Wi-Fi 5 (802.11ac): bardzo wysoka przepływność w paśmie 5 GHz

Wi-Fi 5 i bardzo wysoka przepływność

IEEE opublikowało 802.11ac w 2013 roku jako poprawkę przeznaczoną do pracy Very High Throughput poniżej 6 GHz. Celem było zwiększenie przepływności podstawowego zbioru usług BSS oraz obsługa wielu strumieni multimedialnych i danych. Wi-Fi 4 (802.11n) wprowadził już MIMO i konfigurację PHY 600 Mbps, lecz 802.11ac rozszerzył szerokość kanału oraz modulację.

Wi-Fi 5 (802.11ac) wykorzystuje pasmo 5 GHz i definiuje kanały 20, 40, 80 oraz opcjonalne 160 MHz lub 80+80 MHz. Przy ośmiu strumieniach przestrzennych, szerokości 160 MHz, MCS 9 i krótkim odstępie ochronnym maksymalna szybkość PHY wynosi 6,933 Gbps. Wartość opisuje warstwę fizyczną. Przepływność aplikacyjna jest niższa przez narzut protokołu i współdzielenie medium.

Szybkość PHY zależy od szerokości kanału, schematu modulacji i kodowania, liczby strumieni przestrzennych oraz odstępu ochronnego. Jawny beamforming może poprawić jakość łącza, a opcjonalny MU-MIMO w dół łącza może obsłużyć kilka stacji w jednej zaplanowanej transmisji. Dostęp do medium, narzut sondowania, retransmisje i warunki radiowe ograniczają dane dostarczone aplikacji.

802.11ac zwiększył więc pojemność bezprzewodowej sieci WLAN dla kompatybilnych urządzeń. Ruch aplikacyjny może zbliżyć się do przepływności gigabitowego Ethernetu tylko wtedy, gdy punkt dostępowy, klient, szerokość kanału, MCS, poziom sygnału i przewodowy backhaul obsługują taką szybkość.

Praca w paśmie 5 GHz

Jedną z cech 802.11ac była praca w paśmie częstotliwości 5 GHz. PHY 802.11ac nie definiuje trybu 2,4 GHz. Punkt dostępowy może jednak udostępniać 2,4 GHz przez 802.11n albo starsze warstwy PHY używane przez osobny tor radiowy.

Wybór pasma 5 GHz wynikał z czterech ograniczeń projektowych i wdrożeniowych.

• Dostępność spektrum: Regiony regulacyjne udostępniają różne bloki kanałów 5 GHz, a tryby 80 MHz i 160 MHz wymagają wystarczającego pasma ciągłego albo nieciągłego
• Zakłócenia: Wiele kuchenek mikrofalowych, urządzeń Bluetooth i ZigBee pracuje w paśmie 2,4 GHz, natomiast w paśmie 5 GHz nadal występują inne sieci WLAN, radary i systemy chronione lokalnymi przepisami
• Regulacje: Dozwolone kanały, moc nadawania, Dynamic Frequency Selection i Transmit Power Control zależą od kraju oraz zakresu kanału
• Wybór wdrożenia: Pasmo 2,4 GHz pozostaje przydatne dla starszych klientów i większego zasięgu, dlatego wiele punktów dostępowych używa dwóch torów radiowych

Skutkiem jest mniejszy zasięg przy tej samej antenie i mocy oraz większe tłumienie przez wiele ścian niż w paśmie 2,4 GHz. Rzeczywisty rozmiar komórki zależy też od materiałów budowlanych, rozmieszczenia anten, limitów regulacyjnych i odbiornika klienta.

Ograniczenie PHY 802.11ac do 5 GHz ustaliło plan kanałów VHT, lecz kompletna sieć WLAN nadal mogła łączyć 5 GHz z 802.11ac oraz 2,4 GHz z 802.11n, 802.11g lub 802.11b.

