Wi-Fi 6: что у 802.11ax внутри

В реальных условиях беспроводные сети с трудом справляются с поставленными задачами, но главная причина не в том, что у существующих стандартов не хватает скорости передачи. Просто устройств стало слишком много — теоретических показателей на практике достичь не удается из-за вынужденного ожидания, пока освободится среда передачи, взаимного влияния расположенных рядом точек доступа и т.п. И со временем проблема усугубляется. Поэтому при разработке очередной версии стандарта Wi-Fi Alliance уделил больше внимания повышению эффективности работы беспроводной сети.

Новая версия стандарта впервые была представлена осенью 2018 года — одновременно с переименованием последних двух версий — 802.11n и 802.11ac в Wi-Fi 4 и Wi-Fi 5 соответственно. «Ребрендинг» потребовался для того, чтобы избавиться от путаницы на рынке пользовательских устройств и упростить пользователям переход на новые версии.

Официальное утверждение стандарта запланировано на третий квартал 2019 года. Некоторые производители уже предлагают точки доступа с поддержкой Wi-Fi 6. Осенью же начнется сертификация конечных устройств, так что на рынке они могут появиться уже в этом году. Ну а пока можно обсудить, в каких случаях стоит поторопиться с обновлением до Wi-Fi 6.

Одна из основных проблем «уплотняющихся» беспроводных сетей — дефицит спектра.
Еще несколько лет назад сообщество заговорило о тесноте в диапазоне 2,4 ГГц, тогда же наметилось движение Wi-Fi Alliance в сторону спектрального отрезка в районе 5 ГГц, и Wi-Fi 5 даже лишился поддержки «перегруженного» 2,4 ГГц. Но в Wi-Fi 6 этот диапазон вернулся. Причин тому много: от разных условий распространения сигнала и стоимости оконечных устройств до желания задействовать под популярный беспроводной стандарт все доступные частоты, ведь количество клиентских устройств растет в геометрической прогрессии. Более того, теоретически стандарт может использоваться и в соседних частотных полосах. Уже обсуждается предложение Федеральной частотной комиссии (FCC) о том, чтобы выделить под него дополнительные полосы в районе 6 ГГц. Правда, эти обсуждения пока не касаются России.

Частотный ресурс можно использовать по-разному. Можно разделить его на максимально широкие отрезки, чтобы обеспечить высокую скорость передачи данных при малом количестве устройств — и Wi-Fi 6 поддерживает выделение каналов шириной до 160 МГц, — а можно выделить много каналов минимальной ширины, чтобы работающие на них устройства не мешали друг другу. И гибкость, с которой осуществляется «переключение» между этими подходами, определяет универсальность стандарта.

В Wi-Fi 6 (по аналогии с сетями 4G) появилась поддержка OFDMA — множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов. Чтобы эффективнее использовать спектр там, где на него претендует много пользователей, частотный канал разделяется на поднесущие шириной около 78 кГц. Передача осуществляется на каналах, сформированных из некоторого количества поднесущих, кратного 26.
По сути OFDMA (нижняя картинка) — это использовавшийся ранее OFDM (верхняя картинка), оптимизированный для множества пользователей сети.

OFDMA позволяет улучшить передачу данных в беспроводной сети с высокой плотностью устройств. Параллельно уменьшается задержка доставки пакетов для каждого пользователя в отдельности.

Более высокоуровневое частотное планирование могут обеспечивать решения от производителей оборудования. К примеру, Huawei интегрирует в свое железо с поддержкой Wi-Fi 6 технологию DFA, которая обеспечивает динамическое присвоение частотных каналов — выбор неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц, переключение в диапазон 5 ГГц (при наличии такой возможности) и т.п.

Утилизацию частотной полосы определяет не только эффективность ее заполнения пакетами разных пользователей, но и то, насколько плотно туда упакована передаваемая информация.

Помимо модуляции QAM 256 (из предыдущей версии стандарта), в Wi-Fi 6 поддерживается QAM 1024 (в методах кодирования MCS 10 и MCS 11), что позволяет увеличить количество бит передаваемой информации в расчете на 1 Гц частотного диапазона. Это дает рост скорости передачи данных примерно на 25% по сравнению с Wi-Fi 5, правда, только в том случае, если качество канала (чувствительность приемника) действительно позволяет применить эту модуляцию.

