802.11a i OFDM: zamiast walczyć z wielodrogowością, podzielmy kanał
IEEE 802.11a jest jednym z najważniejszych punktów w historii współczesnego PHY Wi-Fi. Standard pracował w paśmie 5 GHz i oferował przepływność warstwy fizycznej do 54 Mb/s. Jednak z perspektywy dzisiejszego inżyniera znacznie ważniejsze od samej liczby 54 jest to, w jaki sposób dane były transmitowane.
802.11a wykorzystało OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing.
Dlaczego było to tak ważne?
Wyobraźmy sobie transmisję radiową w pomieszczeniu. Fala wysłana przez antenę nie dociera do odbiornika jedną drogą. Część energii biegnie bezpośrednio, ale pozostała część odbija się od ścian, sufitu, mebli, metalowych elementów konstrukcji czy innych obiektów.
Odbiornik dostaje więc wiele kopii tego samego sygnału przesuniętych względem siebie w czasie.
To zjawisko nazywamy propagacją wielodrogową.
Jeżeli symbole przesyłane są bardzo szybko, opóźniona kopia poprzedniego symbolu może nakładać się na następny. Powstaje ISI — Inter-Symbol Interference.
Jednym ze sposobów ograniczenia tego problemu byłoby spowolnienie transmisji symboli. Tyle że chcemy osiągnąć dokładnie odwrotny efekt: przesyłać dane szybciej.
OFDM proponuje rozwiązanie pozornie paradoksalne.
Zamiast przesyłać jeden bardzo szybki strumień przez cały kanał, dzielimy dostępne pasmo na dużą liczbę wąskich, wzajemnie ortogonalnych podnośnych. Na każdej z nich symbole mogą zmieniać się znacznie wolniej.
Wydłużenie czasu symbolu zwiększa odporność na opóźnienia wynikające z wielodrogowości. Dodatkowo stosowany jest guard interval, którego praktyczną realizacją w OFDM jest cyclic prefix.
To niezwykle ważny moment w historii Wi-Fi.
Projektanci nie usunęli wielodrogowości. Nie mogli tego zrobić — wynika ona z praw propagacji fal elektromagnetycznych.
Zmienili za to matematyczną reprezentację problemu, dzięki czemu kanał trudny do obsłużenia jako jeden szerokopasmowy strumień można było traktować jako zestaw wielu węższych kanałów.
W kolejnych generacjach Wi-Fi ta idea pozostała fundamentem PHY.
802.11n i MIMO: skoro fale się odbijają, wykorzystajmy to
Kolejnym przełomem było IEEE 802.11n, później kojarzone z generacją Wi-Fi 4.
Tutaj nastąpiła fundamentalna zmiana sposobu myślenia.
Wielodrogowość przez lata była traktowana głównie jako problem. Odbicia tworzyły zaniki, interferencje i utrudniały poprawne odtworzenie sygnału.
MIMO — Multiple Input Multiple Output — pozwoliło spojrzeć na to zjawisko inaczej.
Jeżeli nadajnik ma wiele anten i odbiornik ma wiele anten, kanał radiowy przestaje być opisany jedną wartością. Możemy przedstawić go w postaci macierzy:
y = Hx + n
gdzie x jest wektorem transmitowanych sygnałów, H macierzą kanału, y wektorem sygnałów odebranych, a n reprezentuje szum.
To równanie jest jednym z najważniejszych w nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej.
Jeżeli poszczególne drogi pomiędzy antenami są wystarczająco niezależne, macierz kanału może zawierać wystarczająco dużo informacji, aby odbiornik rozdzielił kilka strumieni transmitowanych jednocześnie, w tym samym paśmie częstotliwości.
Pojawia się spatial multiplexing.
To jakościowo zupełnie inny sposób zwiększania przepustowości.
Wcześniej można było przesyłać więcej danych, zwiększając pasmo albo zwiększając liczbę bitów przypadających na symbol. MIMO dodaje trzeci wymiar: przestrzeń.
