Najpierw OFDM: kanał dzielimy na podnośne
Podstawą współczesnego Wi-Fi jest OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing.
Zamiast przesyłać jeden bardzo szybki strumień danych przez cały kanał, OFDM dzieli dostępne pasmo na dużą liczbę wąskich, wzajemnie ortogonalnych podnośnych. Każda z nich może przenosić własne symbole modulacji.
Jeżeli oznaczymy częstotliwości podnośnych jako:
f0, f1, f2, ..., fn
to warunek ortogonalności sprawia, że mimo niewielkich odstępów częstotliwości podnośne mogą częściowo nakładać się widmowo bez klasycznej interferencji międzykanałowej — pod warunkiem zachowania synchronizacji i właściwej konstrukcji symbolu OFDM.
W OFDM cały zestaw podnośnych należących do transmisji może obsługiwać jednego użytkownika.
Wi-Fi 6, czyli IEEE 802.11ax, zrobiło z tymi podnośnymi coś znacznie ciekawszego.
Zamiast powiedzieć:
„cały kanał dla jednego urządzenia”
możemy powiedzieć:
„ten fragment kanału dla laptopa, ten dla telefonu, a ten dla czujnika IoT”.
Tak powstaje OFDMA.
OFDMA: z podnośnych powstają Resource Units
OFDMA — Orthogonal Frequency Division Multiple Access — grupuje podnośne w większe jednostki nazywane Resource Units, czyli RU.
RU jest więc wydzielonym zbiorem tonów OFDM, który scheduler może przydzielić konkretnej stacji.
W 802.11ax występują między innymi jednostki:
26-tone RU, 52-tone RU, 106-tone RU, 242-tone RU, 484-tone RU oraz 996-tone RU.
Dla przykładu 26-tone RU odpowiada niewielkiemu fragmentowi zasobów częstotliwościowych, podczas gdy 242-tone RU zajmuje w przybliżeniu zasoby 20-megahercowego kanału OFDMA. Przy szerszych kanałach możliwe są odpowiednio większe RU.
Nie chodzi jednak tylko o szerokość. Najważniejsze jest to, że access point może w ramach jednej transmisji wielodostępowej przydzielić różne RU różnym urządzeniom.
Wyobraźmy sobie uproszczony kanał:
[ RU ][ RU ][ RU ][ RU ]
Access point może przydzielić go następująco:
[ laptop ][ telefon ][ IoT ][ tablet ]
Kilka urządzeń otrzymuje więc dane równolegle w tym samym okresie transmisji.
To ogromna różnica względem klasycznego podejścia, w którym urządzenia przede wszystkim rywalizowały o możliwość wykorzystania kanału w czasie. OFDMA pozwala dzielić zasoby nie tylko w czasie, ale również w częstotliwości.
Problem Wi-Fi 6: jeden użytkownik, jeden RU
Elastyczność OFDMA w Wi-Fi 6 miała istotne ograniczenie. W ramach transmisji OFDMA pojedynczemu użytkownikowi przydzielano jeden RU.
Możemy więc wyobrazić sobie sytuację:
[ A ][ B ][ C ][ wolne ]
Urządzenie A potrzebuje niewielkiego fragmentu kanału. Urządzenie B również. Urządzenie C ma natomiast dużą kolejkę danych, ale otrzymało już swój RU.
Pozostałego zasobu nie można po prostu dołączyć do przydziału C jako drugiego niezależnego RU w tej samej transmisji OFDMA.
W praktyce scheduler musi więc dopasowywać rozmiary RU do potrzeb użytkowników, a niedopasowanie może prowadzić do niewykorzystanych zasobów lub konieczności przesunięcia części danych do kolejnej transmisji.
Wi-Fi 7 usuwa to ograniczenie.
Zamiast:
User A → RU
możemy mieć:
User A → RU1 + RU2
I właśnie to jest Multi-RU.
Multi-RU: jeden użytkownik może dostać kilka fragmentów widma
Multiple Resource Unit pozwala przydzielić jednemu urządzeniu kombinację więcej niż jednego RU.
Wyobraźmy sobie uproszczony kanał:
[ A ][ B ][ A ][ C ]
Urządzenie A otrzymuje dwa oddzielne zasoby częstotliwościowe, natomiast B i C po jednym.
To bardzo ważne: Multi-RU nie oznacza po prostu utworzenia jednego większego RU.
Gdyby dostępne zasoby tworzyły jeden odpowiedni ciągły obszar, scheduler mógłby w wielu sytuacjach przydzielić większy RU. MRU staje się szczególnie interesujące wtedy, gdy zasoby, które chcemy wykorzystać dla jednego urządzenia, wynikają z konkretnej struktury przydziału i nie muszą sprowadzać się do jednego klasycznego RU.
Wi-Fi 7 definiuje konkretne kombinacje MRU, a nie dowolne zestawy tonów. Spotykamy między innymi kombinacje 52+26, 106+26, 484+242 czy 996+484 tonów oraz większe konfiguracje przeznaczone dla szerokich kanałów.