Szerokości kanałów od 20 MHz do 160 MHz

Podczas gdy 802.11n wprowadził opcjonalną pracę z kanałem 40 MHz, 802.11ac rozszerzył łączenie kanałów do szerokości VHT 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz i 160 MHz. Kanał 160 MHz zajmuje nominalnie cztery razy większe pasmo niż kanał 40 MHz, więc może przenosić więcej podnośnych przy wolnym paśmie i zgodności urządzeń.

Wybrana szerokość określa kompromis między pojemnością, współistnieniem i dostępnością kanałów.

• 20 MHz: Praca zgodna ze starszymi urządzeniami i mniejsze zajęte pasmo w gęstych wdrożeniach
• 40 MHz: Dwa kanały 20 MHz ze średnim wzrostem szybkości PHY
• 80 MHz: Często używana szerokość VHT w urządzeniach 802.11ac, zależna od regionalnej dostępności kanałów
• 160 MHz: Najszerszy tryb ciągły, wymagający planowania i często Dynamic Frequency Selection w wybranym zakresie 5 GHz

Tryb 160 MHz miał dwie postacie. Ciągły kanał 160 MHz korzystał z jednego sąsiedniego bloku, a dwa nieciągłe kanały 80+80 MHz korzystały z oddzielnych bloków opisanych przez plan kanałów. Druga postać pomagała w miejscu, w którym jeden wolny blok 160 MHz nie był dostępny.

256-QAM i modulacja adaptacyjna

802.11ac dodał do PHY VHT modulację 256-QAM. Osiem kodowanych bitów na symbol zamiast sześciu bitów 64-QAM daje wzrost o 33% liczby bitów na symbol przed uwzględnieniem kodowania i narzutu protokołów.

Kolejne schematy modulacji stosowane w PHY Wi-Fi pokazują dostępne rozmiary symbolu.

• BPSK: 1 bit na symbol w trybach o małej szybkości
• QPSK: 2 bity na symbol w trybach 802.11a, 802.11g i 802.11n
• 16-QAM: 4 bity na symbol w trybach 802.11a, 802.11g i 802.11n
• 64-QAM: 6 bitów na symbol w trybach 802.11a, 802.11g i 802.11n
• 256-QAM: 8 bitów na symbol w PHY VHT standardu 802.11ac

Gęstsza konstelacja 256-QAM wymaga większego stosunku sygnału do szumu i czystszego kanału. Klient osiąga ten MCS tylko przy odpowiednim poziomie sygnału, zakłóceniach, szerokości kanału i zapasie implementacji odbiornika.

802.11ac definiuje wartości adaptacyjnej modulacji i kodowania. Implementacja może zmieniać MCS wraz ze zmianą kanału, zamieniając szybkość PHY na mniejszą liczbę błędów przy pogorszeniu sygnału.

Downlink MU-MIMO

W 802.11n MIMO służyło do przesyłania kilku strumieni do jednej stacji. 802.11ac rozszerzył ten model o Multi-User MIMO (MU-MIMO). Punkt dostępowy mógł kierować różne strumienie przestrzenne do kilku klientów zamiast obsługiwać każdego w oddzielnej transmisji jednoużytkownikowej.

Model MU-MIMO w dół łącza 802.11ac obsługuje do 4 jednoczesnych użytkowników w jednej grupie. Limit opisuje model transmisji i nie oznacza czterokrotnego wzrostu całkowitej przepływności sieci. O zmierzonym zysku decydują harmonogram, kolejki, ranga kanału, anteny klientów i narzut sondowania.

Praca MU-MIMO wymaga kilku skoordynowanych funkcji.

• Informacja o stanie kanału: Punkt dostępowy szacuje kanał do każdego klienta na podstawie sondowania i sprzężenia zwrotnego
• Algorytmy prekodowania: Obliczenia macierzowe rozdzielają przeznaczone dla klientów strumienie przestrzenne
• Rozdzielenie klientów: Kanały muszą zapewnić wystarczającą różnicę przestrzenną do rozdzielenia strumieni przez odbiornik

Wczesne urządzenia MU-MIMO często dawały umiarkowane zyski przy mieszanym ruchu, ponieważ ograniczały je klienci, korelacja kanałów, sondowanie i planowanie czasu antenowego. Ustandaryzowana procedura stała się podstawą późniejszych trybów wieloużytkownikowych.