Co szczególnie ciekawe, zjawisko, które wcześniej przeszkadzało — wielodrogowość — może teraz pomagać. Odbicia powodują, że sygnały docierające pomiędzy różnymi parami anten mają różne amplitudy i fazy. Dzięki temu powstają różne charakterystyki kanału umożliwiające separację strumieni.
Oczywiście nie oznacza to, że każda konfiguracja kilku anten automatycznie daje wielokrotny wzrost przepustowości. Jeżeli kanały są silnie skorelowane, macierz H może mieć niekorzystne właściwości i separacja strumieni staje się trudna.
To właśnie dlatego liczba anten nie jest tym samym co liczba efektywnie dostępnych strumieni przestrzennych.
802.11n połączyło MIMO z OFDM, kanałami 20 i 40 MHz oraz wyższymi szybkościami PHY. Był to moment, w którym Wi-Fi przestało rozwijać się wyłącznie w dziedzinie częstotliwości i zaczęło bardzo intensywnie wykorzystywać również geometrię kanału radiowego.
802.11ac: więcej pasma, więcej QAM, więcej MIMO
IEEE 802.11ac, czyli Wi-Fi 5, przyjęło jeszcze inną strategię. Skoro OFDM działa, a MIMO umożliwia wykorzystanie przestrzeni, spróbujmy zwiększyć niemal wszystkie parametry odpowiadające za przepustowość pojedynczego połączenia.
802.11ac pracowało w paśmie 5 GHz i rozszerzyło możliwości PHY m.in. o kanały 80 i 160 MHz oraz modulację 256-QAM. Standard rozwijał również transmisję wieloantenową i MU-MIMO.
Warto zatrzymać się przy 256-QAM, ponieważ dobrze pokazuje kierunek ewolucji.
W 64-QAM jeden symbol może reprezentować:
log2(64) = 6 bitów
W 256-QAM:
log2(256) = 8 bitów
Nie zwiększamy częstotliwości symboli. Zwiększamy ilość informacji zakodowanej w każdym symbolu.
Cena za ten zysk jest jednak fizyczna.
Im więcej punktów znajduje się w konstelacji QAM, tym mniejsza jest odległość pomiędzy sąsiednimi stanami. Odbiornik musi więc znacznie precyzyjniej określić amplitudę i fazę odebranego sygnału.
Rosną wymagania dotyczące SNR oraz EVM. Coraz ważniejsze stają się phase noise, nieliniowość PA, błędy I/Q, dokładność estymacji kanału i jakość przetworników.
802.11ac pokazuje więc bardzo klasyczną drogę zwiększania przepustowości:
szerszy kanał + więcej bitów na symbol + więcej strumieni przestrzennych.
Ta strategia działała bardzo dobrze, ale miała pewne ograniczenie.
Optymalizowała przede wszystkim możliwości szybkiego linku.
Tymczasem środowisko, w którym pracowało Wi-Fi, zaczynało się zmieniać.
Wi-Fi 6: problemem przestał być wolny link, problemem stał się tłum urządzeń
W mieszkaniu przestał znajdować się jeden laptop podłączony do access pointa. Pojawiły się smartfony, telewizory, konsole, kamery, urządzenia IoT, głośniki, tablety i dziesiątki innych klientów.
Jeszcze większym wyzwaniem stały się biura, lotniska, hale, stadiony i budynki wielorodzinne.
I tutaj dochodzimy do bardzo ważnej różnicy pomiędzy 802.11ac a 802.11ax.
Problemem nie było już wyłącznie pytanie:
jak szybko może transmitować jedna stacja?
Coraz ważniejsze stawało się:
jak efektywnie obsłużyć kilkadziesiąt albo kilkaset stacji konkurujących o to samo medium?
IEEE 802.11ax — Wi-Fi 6 — zostało zaprojektowane właśnie z dużym naciskiem na efektywność w gęstych środowiskach. Wśród jego kluczowych mechanizmów znalazły się OFDMA oraz rozwinięte mechanizmy MU-MIMO.