Podobnie jak w przypadku Preamble Puncturing, elastyczność nie oznacza więc pełnej dowolności.
Standard pozwala elastyczniej składać zasoby, ale robi to według ściśle określonych reguł.
Dlaczego nie przydzielić po prostu większego RU?
To pytanie jest kluczowe dla zrozumienia sensu Multi-RU.
Załóżmy, że scheduler ma dostępne zasoby:
[ zajęte ][ wolne ][ zajęte ][ wolne ]
i chce obsłużyć urządzenie, które ma dużo danych do przesłania.
Jeżeli wolne fragmenty nie tworzą odpowiedniego pojedynczego RU, klasyczny model jednego RU na użytkownika ogranicza możliwość ich wspólnego wykorzystania przez tę stację.
Multi-RU pozwala potraktować dozwoloną kombinację zasobów jako wspólny przydział dla tego samego użytkownika.
Możemy więc przejść z:
User A → [ RU1 ]
do:
User A → [ RU1 ] + [ RU2 ]
bez wymagania, aby oba zasoby były jednym klasycznym RU.
To zmienia zadanie schedulera. Nie musi już tylko odpowiedzieć na pytanie: „Jak duży RU przydzielić użytkownikowi?” Musi odpowiedzieć na bardziej ogólne: „Którą dozwoloną kombinację zasobów najlepiej przydzielić temu użytkownikowi?”
Scheduler staje się coraz ważniejszy
Multi-RU dobrze pokazuje, że wydajność współczesnego Wi-Fi nie zależy wyłącznie od PHY.
Możemy mieć kanał 320 MHz, 4096-QAM, wiele strumieni MIMO i doskonały SNR, ale nadal ktoś musi zdecydować, który użytkownik dostanie które zasoby i kiedy.
Tę rolę pełni scheduler.
Załóżmy, że access point obsługuje kilkanaście urządzeń. Jedno przesyła kilka bajtów telemetrii, drugie pobiera duży plik, trzecie prowadzi rozmowę VoIP, czwarte przesyła obraz z kamery, a piąte właśnie zakończyło transmisję i nie ma niczego w kolejce.
Przydzielenie każdemu identycznego fragmentu widma byłoby nieefektywne.
Scheduler może brać pod uwagę między innymi ilość danych oczekujących w kolejkach, możliwości stacji, warunki radiowe, wymagania QoS oraz dostępne kombinacje RU.
Multi-RU daje mu po prostu więcej możliwych sposobów ułożenia tych elementów w dostępnej przestrzeni częstotliwościowej.
To trochę jak problem pakowania: mamy określony kontener i elementy o różnych rozmiarach. Im więcej dozwolonych sposobów ich ułożenia, tym mniejsza szansa, że część kontenera pozostanie niewykorzystana.
Multi-RU nie tworzy dodatkowego pasma
Podobnie jak Preamble Puncturing, Multi-RU łatwo przedstawić w sposób sugerujący, że technologia „zwiększa przepustowość kanału”.
Fizycznie niczego jednak nie dodaje.
Jeżeli mamy 80 MHz widma, nadal mamy 80 MHz. Multi-RU nie tworzy dodatkowych częstotliwości i nie poprawia automatycznie SNR.
Zmienia się efektywność wykorzystania zasobu, który już posiadamy.
Dobrym przykładem jest 20-megahercowy kanał z 242 tonami OFDMA. Jeżeli dwa przydziały wykorzystują po 106 tonów, otrzymujemy:
(106 + 106) / 242 ≈ 87,6%
Jeżeli jeden z użytkowników może otrzymać kombinację 106+26, a drugi 106, wykorzystanie rośnie do:
(106 + 106 + 26) / 242 ≈ 98,3%
Nie zwiększyliśmy szerokości kanału ani liczby dostępnych tonów. Po prostu mniej z nich pozostaje niewykorzystanych.
To właśnie jest istota MRU.
Multi-RU a Preamble Puncturing: podobny pomysł, inne zadanie
Ponieważ poprzedni artykuł dotyczył Preamble Puncturing, warto rozdzielić te mechanizmy.
Puncturing odpowiada przede wszystkim na pytanie:
„Którego fragmentu szerokiego kanału nie powinniśmy używać?”
Multi-RU odpowiada na inne:
„Jak dostępne zasoby przydzielić użytkownikom?”
Jeżeli fragment kanału jest wyłączony, struktura dostępnego widma może stać się mniej regularna. Elastyczne przydzielanie zasobów częstotliwościowych nabiera wtedy jeszcze większego znaczenia.
Oba rozwiązania wynikają jednak z tej samej filozofii projektowej Wi-Fi 7: szerokiego kanału nie należy traktować jak monolitu.
Możemy go dzielić, przydzielać, pozostawiać fragmenty nieaktywne i coraz dokładniej dopasowywać wykorzystanie widma do aktualnej sytuacji radiowej.
Multi-RU nie jest tym samym co MIMO
Warto też oddzielić dwa mechanizmy, które zwiększają równoległość transmisji, ale wykorzystują zupełnie inne wymiary fizyczne.
