Как же работает Wi-Fi 6

Сегодня системный инженер компании Extreme Networks Станислав Мирошниченко рассказывает о том как работает новый стандарт беспроводной связи Wi-Fi 6.

В частности, этот стандарт определяет новый физический уровень передачи данных. Стандарт может работать в двух диапазонах 5 ГГц и 2,4 ГГц, он поддерживает все основные частотные полосы, каналы шириной вплоть до 160 MГц. В перспективе в этом стандарте будет использоваться радиоформула 8x8x8. Еще одно улучшение это многопользовательской системы MU-MIMO в обоих направлениях Downlink и Uplink. 

Wi-Fi 6 оснащен технологией MU-MIMO (многопользовательская MIMO-система). Это закономерная эволюция технологии SU-MIMO (MIMO-система для одного пользователя), которая позволяла нескольким потокам ввода и вывода одновременно взаимодействовать с устройством. MU-MIMO расширяет возможности этой технологии и позволяет потокам взаимодействовать сразу с несколькими устройствами.

В первую очередь новый стандарт сфокусирован на достижении более высоких параметров надежности передачи данных, помехозащищенности, плотности клиентов и эффективности использования радиосреды, а также источников электроэнергии мобильных устройств (аккумуляторов). 

Это основной прицел улучшений для направления ИТ-устройств. Ну и, как обычно, нам обещают четырехкратное увеличение пропускной способности на абонента. Данную технологию выводит Wi-Fi-альянс, который предложил новую схему именования стандартов. Wi-Fi больше похоже на схему именования стандартов мобильной связи 2G, 3G, 4G. По аналогии он стал называться и Wi-Fi 3, 4, 5, 6. Но хочется обратить внимание, что более высокая цифра неоднозначно отображает действительность и преимущества нового стандарта перед старым. И сравнивать их напрямую все-таки нельзя. Поэтому для рынка устройств на коробках мы будем видеть торговую марку Wi-Fi 6, а технически грамотно все-таки называть стандарт 802.11ax.

Однако снова сместились сроки ратификации стандартов, теперь это июнь 2020 года. Но несмотря на это, устройства этого стандарта уже продаются и анонсируются вендорами. Даже уже вышли клиентские устройства. Многие, наверное, уже знают Samsung Galaxy 10. И, естественно, сейчас на рынке очень много точек доступа. Компания Extreme Networks выпустила две модели точек доступа серии 505 и точки доступа серии 510. 

Отличительными особенностями данных точек доступа является встроенный DPI-движок и анализатор приложений. Т.е. это полноценный firewall 7-го уровня, и firewall – это приложение, а не просто пакетный фильтр. Он встроен в операционную систему на каждой точке. Естественно, доступен стандартный функционал локального виртуального контроллера на каждой точке доступа с поддержкой до 60 точек. В качестве контроллера используется одна из точек доступа без дополнительно выделенного контроллера. В ближайшее время будет реализована поддержка стандарта идентификации VPA-3. На 510-х точках будет резервирование по PoE, т.е. два Ethernet порта, оба с поддержкой функции PoE. Если на одном порту PoE перестает присутствовать, она подключается со второго порта. У 510-й точки доступа, в отличие от 505-й, есть три радиомодуля. И поэтому она, как модно сейчас говорить, программно-определяемая. Т.е. она может работать в трех разных режимах. Первый это, когда она работает одновременно в двух диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Второй режим, когда один из радиотрактов работает в режиме сенсора безопасности и второй радиотракт работает в режиме 5 ГГц. И третий режим работы, когда оба радиотракта работают в режиме 5 ГГц. 

Основные отличия стандарта 802.11ax

Значительно увеличиваются возможности пространственного мультиплексирования и полностью нивелируются основные ограничения базового стандарта 802.11, который имеет полудуплексную природу работы. 

Теперь клиенты с поддержкой многопользовательской системы MU-MIMO могут взаимодействовать с точкой доступа параллельно в обе стороны. Расширен ряд доступных схем кодирования вплоть до 1024 точек, вариантов сигнала. Т.е. используется схема кодирования 1024 QAM. Увеличена в четыре раза длительность передачи RDM-символа, по сравнению с тем, что было в решениях по стандарту 802.11ac. Таким образом, используя данные технологии, стандарт 802.11.ax способен выходить на физические скорости уровня 10 Гбит/c. При этом обеспечивается полноценная параллельная работа множества клиентских устройств и используется весь доступный нелицензируемый частотный диапазон. Поэтому с такими скоростями новый стандарт вполне успешно может конкурировать с будущими мобильными сетями пятого поколения (5G), в том числе на рынке обеспечения фиксированного доступа, т.е. быть полноценной заменой, например, проводных офисных сетей.