OFDMA jest logicznym rozwinięciem OFDM.
W klasycznym OFDM mamy wiele podnośnych, ale podczas danej transmisji zasób jest zasadniczo wykorzystywany przez jednego użytkownika. OFDMA pozwala podzielić zestaw podnośnych na Resource Units — RU — i przydzielić różne RU różnym urządzeniom.
To fundamentalna różnica.
Wyobraźmy sobie kanał jako autostradę.
OFDM zbudował wiele równoległych pasów ruchu, ale w uproszczeniu jeden samochód dostawał na chwilę całą autostradę.
OFDMA pozwala powiedzieć: ty dostajesz te pasy, ty kolejne, a ty jeszcze inne — i wszyscy możecie przesłać dane w ramach tego samego przedziału czasowego.
Ma to ogromne znaczenie w przypadku urządzeń przesyłających niewielkie porcje danych.
Jeżeli czujnik chce wysłać kilkaset bajtów, przydzielenie mu całego szerokiego kanału może być nieefektywne. Lepiej przydzielić mu niewielki fragment zasobów częstotliwościowych, a pozostałą część wykorzystać dla innych klientów.
To pokazuje, że ewolucja PHY nie polega już wyłącznie na zwiększaniu jego maksymalnej przepustowości.
PHY zaczyna być projektowany w ścisłym związku z problemem zarządzania zasobami.
1024-QAM i Wi-Fi 6E: kiedy potrzebujemy zarówno efektywności, jak i nowego widma
Wi-Fi 6 nadal rozwijało klasyczne mechanizmy zwiększania przepustowości. Jednym z nich było przejście do 1024-QAM.
1024 możliwe stany oznaczają:
log₂(1024) = 10 bitów na symbol
w porównaniu z ośmioma bitami w 256-QAM.
Ponownie zyskujemy efektywność widmową, ale płacimy za nią wyższymi wymaganiami dotyczącymi jakości sygnału.
Jednocześnie pojawił się problem bardziej fundamentalny: nawet najbardziej zaawansowany PHY nie może stworzyć nowego widma radiowego.
Możemy coraz sprawniej wykorzystywać dostępne częstotliwości, ale jeżeli wokół działa kilkadziesiąt innych sieci, wszystkie nadal muszą współdzielić ograniczony zasób.
Dlatego tak istotne było pojawienie się Wi-Fi 6E.
Nie jest to zupełnie nowy PHY będący następcą Wi-Fi 6. To rozszerzenie możliwości 802.11ax na pasmo 6 GHz, tam gdzie lokalne regulacje udostępniły odpowiednie zakresy częstotliwości.
Z inżynierskiego punktu widzenia jest to niezwykle ważna lekcja.
Czasami dalszy rozwój systemu komunikacyjnego wymaga lepszej modulacji, czasami większej liczby anten, a czasami rozwiązaniem jest po prostu uzyskanie dostępu do większego zasobu widmowego.
PHY zawsze pozostaje ograniczony tym, co pozwala mu zrobić fizyka i regulator.
Wi-Fi 7: nie poprawiajmy jednego kanału — wykorzystajmy wszystkie dostępne wymiary
Wraz z IEEE 802.11be dochodzimy do kolejnego etapu.
Wi-Fi 7 zachowuje wiele fundamentów poprzednich generacji, ale znacząco zwiększa skalę systemu. IEEE wskazuje wśród mechanizmów 802.11be m.in. kanały 320 MHz, 4096-QAM, Multi-Link Operation, Multiple Resource Unit Operation oraz rozszerzenia związane z MIMO i soundingiem.
Kanał 320 MHz podwaja maksymalną szerokość względem 160 MHz wykorzystywanego w poprzedniej generacji.
4096-QAM zwiększa liczbę możliwych stanów symbolu do 4096, a więc:
log₂(4096) = 12 bitów na symbol
Jednocześnie tak gęsta konstelacja stawia bardzo wysokie wymagania dotyczące jakości nadajnika i odbiornika. Przy 4096-QAM dokładność amplitudy i fazy staje się krytyczna, dlatego wymagania EVM są znacznie bardziej restrykcyjne niż dla niższych rzędów modulacji.