Typowe profile Wave 1 i Wave 2 standardu 802.11ac

Wave 1 i Wave 2 były nazwami grup produktów. IEEE traktuje 802.11ac jako jedną poprawkę. Produkty Wave 1 pojawiły się około 2013 roku z kanałami 80 MHz, natomiast produkty Wave 2 około 2015 roku dodawały między innymi kanały 160 MHz, MU-MIMO w dół łącza i większą liczbę strumieni przestrzennych.

Dwa ostatnie wiersze podają przykładowe zakresy przepływności aplikacyjnej w korzystnych warunkach testowych i nie są wymaganiami IEEE. Wynik zmienia się wraz z szerokością kanału, MCS, odstępem ochronnym, zajętością medium, rozmiarem pakietu oraz przewodową ścieżką za punktem dostępowym.

Wave 1 skupiał się na PHY VHT standardu 802.11ac, pracy w paśmie 5 GHz, kanałach 80 MHz i modulacji 256-QAM. Typowa konfiguracja 3×3 osiągała 1,3 Gbps PHY przy maksymalnym kanale 80 MHz.

Wave 2 dodawał w produktach obsługę kanałów 160 MHz, MU-MIMO w dół łącza i często cztery strumienie przestrzenne, a w AP wysokiej klasy pojawiały się profile 8×8. Konfiguracja 4×4, 160 MHz, MCS 9 i krótkiego odstępu ochronnego osiąga około 3,467 Gbps PHY. Wartość 6,933 Gbps dotyczy maksymalnej konfiguracji PHY 8×8 z kanałem 160 MHz w standardzie, a większość klientów używała mniejszej liczby strumieni przestrzennych.

Klient 1×1 albo 2×2 wykorzystywał więc tylko część maksymalnych możliwości punktu dostępowego. Zakresy w tabeli służą do porównań, a szybkość standardu pozostaje odrębna od przepływności zmierzonej w aplikacji.

Jawny beamforming

802.11n zawierał opcjonalne sposoby kształtowania wiązki. 802.11ac ustandaryzował procedury jawnego beamformingu dla PHY VHT. Zdefiniowany format sprzężenia zwrotnego poprawił współpracę punktu dostępowego i klienta obsługujących tę samą procedurę.

Wymiana związana z jawnym beamformingiem przebiega w mierzalnej sekwencji.

• Sondowanie kanału: Punkt dostępowy wysyła ramki sondowania, aby klient zmierzył kanał
• Raport sprzężenia: Klient kwantuje informację o kanale i odsyła raport
• Obliczenie beamformingu: Punkt dostępowy wyznacza wagi anten dla klienta i szerokości pasma
• Transmisja kierunkowa: Dane używają wyznaczonych wag w wybranej transmisji

Beamforming może zmienić poziom sygnału odebranego przez klienta oraz zakłócenia odbierane przez inne urządzenie, lecz standard nie gwarantuje stałego zysku 5-10 dB ani określonego mnożnika zasięgu. Wynik zależy od estymacji kanału, geometrii anten, polaryzacji, ruchu klienta i pola zakłóceń.

Procedura jawnego sprzężenia zwrotnego w 802.11ac stała się podstawą późniejszych implementacji beamformingu i wieloużytkownikowego MIMO, a kolejne warstwy PHY dodawały własne pola możliwości i szczegóły sondowania.

Zastosowania i infrastruktura sieciowa

Wprowadzenie 802.11ac zbiegło się z szerszym udostępnieniem wideo 4K, oprogramowania w chmurze i urządzeń mobilnych używanych jako główne platformy obliczeniowe. Większe szybkości PHY ułatwiały obsługę tych obciążeń w lokalnej sieci WLAN, gdy łącze radiowe i przewodowy backhaul miały odpowiednią pojemność.

