотах 2.4, 5 и 6 ГГц.

Расширение контроля доступа (MAC) для EHT

Многоканальный режим работы с резко увели­ченной пропускной способностью. Станция (STA) может передавать кадры одного и того же иденти­фикатора трафика (TID) или разных TID в нескольких диапазонах одновременно или в разное время.

Увеличение числа пространственных потоков и улучшение MIMO

Чтобы удовлетворить растущий спрос на тра­фик, генерируемый с ростом числа устройств Wi-Fi, число антенн точек доступа в IEEE 802.11ax [2] до­стигло 8. Точка доступа с 8 антеннами может одно­временно обслуживать до 8 пользователей для вос­ходящей (UL) и нисходящей линии связи (DL) при использовании технологии MU-MIMO.

Для расширения возможностей пространствен­ного мультиплексирования точки доступа, EHT ре­комендует максимальное количество простран­ственных потоков 16, чтобы получить более высо­кую пропускную способность сети. Однако увеличе­ние количества пространственных потоки сопро­вождаются сопутствующим увеличением времени для получения CSI (информации о состоянии кана­ла). С 16 пространственными потоками в EHT, по­вторно используя тот же метод зондирования кана­ла, указанный в текущем стандарте IEEE 802.11ax, приведет к огромным потерям времени для обрат­ной связи CSI. По этой причине существующие схе­мы явной и неявной обратной связи заменяются на новые.

Расширенный механизм адаптации и повторной передачи данных

Существующие системы IEEE 802.11 используют повторную передачу данных (MPDU — MAC protocol data unit), чтобы гарантировать надежность переда­чи в беспроводных каналах связи, подверженным различным помехам. В автоматическом повторном запросе (ARQ) получатель просто отказывается от ошибочного MPDU прежде, чем получить повторно переданный MPDU.

Для выполнения требований более высокой на­дежности и более низкого времени ожидания в IEEE 802.11be вводится гибридный автоматический контроль за повторной передачей (HARQ — Hybrid Automatic Retransmission Control), для увеличения вероятности правильной расшифровки пакетов данных.

В отличие от ARQ, в HARQ, приемник сохраняет неправильно расшифрованные пакеты и объеди­няет их с повторно переданным перед расшифров­кой.

Для поддержки высокоскоростных видеоприло­жений и игр EHT вводит несколько технологий улуч­шения PHY, показанных на рис. 2, которые позво­ляют EHT достигнуть скорости передачи данных 30 Гбит/с.

Новый способ увеличения пропускной способности

На рис. 3 показаны полосы частот для диапазо­нов 2.4 и 5 ГГц и полосы частот для диапазона 5.925.7.125 ГГц.

Полоса пропускания 320 МГц в диапазоне 6 ГГц позволяет реализовать скорость передачи данных 30 Гбит/с. Полоса пропускания 320 МГц может быть реализована как смежными участками частотного спектра, так и состоящей из нескольких несмежных участков. Полоса частот 320 МГц может быть обес­печена двумя несмежными полосами по 160 МГц в диапазонах 5 и 6 ГГц.

Рис. 2. Основные улучшения на физическом уровне для высокой пропускной способности в полнодуплексном режиме

Рис. 3. Доступные полосы частот для диапазонов 2.4 и 5 ГГц в существующих стандартах 802.11 и новое расширение полосы частот в 802.11be

Поддержка нескольких блоков ресурсов для одного пользователя (Multi—RU)

Используя метод доступа к каналу OFDMA — с разделением по времени и частоте (аналогичный тому, что используется в сетях 4G и 5G) — предо­ставляет новые возможности для оптимального распределения ресурсов. Однако в стандарте 802.11ax используются далеко не все возможности OFDMA. Например, он позволяет точке доступа вы­делять для клиентского устройства только один ре­сурсный блок заранее определенного размера. Во- вторых, он не поддерживает прямую передачу меж­ду клиентскими станциями. Эти факторы снижают эффективность использования спектра. Кроме того, это приводит к снижению производительности в сетях с большим числом абонентов и увеличивает задержку, что критично для приложений реального времени. В стандарте 802.11be эта проблема реше­на. Пользователь может получить доступ одновре­менно к 3 ресурсным блокам.

Конструкция преамбулы EHT

Подобно IEEE 802.11ax, для поддержки различ­ных технологий и сценариев, EHT должен иметь но­вый формат преамбулы для возможности определять PPDU форматы, такие как EHT SU PPDU, EHT Trigger-based PPDU, EHT ER (расширенный диапа­зон) SU PPDU и EHT MU PPDU.