Теоретическая скорость новой версии стандарта при использовании ультраширокой полосы пропускания — 9,6 Гбит/с. Понятно, что на практике скорость зависит от подключенных пользовательских устройств, их количества и общей загруженности электромагнитного спектра в окрестностях. Качество беспроводных сетей предыдущих версий Wi-Fi существенно падает при росте числа клиентов, но в Wi-Fi 6 были заложены механизмы, позволяющие сократить конфликты и простой устройств из-за занятой среды передачи, так что начало многообещающее.

Достижению высоких скоростей беспроводной передачи мешают конфликты и неоптимальная утилизация частотного спектра в условиях, когда устройства заранее не договариваются между собой, как и когда осуществлять передачу. С этими практическими проблемами призваны бороться сразу несколько нововведений Wi-Fi 6.

Сегодня не так много беспроводных сетей существуют в изоляции. А если поблизости есть еще 5–10 точек доступа, значит их зоны обслуживания перекрываются, вызывая те самые конфликты.

В основе Wi-Fi изначально был заложен механизм доступа к среде передачи CSMA / CA с отправкой служебных кадров RST и CTS (запрос на передачу — свободен для передачи). Если устройству надо передать информацию, оно слушает среду, и, когда та занята — ждет некоторое время, чтобы попробовать еще раз. Если же среда свободна, оно отправляет запрос на передачу (RST) и только после подтверждения (CTS) передает данные. Этот механизм до недавнего времени не разбирал «свой — чужой»: кто-то передает, значит надо молчать и ждать своей очереди. Это вызывало падение скорости передачи и увеличение времени ожидания в сетях с большим количеством устройств в непосредственной близости друг от друга.

Для решения этой проблемы в Wi-Fi 6 заложен механизм «раскрашивания» (а точнее, маркировки) пакетов в одних и тех же частотных каналах, используемых разными устройствами — BSS coloring. При таком раскладе, обнаружив пакет с «чужим» кодом, устройство проигнорирует его. Помочь процедуре должно автоматическое регулирование порогов обнаружения сигнала для «своих» и «чужих», а также усовершенствование механизма фокусировки передачи в направлении клиентских устройств (о нем подробнее — далее).

Кстати, время ожидания в беспроводных сетях регулируется механизмом NAV (Network allocation vector), который предписывает станции «подглядывать» в длительность передаваемого кем-то другим пакета, чтобы определить, когда можно снова попробовать передать свой. И в Wi-Fi 6 появилось два отдельных NAV: для устройств внутри «своей» и «чужих» сетей. Нововведение позволяет не «сбивать» настройки чужими передачами и не ошибаться с выбором времени для запроса передачи.

Помимо логической маркировки «свой-чужой» Wi-Fi может поделить клиентов пространственно.

Устройства предыдущего стандарта уже «умели» корректировать диаграмму направленности передачи для нескольких отдельных пользователей (MU-MIMO). Фактически технология позволяет сформировать отдельный луч для пользователя с пакетами, предназначенными именно для него. Однако в Wi-Fi 5 это работало только на downlink. В Wi-Fi 6 тот же механизм появился и на uplink, при этом как и с downlink частотное планирование осуществляется на стороне точки доступа. Одновременно было расширено количество возможных подключений в два раза — до 8×8.

Очевидно, что технология MU-MIMO 8×8 должна поддерживаться устройством, а эффективность формирования отдельных пространственных лучей зависит от используемых производителями решений, в частности, направленных антенн.
Например, у нас есть собственная разработка — Smart Antenna, представляющая собой антенную решетку, на которой для передачи или приема с определенного направления в пространстве выбирается заданная конфигурация элементов (каждый элемент сам по себе может быть как всенаправленным, так и узконаправленным). В данном случае антенна — это уже не просто «железка», а сочетание аппаратной части и алгоритма выбора конфигурации.