Ale największa zmiana filozoficzna Wi-Fi 7 nie wynika wcale z 4096-QAM.
Jest nią odejście od założenia, że urządzenie musi myśleć przede wszystkim w kategoriach jednego linku.
Multi-Link Operation pozwala urządzeniom wielolinkowym operować na wielu kanałach w ramach jednego logicznego połączenia. MLO może również pomagać w ograniczaniu opóźnienia poprzez wykorzystanie linku, który w danym momencie pozwala szybciej uzyskać dostęp do medium.
To ogromna zmiana architektoniczna.
W tradycyjnym modelu staramy się znaleźć dobry kanał i wykorzystać go możliwie efektywnie.
W modelu wielolinkowym pytanie brzmi inaczej:
który z dostępnych zasobów powinienem wykorzystać właśnie teraz?
Jeżeli jeden link jest zajęty, być może drugi jest dostępny. Jeżeli jeden oferuje lepszy SNR, można preferować go dla określonego ruchu. Jeżeli potrzebujemy wysokiej przepustowości, możemy odpowiednio wykorzystać wiele zasobów. Jeżeli priorytetem jest latency, możliwość wyboru dostępnego linku może być ważniejsza niż jego maksymalna przepustowość.
PHY zaczyna więc współpracować z MAC znacznie bardziej dynamicznie niż wcześniej.
Od OFDM do EHT: każda generacja dodawała nowy wymiar
Jeżeli spojrzymy teraz na całą ewolucję, pojawia się bardzo interesujący wzorzec.
802.11a odpowiedziało przede wszystkim na problem transmisji szerokopasmowej w środowisku wielodrogowym. OFDM podzielił szeroki kanał na wiele ortogonalnych podnośnych i umożliwił efektywną korekcję skutków kanału.
802.11n zapytało: skoro mamy wiele dróg propagacji, czy możemy wykorzystać je do równoległego przesyłania informacji? Odpowiedzią było MIMO i spatial multiplexing.
802.11ac zwiększyło agresywność wykorzystania zasobów: szersze kanały, wyższy QAM i bardziej rozwinięte MIMO.
802.11ax zauważyło, że w rzeczywistych sieciach problemem nie jest wyłącznie maksymalna przepustowość linku. Problemem jest współdzielenie medium przez dużą liczbę urządzeń. Dlatego OFDMA, Resource Units i rozwinięte mechanizmy wieloużytkownikowe stały się tak istotne.
802.11be idzie jeszcze dalej. Standard łączy 320 MHz, 4096-QAM, MIMO, Multi-RU, puncturing oraz MLO, a więc mechanizmy działające w kilku różnych wymiarach zasobów radiowych.
Można więc przedstawić historię PHY Wi-Fi w znacznie ciekawszy sposób niż przez kolejne liczby przepływności.
Najpierw nauczyliśmy się dzielić częstotliwość.
Potem nauczyliśmy się wykorzystywać przestrzeń.
Następnie zaczęliśmy coraz agresywniej zwiększać ilość informacji w symbolu.
Później nauczyliśmy się precyzyjniej przydzielać zasoby pomiędzy użytkowników w czasie i częstotliwości.
A teraz uczymy się dynamicznie wykorzystywać wiele linków jednocześnie.
PHY nie rozwija się w próżni
Jest jeszcze jeden aspekt tej historii, który łatwo przeoczyć.
Każda nowa możliwość PHY ma swoją cenę w krzemie.
Szerszy kanał oznacza, że tor analogowy i przetworniki muszą obsłużyć większe pasmo. ADC musi dostarczyć próbki z odpowiednią szybkością, a cyfrowy baseband musi je przetworzyć.
Większa liczba podnośnych oznacza większe wymagania dotyczące operacji FFT/IFFT.