На вышеприведенном слайде идет речь о выделенных параметрах. В предыдущих стандартах основной целью было повысить скорость передачи данных так, чтобы беспроводная сеть могла показывать сравнимую производительность с проводной сетью. Но, достигнув высоких скоростей, которые на данный момент больше не являются проблемой для пользователя, мы реально пользуемся меньшими скоростями в своей работе, нежели нам предоставляет Wi-Fi 6.

Остался вопрос о доступности среды для радиопередачи и надежности самой передачи. Поэтому в данном стандарте разработчики стали уделять именно этому внимание. И первым вектором их разработок было уплотнение радиоспектра, т.е. использование большего количества частот для передачи данных. Но поскольку за определенный диапазон выходить нельзя, они придумали использовать больше поднесущих внутри основного канала. Поэтому количество поднесущих было увеличено в четыре раза.

Посмотрим, как это работает. За счет использования большего количества поднесущих, увеличилось время передачи одного символа, и как следствие повысилось отношение "сигнал-шум". Основной метод передачи данных изменился на OFDMA, который позаимствован из технологии LTE. И, как было сказано выше, данная технология работает в обоих направлениях Downlink и Uplink.

Также добавлен функционал управления интерференцией между соседними базовыми станциями BSS, работающими в одном канале.

OFDMA – основная технология 802.11.ax

Итак, основная технология, которая в первую очередь определяет новый стандарт, это OFDMA (Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием, это схема модуляции, использующая множество несущих). И эта аббревиатура означает частотно-временное мультиплексирование сигнала. В некотором приближении стоит думать об этом, как о технологии DWDM в оптических сетях. Это нечто крайне близкое.

Как работает технология OFDMA? Проще, наверное, показать ее преимущества на контрасте с предыдущими способами. Для этого вспомним то, как работали предыдущие стандарты. 

Там тоже использовалась технология OFDM. Рассмотрим пример канала в 20 МГц. Там было 64 поднесущих, не все они использовались для передачи данных пользователей. И, кстати, именно отсюда начинаются значительные накладные расходы на работу Wi-Fi. И именно поэтому крайне сложно достичь расчетных теоретических цифр производительности. Итак, в OFDM у нас используются 64 поднесущие, каждая шириной 312,5 кГц. 

Существует несколько видов поднесущих: нулевые, пилотные и для передачи данных. Нулевые служат для защиты от интерференции соседних каналов и не используются для передачи данных. На слайде они обозначены красным цветом и расположены слева и справа. Слева шесть нулевых, справа их только пять. Пилотные поднесущие являются служебными, они используются для целей диагностики основной несущей и общей синхронизации потока передачи данных. Здесь напрашивается аналогия со структурой потока E1. Когда мы передаем данные, а точнее, символы, они посылаются с периодом 3,6 или 4 мкс на каждой частоте. И в объеме одного символа мы можем передавать один, два, четыре или шесть бит информации. Объем передаваемых данных определяется типом модуляции, которая может быть BPSK (binary phase shift keying, двоичная фазовая манипуляция), QPSK (quadrature phase shift keying, квадратурная фазовая манипуляция), 16 QAM (квадратурная амплитудная модуляция) или 64 QAM. Это для старых стандартов. Из расчета, сколько бит на символ мы передаем, и складывается производительность канала беспроводной сети. И, перемножая одно на другое, для определения производительности канала, а потом, складывая производительность всех каналов, мы получаем общую производительность. 

Затем была придумана разновидность технологии OFDM, в которой часть защитных нулевых поднесущих стала использоваться для передачи данных пользователей. Итого стало 52 рабочие поднесущие вместо 48. В этот момент было добавлена еще одна схема кодирования сигнала, добавили 256 QA модуляцию, которая уже позволила передавать 8 бит данных в каждом символе. В результате получили примерно 7-8% улучшения общей производительности.

Легкий тюнинг ничего революционного не привнес в данное управление спектром передачи данных. И именно здесь свое преимущество показывает новый стандарт 802.11ax. Концепция OFDM и HT-OFDM подразумевает, что весь 20-мегагерцовый канал целиком, содержащий 48, либо 52 поднесущие, используется одним передатчиком в каждый момент времени для передачи одной порции информации. 

Здесь становится очевидной глобальная неэффективность такого подхода, и напрашиваются изменения. Для чего, собственно, и служат технологии FDMA. В этих технологиях происходит дополнительная нарезка одного канала на большее количество поднесущих. И становятся доступными всего 256 поднесущих в одном канале. И то, что в предыдущих стандартах называлось поднесущими, теперь называются тонами.