У каждой антенны 16 режимов работы, что для четырех антенн (в одной полосе частот) дает 416 комбинаций. Алгоритм выбора между этими комбинациями срабатывает по времени при подключении нового устройства или при существенном изменении условий приема ранее подключенным. Для переконфигурации отправляется некоторое количество обучающих пакетов (с разных конфигураций антенн) — так выбирается новая оптимальная схема. Все это позволяет обеспечить лучшее покрытие беспроводной сети при наличии препятствий, в том числе для перемещающихся пользователей.

Для снижения взаимных помех передаваемых пакетов увеличены длительность защитного интервала и продолжительность символа. Это влияет на сокращение потерь пакетов, а значит увеличивает эффективность передачи.

Все большая доля устройств, подключенных к беспроводным сетям, так или иначе относится к IoT. Поэтому в Wi-Fi 6 был заложен механизм, который позволяет сократить энергопотребление устройств и уменьшить количество конкурентов за среду передачи в каждый конкретный момент времени. Этот механизм получил название TWT (target wake time). Он подразумевает пробуждение устройств интернета вещей по таймеру только тогда, когда требуется собрать данные. В остальное время устройство «спит» и не претендует на среду передачи.

В итоге новая версия стандарта позволяет строить сети с более высокой емкостью, нежели Wi-Fi 5. Четырехкратный рост теоретической емкости поможет развертыванию сетей в местах с высокой плотностью потребителей — в общественных и учебных зонах, деловых центрах, на объектах с большой плотностью датчиков интернета вещей. Наряду с этим Wi-Fi 6 остается очень гибким — т.е. с его помощью можно организовать как доступ множества терминалов, так и беспроводную сеть для передачи к каждому участнику, например, 4К-видео с минимальными задержками.

Обсуждая сети высокой плотности, нельзя не упомянуть роуминг при перемещении клиентских устройств между точками доступа. В стандарт заложены механизмы, которые позволяют точкам не мешать друг другу, а также не «сбивать с толку» соседнюю подсеть, если устройство ею не обслуживается. Но распределением устройств между точками должны заниматься более высокоуровневые системы — решения от производителей железа. Например, устройства Huawei поддерживают балансировку нагрузки — равномерное распределение пользователей между точками доступа в зонах с большой плотностью сетей. При этом для бесперебойной передачи данных в момент переключения клиентского устройства пакеты для него буферизуются и отправляются на новую точку.

Большинство описанных нововведений в подсетях будет доступно только при условии их поддержки клиентскими устройствами. С учетом развития рынка и цикла жизни устройств доминирующим на рынке Wi-Fi 6 должен стать уже через два года, о чем также говорят прогнозы IDC.

Первые точки доступа с поддержкой Wi-Fi 6 уже засветились на рынке. Также стали появляться первые мобильные устройства с Wi-Fi 6 на борту, и в ближайшей перспективе их покупка и внедрение могут стать неплохой инвестицией в усовершенствование пользовательского опыта.

Например, в нашем активе есть точка доступа Huawei 7060DN — по факту первый коммерчески доступный продукт, поддерживающий Wi-Fi 6, который мы выпустили в 2018 году. На текущий момент она поддерживает все описанные нововведения очередной версии стандарта, обеспечивая обслуживание до 1024 пользователей.

Максимальная теоретическая скорость передачи данных по Wi-Fi составляет 6 Гбит/с (на практике в тестах была достигнута согласованная скорость в 3 Гбит/с). Для поддержки устройств из мира IoT в ней реализованы протоколы ZigBee/RFID/Bluetooth, которые помогут разгрузить Wi-Fi диапазон в условиях активного развития интернета вещей. При этом можно не опасаться, что сейчас они поддерживают лишь черновой варианта стандарта, поскольку практически со 100% вероятностью их можно будет «дотянуть» до финальной версии простой сменой прошивки.

Кстати, на внутреннем рынке Китая можно найти уже не только отдельные устройства, но и реализованную инфраструктуру Wi-Fi 6. Так что в ближайшие годы нас ждет множество интересных проектов по обновлению тех же кампусов, а также по построению беспроводных сетей, ориентированных на сервисы.