Multi-RU działa przede wszystkim w dziedzinie częstotliwości.
MIMO wykorzystuje przestrzeń.
Jeżeli dwa zasoby RU znajdują się w różnych częściach kanału, rozdzielamy transmisję częstotliwościowo. Jeżeli kilka strumieni przestrzennych jest transmitowanych w tym samym paśmie, rozdzielenie jest możliwe dzięki różnicom kanałów radiowych pomiędzy antenami.
Możemy więc myśleć o współczesnym PHY jak o wielowymiarowej macierzy zasobów:
czas × częstotliwość × przestrzeń
OFDMA i Multi-RU zarządzają głównie osią częstotliwości. MIMO wykorzystuje wymiar przestrzenny. Mechanizmy MAC decydują, kiedy zasoby mogą zostać wykorzystane.
Wi-Fi 7 staje się szybkie nie dlatego, że znalazło jeden magiczny sposób transmisji, lecz dlatego, że coraz lepiej wykorzystuje kilka niezależnych wymiarów dostępnych w kanale radiowym.
Dlaczego Multi-RU może wpływać również na opóźnienia?
Jeżeli pakiet nie mieści się w zasobie przydzielonym urządzeniu, część danych może wymagać kolejnej okazji transmisyjnej.
To oznacza oczekiwanie.
W uproszczeniu:
pakiet → pierwszy TXOP → pozostałe dane → oczekiwanie → kolejny TXOP
Jeżeli scheduler może wykorzystać dodatkowy RU w tej samej transmisji, większa część kolejki może zostać obsłużona od razu:
pakiet → RU1 + RU2 → transmisja
Dlatego lepsze wykorzystanie częstotliwości może wpływać nie tylko na średnią przepustowość, lecz także na czas opróżniania kolejek i opóźnienia.
Nie należy jednak traktować Multi-RU jako gwarancji określonej redukcji latency. Wynik zależy od liczby użytkowników, obciążenia, schedulera, warunków radiowych, implementacji access pointa i charakteru ruchu.
Mechanizmy efektywności widma bardzo często poprawiają latency pośrednio — przez skrócenie kolejek i ograniczenie liczby kolejnych transmisji potrzebnych do przesłania danych.
Większa elastyczność oznacza trudniejsze decyzje
Multi-RU ma również koszt, którego nie widać na prostych diagramach.
Im więcej możliwych przydziałów zasobów, tym bardziej skomplikowany staje się scheduler.
Access point musi wiedzieć, jakie możliwości mają poszczególne stacje, jakie RU może im przydzielić, ile danych znajduje się w kolejkach, jakie są warunki kanałowe i jakie kombinacje będą najbardziej efektywne.
Samo znalezienie matematycznie najlepszego przydziału można przedstawić jako problem optymalizacyjny:
maksymalizuj wykorzystanie dostępnych zasobów przy ograniczeniach wynikających z PHY, możliwości urządzeń i potrzeb ruchu.
W praktycznym urządzeniu decyzje muszą być podejmowane bardzo szybko. Nie możemy wykonywać wielosekundowej optymalizacji, podczas gdy kanał radiowy i kolejki zmieniają się w znacznie krótszej skali czasu.
Dlatego rzeczywista jakość implementacji Wi-Fi zależy nie tylko od tego, czy chipset posiada na liście funkcji „Multi-RU”, ale również od tego, jak dobrze firmware i scheduler potrafią tę funkcję wykorzystać.
Od OFDM do Multi-RU
Ewolucję można teraz przedstawić bardzo prosto.
OFDM: dzielimy kanał na wiele ortogonalnych podnośnych.
OFDMA: grupujemy podnośne w RU i możemy przydzielać różne RU różnym użytkownikom.
Multi-RU: możemy przydzielić dozwoloną kombinację kilku RU jednemu użytkownikowi.
Każdy krok zwiększa elastyczność zarządzania tym samym fizycznym zasobem.
I właśnie dlatego Multi-RU jest ważniejsze, niż sugerowałaby sama nazwa. Nie daje spektakularnej liczby, którą łatwo umieścić na pudełku routera. Nie brzmi tak efektownie jak 320 MHz czy 4096-QAM.
Rozwiązuje za to bardzo rzeczywisty problem: jak nie marnować fragmentów widma tylko dlatego, że aktualny podział zasobów nie pasuje idealnie do ruchu generowanego przez użytkowników.
W Wi-Fi 6 kanał został podzielony na mniejsze elementy. Wi-Fi 7 zaczyna tymi elementami zarządzać znacznie elastyczniej.
A kiedy umiemy już dzielić kanał w częstotliwości, naturalnie pojawia się pytanie, czy możemy zrobić coś podobnego w przestrzeni.
Możemy — i właśnie temu służy kolejny mechanizm naszej serii: MIMO, czyli sposób, w jaki Wi-Fi wykorzystuje odbicia i różnice przestrzenne pomiędzy antenami do przesyłania kilku strumieni danych jednocześnie.