Как мы знаем, у нас 256 тонов в канале. Но, как и в предыдущих стандартах, в FDM не все тоны используются и в FDMA для передачи полезной информации. Присутствуют и служебные: называются они Data tone, Pilot tone и есть некоторые неиспользуемые, защитные. Разработчики пошли дальше и решили данные тоны объединять в группы или субканалы минимум по 26 тонов. И эта группировка стала называться Resourсe Unit (RUs). И разделение основного канала на субканалы позволяет организовать одновременную передачу маленьких порций информации нескольким пользователям одновременно. На следующем слайде мы видим разную ширину рэкюнитов. 

Базовый рэкюнит в 26 тонов может комбинироваться как угодно и заведует этим точка доступа. Она принимает решение, сколько рэкюнитов отдавать клиенту, и какой конфигурации они должны быть, исходя из показателей, получаемых в виде обратной связи от клиента. А также общих показателей режима работы Wi-Fi-инфраструктуры, и какие каналы с точки зрения ширины используются, сколько пользователей. И определяет это точка доступа, запрашивая информацию из буфера передачи данных на клиенте, на станции. Она спрашивает, что это за трафик, что это за приложение, сколько этого трафика? И, исходя из этого, назначает соответствующее количество рэкюнитов. Каждый рэкюнит получается шириной примерно 2 МГц.

Разбирая сердце стандарта 802.11ax - технологию DMA, радиочастотный спектр получается более плотным с точки зрения передачи данных разным клиентам. На слайде мы видим пример того, как точка доступа может, например, в каждый момент времени раздавать разное количество рэкюнитов своим станциям. Т.е. в первый момент времени она передает сигнал для одной станции, во второй момент времени для трех и так далее. Коль скоро мы говорим про рэкюниты, хорошо было бы понять механизм их назначения. Разберем это более подробно. На следующем слайде хорошо видно, как это происходит.

Вначале точка доступа должна рассказать клиентам, как и когда они будут передавать. И для этого ей сначала нужно захватить радиоэфир. И тем самым задать точку отсчета. Для этого используются специальные фрэймы AIFS. А затем с помощью триггер-пакета точка доступа назначает первичные рэкюниты, первые 26 рэкюнитов каждой станции. После этого каждая станция, каждый клиент отвечает точке доступа на выделенных для этой станции частотах, что именно у нее есть для передачи. И после этого точка доступа должна подтвердить, что она услышала каждого клиента, и для этого она посылает пакет Multi-STA, о том, что передача прошла успешно. Здесь стоит обратить внимание на пакет Multi-STA, который отсылается в режиме MU-MIMO.

В данном случае мы говорим о технологии одновременной передачи от точки доступа к нескольким клиентам. Эта технология была доступна и в предыдущих стандартах, но работала только в канале от точки доступа. И многие думали, что это какая-то волшебная технология, которая делает Wi-Fi быстрым и надежным, но на практике оказалось, что в большинстве реализаций без нее система работала даже лучше. К тому же на рынке практически не было клиентов, которые бы поддерживали данную технологию. 

Кроме этого, технология MU-MIMO имеет высокую сложность реализации. И, что особенно важно, высокий overhead при работе. Из-за этого часто происходили потери сети самими клиентами. 

MU-MIMO

Основные требования для работы MU-MIMO это требования по разнесению клиентов в пространстве. А это проблема существует во многих современных Wi-Fi-сетях, т.к. они достаточно плотны. Из-за требований по пространственному разнесению, есть требование по удаленности клиента от точки доступа. И опять это становится некоей проблемой, потому что все пользователи «сидят» достаточно близко к точке доступа. И точка просто «не видит» разницы между клиентами. Также MU-MIMO требует опроса клиента, посылку «саудинг фреймов». А это серьезный overhead, т.к. мы знаем, что основной размер пакета, наиболее часто встречающийся в сети Wi-Fi, составляет примерно 250 байт. Соответственно, посылка дополнительных фреймов служебных или фреймов управления в виде «саудинг фреймов» и захвата радиосреды серьезно влияет на общую производительность, происходит своеобразная деградация. Поэтому, как итог можно сказать, что MU-MIMO отлично работает, но предназначен для сети, которая строится исходя из соображений минимальной плотности клиентов и требований к высокой пропускной способности сети.