Wyższy QAM oznacza bardziej restrykcyjne wymagania EVM, a więc presję na jakość PA, LO, ADC, DAC i całego toru RF.
Więcej strumieni MIMO oznacza więcej torów radiowych i znacznie więcej operacji macierzowych potrzebnych do estymacji kanału, precodingu i detekcji.
OFDMA wymaga dokładnego zarządzania Resource Units.
MLO wymaga natomiast koordynowania wielu linków, ich stanów, kolejek i transmisji.
Dlatego ewolucji Wi-Fi nie można analizować wyłącznie poprzez standard.
Każda kolejna generacja jest również historią rozwoju półprzewodników.
Gdybyśmy próbowali zrealizować współczesny PHY Wi-Fi 7 w technologii półprzewodnikowej dostępnej w czasach 802.11a, problemem nie byłaby wyłącznie wielkość układu. Mielibyśmy ogromne trudności z poborem mocy, przepustowością pamięci, szybkością przetwarzania DSP, konwersją analogowo-cyfrową i integracją wielu torów RF.
Postęp standardów komunikacyjnych jest więc możliwy dlatego, że równolegle rozwijają się algorytmy, architektury cyfrowe, procesy technologiczne, RF CMOS, pamięci i przetworniki danych.
Dlaczego nie istnieje jedna technologia, która „robi Wi-Fi 7”
To chyba najważniejszy wniosek z historii od 802.11a do 802.11be.
Nie istnieje jeden wynalazek odpowiedzialny za ogromny wzrost możliwości Wi-Fi.
OFDM nie wystarczył.
MIMO nie wystarczyło.
Szersze kanały nie wystarczyły.
256-QAM, 1024-QAM i 4096-QAM również nie wystarczyły.
OFDMA nie zastąpiło MIMO, podobnie jak MLO nie zastępuje OFDMA.
Każda z tych technologii atakuje inną granicę systemu.
OFDM pomaga radzić sobie z kanałem selektywnym częstotliwościowo i propagacją wielodrogową.
MIMO wykorzystuje przestrzenny charakter kanału.
QAM zwiększa liczbę bitów możliwych do zakodowania w symbolu.
Poszerzanie kanału zwiększa ilość dostępnego zasobu częstotliwościowego.
OFDMA pozwala bardziej granularnie dzielić ten zasób pomiędzy użytkowników.
Multi-RU zwiększa elastyczność jego przydziału.
Puncturing pozwala wykorzystać szeroki kanał nawet wtedy, gdy część jego widma musi zostać pominięta.
MLO rozszerza wreszcie tę filozofię poza pojedynczy link.
To dlatego kolejne generacje Wi-Fi zmieniały coś innego.
Projektanci za każdym razem dochodzili do miejsca, w którym dalsze skalowanie poprzedniego rozwiązania dawało coraz mniejsze korzyści albo wymagało nieproporcjonalnie dużego kosztu energetycznego, sprzętowego lub widmowego.
Wtedy trzeba było znaleźć kolejny wymiar, który można wykorzystać.
Historia PHY Wi-Fi jest więc w dużej mierze historią uciekania przed ograniczeniami fizycznymi poprzez coraz inteligentniejsze reprezentowanie i wykorzystywanie kanału radiowego.
I właśnie dlatego następnym logicznym krokiem w naszej serii będzie przyjrzenie się mechanizmowi, który na pierwszy rzut oka wydaje się najprostszym sposobem zwiększenia przepustowości: modulacji.
Skoro w 64-QAM możemy zakodować sześć bitów na symbol, w 256-QAM osiem, w 1024-QAM dziesięć, a w 4096-QAM aż dwanaście, pojawia się oczywiste pytanie:
dlaczego nie stworzyć 16384-QAM, 65536-QAM albo jeszcze większej konstelacji i nie zwiększać przepustowości w nieskończoność?
Odpowiedź prowadzi bezpośrednio do szumu termicznego, SNR, EVM, liniowości wzmacniacza mocy i jednej z najważniejszych granic fizycznych współczesnego Wi-Fi.