Как показано на рис. 4, поле EHT PPDU состоит из следующих частей:

• короткое тренировочное поле без HT (L-STF)
• устаревшее поле LTF (L-LTF)
• устаревшее поле SIG (L-SIG)
• повторное устаревшее поле SIGNAL (RL-SIG)
• универсальное поле SIG (U-SIG)
• поле EHT-SIG
• короткое обучающее поле EHT (EHT-STF)
• поле длинного обучения EHT (EHT-LTF)
• поле данных.

Чтобы сохранить обратную совместимость с устаревшими PPDU, работающие в диапазонах 2.4, 5 и 6 ГГц, поле устаревшей части, которое использу­ется для обнаружения кадров, синхронизации и не­сущее необходимую информацию (например, о длине кадра). должно находиться в начале EHT PPDU. Для PPDU с полосой пропускания 160 МГц или меньше, устаревшая часть дублируется.

Схема модуляции высшего порядка

Применение модуляции 4096-QAM теоретиче­ски позволяет увеличить скорость передачи инфор­мации на 20%. Предварительные результаты моде­лирования [2] показали, что применение 4096-QAM выполнимо только в определенных конфигурациях, только при использовании нескольких антенн для приема и передачи.

В то же время, стоимость такой маленькой выго­ды высока. Отношение сигнал/шум на стороне при­емника должно быть не менее 40 дБ. Такое высокое значение SNR может быть достигнуто только при использовании нескольких антенн и работе с одним клиентом. Т.е. режим MU не может использоваться в этом случае.

Если для передачи нескольких потоков с исполь­зованием MIMO нужно иметь несколько антенн для отправителя и получателя, то в случае неортого­нального доступа (NOMA) точка доступа может одновременно передавать данные двум получателям с одной антенны [1]. Различные варианты неортого­нального доступа включены в последние специфи­кации 5G и предполагается их использование в 802.11be.

При использовании NOMA прирост производи­тельности составляет 30-40%. Достоинствами этой технологии является её обратная совместимость: один из двух получателей может быть устаревшим устройством, не поддерживающим Wi-Fi 7. Вообще проблема обратной совместимости очень важна, так как в сети Wi-Fi могут одновременно работать устройства различных поколений.

Кроме того, для получения требуемого отноше­ния сигнал/шум (SNR), а также надежности переда­чи данных, EHT должен поддерживать модуляцию с использованием двойной несущей (DCM — dual-car­rier modulation).

Многоканальные операции

Одновременное использование диапазонов 2.4, 5 и 6 ГГц одна из особенностей технологии EHT, ко­торая позволяет повысить эффективность исполь­зования ресурсов спектра.

Использование 16 пространственных потоков является привлекательной особенностью MIMO EHT. Растущее число пространственных потоков от текущих восьми в IEEE 802.11ax до шестнадцати мо­жет теоретически удвоить скорость передачи дан­ных. Однако это приводит с сопутствующему уве­личению времени на зондирование и обратную связь. Многократное использование существующих методов зондирования и механизмов обратной свя­зи, определенных в IEEE 802.11ax не позволяют поддерживать 16 пространственных потоков.

Рис. 4. Для обратной совместимости формат кадра EHT PPDU начинается с устаревшего поля

Скоординировання работа точек доступа

Еще одним важным нововведением, является скоординированная работа точек доступа. Хотя многие поставщики имеют свои собственные цент­рализованные контроллеры для корпоративных се­тей Wi-Fi, возможности таких контроллеров были, как правило, ограничены настройкой долгосрочных параметров и выбором канала. Комитет по стандар­тизации обсуждает более тесное сотрудничество между соседними точками доступа, которое вклю­чает в себя скоординированные планирование пе­редачи данных, направленную передачу сигнала и распределенные системы MIMO. Некоторые из рас­сматриваемых подходов используют последова­тельное подавление помех (примерно то же, что и в NOMA).

Координация нескольких точек доступа направ­лена на оптимизацию выбора канала и регулировку нагрузки между точками доступа для достижения эффективного использования и сбалансированного распределения радиоресурсов.

Скоординированное планирование между не­сколькими точками доступа в Wi-Fi 7 включает со­гласованное планирование между ячейками во вре­менной и частотной областях, координацию помех между ячейками и распределенный MIMO. Это сни­жает помехи между точками доступа и значительно улучшает использование ресурсов радиоинтерфей­са.