Поэтому напрашивается некое сравнение между технологиями OFDMA и MU-MIMO. В то время, как MU-MIMO повышает общую пропускную способность, повышает скорость на каждого клиента, хорошо обслуживает приложения, которые требуют большой полосы пропускания и работает с большими пакетами, то OFDMA как раз больше отвечает требованиям построения высокоплотных сетей Wi-Fi, и эти сети в свою очередь определяются такими характеристиками, как уменьшение задержки передачи, основные приложения используют маленькие размеры пакетов, и эти приложения не слишком требовательны к общей полосе пропускания. Поэтому OFDMA в данном случае предпочтительнее.

Обсудив основные понятия, перейдем к процессу работы протокола OFDMA в радиоэфире. Рассмотрим следующий слайд. 

Начнем слева направо от точки доступа к клиентам. Сначала точка доступа посылает сигнал AIFS, чтобы захватить управление радиоэфиром и задать первичную точку отсчета. Потом точка посылает первый триггерный пакет BSRP (Buffer Status Report Prame), в котором запрашивает состояние буфера передачи на клиенте. За этим пакетом следует защитный интервал SIFS, после чего каждый клиент на первично выделенных ему частотах отсылает пакет BSR (Buffer Status Report). Это происходит одновременно от всех станций. В ответ точка доступа, понимая, сколько информации требуется передать каждому клиенту, посылает пакет MU-RTS. Это второй триггерный пакет. И посылает один пакет тоже сразу всем клиентам. А в ответ, также используя технологию MU, станция отвечает пакетом CTS, что означает, что они готовы передавать. Как говорилось выше, точка доступа выделяла только базовые 26 тонов каждой станции. И после того, как она получила полную информацию о том, что требуется передать каждому клиенту путем сложных математических вычислений в третьем триггерном фрейме, точка доступа назначает уже нужное каждой станции количество рекюнитов. Тем самым она выделяет дополнительное количество рекюнитов к первоначально назначенным. Когда клиенты получили полную информацию о том, на каких частотах, и как долго они могут передавать, они начинают передачу – это пакеты UL PPDU. Тут есть важный момент: эти пакеты также должны передаваться одновременно и в строго определенный отрезок времени. И, если у этих пакетов для отсылки размер меньший, то они дополняются пустыми нулями и единицами, по сути мусорными данными, лишь для того, чтобы соблюсти синхронизацию в канале. На слайде это выглядит в виде зеленого цвета добавкой к основному пакету. В конце точка доступа подтверждает корректность получения.

На первый взгляд OFDMA кажется не самой сложной технологией, но тем не менее разработчики придумывали этот алгоритм пять лет, начиная с 2014 года. Теперь необходимо сказать несколько слов про дополнительные улучшения, в частности, про модуляцию. 

Как уже говорилось выше, в стандарте 802.11.ax появилась модуляция 1024 QAM, которая позволяет передавать 10 бит информации на каждый символ. Естественно, поскольку она добавилась, то все предыдущие виды модуляции поддерживаются, и все legacy clients без проблем будут работать в новых сетях. 

1024 QAM это, по сути, 1024 варианта сигнала на каждый герц передачи. А сам QAM это сигнал, в котором две синусоидальные несущие сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90 градусов или на четверть периода. И данное смещение в совокупности с моделирующим сигналом, а это и есть амплитудные модуляции, предоставляет собой базу для кодирования бинарных символов. Это то, что показано на нижнем правом квадрате слайда. В данном случае это можно считать простейшими строительными атомами цифрового беспроводного мира. Т.е. изменение фазы и амплитуды позволяет конструировать сигналы, которые передают больше битовой информации на герц. Но есть, как всегда, и обратная сторона медали. Представьте себе вектор, проведенный из центра координат и до каждой красной точки в крайнем правом квадрате слайда. При такой плотности распределения точек появляется очень высокий шанс на ошибку. Поэтому для более точного разбора сигнала в 1024 QAM нужно увеличивать соотношение сигнал-шум.

Забегая вперед, отметим, что в реальности использование 1024 QAM дает примерно на 25% увеличение производительности передачи данных в канале. Это очень неплохо при минимальных усилиях. Потому что в сущности, ничего не меняя, и вводя только дополнительные виды модуляций, мы получаем вполне серьезный прирост.

Итак, возвращаемся к увеличению соотношения сигнал-шум. 