PHY klasy gigabitowej obsługiwał kilka zastosowań przy odpowiednim kanale i ruchu.

• Strumieniowanie wideo 4K: Wiele strumieni mogło współdzielić WLAN, gdy szybkość każdego kodeka mieściła się w dostępnej przepływności aplikacyjnej
• Wirtualna infrastruktura pulpitów: Ruch zdalnych pulpitów mógł korzystać z szybkiego łącza bezprzewodowego przy kontrolowanym opóźnieniu i poziomie strat
• Bezprzewodowe dokowanie: Laptop mógł łączyć się z urządzeniami sieciowymi bez lokalnego kabla, z ograniczeniami toru radiowego i implementacji USB
• Profesjonalne audio i wideo: Bezprzewodowy przepływ pracy mógł działać, gdy mieścił się w budżecie opóźnienia i strat
• Korporacyjne BYOD: Punkt dostępowy mógł planować obsługę większej liczby klientów o dużej przepływności przy wspólnym planowaniu czasu antenowego, ponownego użycia kanałów i backhaulu

W tym samym okresie część dostawców Internetu oferowała gigabitowy dostęp dla gospodarstw domowych. Router 802.11ac mógł wykorzystać część tej usługi przy zgodnym kliencie, odpowiednim kanale 5 GHz i przewodowym backhaulu o przepływności dopasowanej do obciążenia. Sieci przedsiębiorstw musiały także dobrać łącza przełączników i zagęszczenie punktów dostępowych do liczby aktywnych klientów.

Przy małej odległości i małym poziomie rywalizacji 802.11ac mogło zbliżyć się szybkością do gigabitowego łącza przewodowego. Ethernet nadal zapewniał wydzielone medium, przewidywalne opóźnienie, możliwość zasilania oraz stabilny backhaul punktu dostępowego.

802.11ac w kolejnych generacjach Wi-Fi

Wi-Fi 5 (802.11ac) ustanowił projekt PHY VHT oparty na kanałach 5 GHz, większej szerokości pasma, modulacji wyższego rzędu, strumieniach przestrzennych, jawnym beamformingu i transmisji wieloużytkownikowej w dół łącza. Późniejsze poprawki rozwijały te mechanizmy i dodawały funkcje planowania MAC.

Do kolejnych prac przeszły następujące elementy.

• Praca w paśmie 5 GHz: Dalsze użycie szerokich kanałów tam, gdzie regionalny przydział zapewnia odpowiednie spektrum
• Planowanie szerokich kanałów: Dalsze łączenie kanałów z silniejszymi wymaganiami współistnienia i planowania
• MU-MIMO: Rozszerzenie na kolejne kierunki transmisji i dokładniejsze procedury wieloużytkownikowe
• Jawny beamforming: Ponowne użycie sondowania i sprzężenia zwrotnego z polami właściwymi dla kolejnych PHY
• Modulacja wyższego rzędu: Zachowanie 256-QAM tam, gdzie stosunek sygnału do szumu pozwala użyć danego MCS

Urządzenia 802.11ac nadal działają w sieciach mieszanych po wprowadzeniu Wi-Fi 6. Ich zmierzona wydajność zależy od konfiguracji MIMO klienta, MCS, szerokości kanału, trybu ochrony, rywalizacji i przewodowego backhaulu.

Wkładem 802.11ac był standaryzowany PHY VHT łączący pracę w paśmie 5 GHz, kanały do 160 MHz, 256-QAM, do 8 strumieni przestrzennych, beamforming i MU-MIMO w dół łącza. Maksymalna szybkość PHY 6,933 Gbps opisuje jedną konfigurację. Przepływność aplikacyjna pozostaje cechą całego łącza radiowego i współdzielonego medium.