Координация множества точек доступа может быть реализована различными способами, такими как скоординированный множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (C-OFDMA), скоординированное пространственное повторное использование (CSR), скоординирован­ное формирование диаграммы направленности (CBF) и совместная передача (JXT).

Стандарт 802.11be разрешит точкам доступа разных производителей координировать между со­бой расписание передач, чтобы снизить взаимную интерференцию.

Наглядно некоторые отличия Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7 приведены на рис. 5.

Рис. 5. Сравнение технологий Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7

Учитывая параметры Wi-Fi 7 можно определить круг задач, которые можно будет решить с его ис­пользованием:

• просмотр потокового видео с разрешением 4K/8K
• погружение в виртуальную (VR), аугментиро- ванную (AR) и расширенную реальность (XR)
• удалённую работу и онлайн-видеоконферен- ции
• облачные и граничные вычисления
• облачный игры
• промышленный интернет вещей
• системы автоматизации «умного дома», «умно­го здания» и «умного города».

На сегодняшний день уже тестируются первые устройства Wi-Fi 7. Компания Intel совместно со своим партнёром Broadcom провела успешную де­монстрацию технологии Wi-Fi 7, после чего заявила, что «будущее Wi-Fi уже здесь». При испытаниях опытных устройств была получена стабильная ско­рость передачи информации 5 Гбит/с.

Компания TP-Link представил роутеры с под­держкой стандарта Wi-Fi 7, не дожидаясь его приня­тия. Это первые в мире представленные официаль­но роутеры с поддержкой новой версии стандарта Wi-Fi. Они появятся на рынке ориентировочно во втором квартале 2023 года.

Четырехдиапазонный роутер TP-Link Archer BE900 (рис. 6) имеет интересный дизайн. На фрон­тальной панели имеется небольшой сенсорный эк­ран, который может использоваться для вывода разной информации, такой как время, погода или состояние сети. Над экраном есть пиксельная мат­рица, на которой могут выводиться пиктограммы или эмодзи. Заявленная пропускная способность модели — до 24 Гбит/с. В устройстве реализована поддержка технологии OpenVPN. Набор интерфей­сов включает четыре порта Ethernet 2,5 Гбит/с, два порта Ethernet 10 Гбит/с, USB 2.0 и USB 3.0. Ориен­тировочная стоимость 700 долларов.

Рис. 6. Четырехдиапазонный роутер TP-Link Archer BE900

Трехдиапазонный маршрутизатор TP-Link Archer GE800 (рис.7) позиционируется как игровая мо­дель. Корпус маршрутизатора дополнен светодиод­ной подсветкой.

Пропускная способность — до 19 Гбит/с. Есть два порта Ethernet 10 Гбит/с, два — 2,5 Гбит/с и че­тыре — 1 Гбит/с.

Рис. 7. Маршрутизатор TP-Link Archer GE800

Самая доступная модель TP-Link Archer BE550 (рис. 8) обеспечивает скорость передачи в беспро­водной сети до 9,3 Гбит/с. В конструкции имеются пять портов Ethernet 2,5 Гбит/с. В отличии от более продвинутых моделей, в BE550 нет экрана или под­светки.

Рис. 8. Маршрутизатор TP-Link Archer BE550

Основные параметры TP-Link Archer BE550, BE9300 (Wi-Fi 7):

• WAN — 1×2.5 Гбит/с
• LAN — 4×2.5 Гбит/с
• WLAN 802.11a/b/g/n/ac/ax/be (Wi-Fi 7)
• скорость передачи данных 574 Мбит/с (в поло­се 2.4 ГГц), 2880 Мбит/с (5 ГГц), 5760 Мбит/с (6 ГГц)
• безопасность — шифрование 64/128 бит, WEP, WPA, WPA2, WPA3, WPS
• внутренняя антенна
• 1xUSB-A 0
• поддержка IPv6, VPN (PPTP/L2TP), Mesh, Wi-FiEasyMesh.

Кроме того, компания представила Mesh-систе­му Deco BE85 (рис. 9) с поддержкой Wi-Fi 7, которая обеспечивает скорость передачи данных до 22 Гбит/с и имеет два Ethernet-порта 10 Гбит/с. Предполагаемая стартовая цена комплекта — 999.99 долларов. Выпускаться будет еще две моде­ли такой системы — стандартная Deco BE95 со ско­ростью передачи до 33 Гбит/с и Deco BE 65, со ско­ростью передачи до 11 Гбит/с.