Для использования 1024 QAM модуляций требуется увеличение сигнала примерно на 3 дБ, или, если посмотреть с другой стороны, уменьшение помех. Понятно, что не изменяя общего радиоокружения, этого можно достичь уменьшением радиуса действия точки доступа. Но из-за высокой частоты смены сигнала и требований по сохранению линейности показателей передатчика (а мы помним из институтского курса про нелинейные помехи с увеличением частоты сигнала) появляется требование на уменьшение мощности передатчика. Поэтому, исходя из физических особенностей, следует логический вывод, что требуется уменьшить влияние помех. И это единственный путь. Уменьшение влияния помех в данном случае может рассматриваться не просто как повышение сигнала, а именно увеличение соотношения сигнал-шум. Уменьшить помехи в канале можно уменьшив ширину канала. Уменьшение ширины канала в 2 раза приводит к увеличению соотношения сигнал-шум примерно на 3 дБ. А уменьшение ширины канала в 10 раз увеличивает соотношение сигнал-шум примерно в те же 10 раз. И здесь кроется главная идея разделения канала на дополнительные поднесущие, организацию рекюнитов в стандарте 802.11ax. Дополнительное сужение канала при той же радиообстановке повышает соотношение сигнал-шум в канале, что ведет к возможности использования кодировки 1024 QAM. Естественно, если параметры радиосреды не удовлетворяют параметрам качества, то эта кодировка использоваться не будет, и система динамически переключится на другие, более простые системы модуляции.

Переиспользование радиочастот

Еще одна интересная функция стандарта 802.11ax это переиспользование радиочастот. В оригинале это звучит как BSS (Basic Service Set) Coloring. Рассмотрим следующий слайд.

К цветам здесь отношение несколько условное, здесь под цветом понимается цифровой код. Предистория данного направления разработки состоит в следующем. Одной из причин медленной работы Wi-Fi окружения является взаимная интерференция точек доступа, работающих на одном канале. И стандартный метод борьбы с этой интерференцией состоит в использовании метода доступа к среде передачи данных CSMA CA (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance, множественный доступ с контролем несущей и избеганием коллизий), когда станция перед передачей сигнала сначала «слушает» эфир, и если «слышит» передачу на той же частоте, на которой работает сама, она откладывает свою передачу на случайный промежуток времени, и затем процесс повторяется снова. Если точки доступа достаточно далеки друг от друга, чтобы зафиксировать передачу на одинаковой частоте друг друга, то клиент, находящийся между двумя точками доступа легко запускает процесс CSMA CA. Тогда клиент, «разговаривая» со своей точкой доступа, является неким повторителем этого сигнала для другой точки доступа.

Однако можно сделать так, чтобы клиент передавал и работал в то время, когда другая точка доступа также будет работать на данной частоте. Это, собственно, и называется частотным переиспользованием. И тут разработчики на сцену выводят цветовую дифференциацию, цветовое разделение. Фактически это код от 0 до 7. Точки доступа, работающие на одном канале, должны использовать разные цифровые коды. Поэтому, когда клиент хочет начать передачу, и в этот момент он "слышит" другую передачу на этом же канале, он может проанализировать код (цвет) данной передачи и определить для себя, насколько этот чужой сигнал слабый или сильный. И как сильно он может повлиять на его передачу. Если цветовой код от точек доступа совпадает, он этот код "слышит" от разных точек доступа, то он понимает, что он работает в Wi-Fi-сети под единым управлением, и что это "своя" точка доступа, то запускается стандартный процесс Collision Avoidance. 

Хочется отметить, что разработчики заложили возможность настройки пороговых значений для определения свободности канала. Существуют два параметра для настройки CCA-Signal Detection и CCA-Energy Detection. У последнего параметра уровень сигнала, который в предыдущих стандартах определялся как фиксированная величина, и он был всегда на 20 дБ выше первого сигнала Signal Detection, который совсем немного отличался от простого шума в радиоэфире. Регулируя эти пороговые значения, мы можем дополнительно либо вручную, либо автоматически определять возможность передачи на той же частоте и управлять интерференцией.

И последнее, это функция Target Wake Time (TWT). Она является power-saving опцией. Она пришла из стандарта 802.11ah. 

В данной функции используются согласованные политики между клиентом и точкой доступа на основе некоторых статистических данных для определения времени работы клиента. Точка доступа позволяет контролировать большое количество клиентов и прогнозировать передачу трафика. Одна из опций такого прогнозирования это функция Broadcast Target Wake Time (TWT), когда точка доступа сообщает клиентам промежутки времени, в которые они могут "проснуться", передать и снова "заснуть". В результате работы такого функционала клиенты 802.11ax тратят меньше энергии, потому что, отключая радиопередатчик, но сохраняя ассоциацию с Wi-Fi-сетью, они могут "спать" продолжительное время, часами. При этом точно зная, когда им можно "проснуться", и быть уверенными, что среда передачи для них будет подготовлена.