Wi-Fi 6 i działanie sieci WLAN o wysokiej efektywności
Przez lata rozwój Wi-Fi koncentrował się na wyższych prędkościach szczytowych. Każdy nowy standard obiecywał szybsze pobieranie i płynniejsze strumieniowanie dla jednego urządzenia w idealnych warunkach. Domowa sieć często łączy więcej niż jeden komputer. Wiele podłączonych urządzeń współdzieli czas antenowy, w tym laptopy, smartfony, telewizory smart TV strumieniujące filmy 4K, konsole do gier, inteligentne głośniki, kamery bezpieczeństwa, inteligentne termostaty i inne gadżety Internetu Rzeczy (IoT). Przestrzenie publiczne, takie jak lotniska, kawiarnie i stadiony, mogą mieć setki lub tysiące użytkowników konkurujących o te same zasoby sieciowe. Projekt 802.11ax uwzględnia więc efektywność zbiorczą i obsługę pojedynczego użytkownika w gęstych wdrożeniach WLAN. Uzgodniona szybkość PHY nadal zależy od szerokości kanału, strumieni przestrzennych, modulacji, odstępu ochronnego, jakości sygnału i domeny regulacyjnej.
W tych gęstych, intensywnie użytkowanych środowiskach surowa prędkość połączenia jest ważna wraz ze zdolnością sieci do obsługi równoczesnych żądań. Poprzedni standard, Wi-Fi 5 (802.11ac), używał transmisji OFDM, w których bez MU-MIMO cały kanał podczas jednej okazji transmisji przypadał jednemu klientowi. Było to podobne do szybkiej usługi kurierskiej z jedną ciężarówką: mogła dostarczyć jedną dużą paczkę bardzo szybko, ale przy wielu małych zamówieniach musiała wykonywać osobny kurs dla każdego z nich, co prowadziło do korków i opóźnień. Przy małym pakiecie klienta część czasu antenowego mogła pozostać niewykorzystana. Inżynierowie z zdefiniowali standard 802.11ax, obecnie znany jako Wi-Fi 6, jako poprawkę zmieniającą warstwę MAC i PHY dla efektywnej pracy w zakresie od 1 do 7,125 GHz. Jego mechanizmy stawiają na wysoką efektywność w gęstych wdrożeniach WLAN.
OFDMA i jednostki zasobów
Jednym z głównych mechanizmów Wi-Fi 6 jest . Aby zrozumieć OFDMA, trzeba przypomnieć poprzednika, czyli OFDM używany w starszych generacjach Wi-Fi. OFDM dzieli szeroki kanał radiowy na wiele mniejszych podnośnych, umożliwiając równoległą transmisję danych. W OFDM cały kanał jest jednak przydzielany jednemu klientowi podczas okazji transmisji.
OFDMA rozszerza tę koncepcję o komponent "wielodostępu". Punkt dostępowy dzieli kanał Wi-Fi na mniejsze wycinki, zwane jednostkami zasobów (Resource Units, RU). Punkt dostępowy może przypisać różne RU różnym urządzeniom klienckim i przesłać ich dane w tym samym oknie transmisyjnym. W dół punkt dostępowy przydziela RU bezpośrednio. Dla OFDMA w górę wysyła ramkę wyzwalającą, która wskazuje wybranym stacjom RU i parametry transmisji. Stacja nadal potrzebuje zgodnego radia 802.11ax i zaplanowanej okazji transmisji. Jednostka zasobów zawiera określoną grupę podnośnych. Małe RU pasują do krótkich pakietów sterujących lub pomiarowych, a większe RU przenoszą więcej danych laptopa albo strumienia wideo. Harmonogram może łączyć różne rozmiary RU w jednym kanale, lecz dokładny przydział zależy od szerokości kanału, odstępu ochronnego, modulacji i liczby oczekujących stacji.
To ilustruje analogia z ciężarówką dostawczą. OFDM z Wi-Fi 5 to była duża, szybka ciężarówka. Jeśli musiała dostarczyć małą paczkę (jak smartfon sprawdzający powiadomienia), wciąż musiała odbyć całą podróż z prawie pustą przestrzenią ładunkową, marnując czas i paliwo. Pozostałe dostawy musiały czekać na zakończenie tej okazji transmisji. OFDMA w Wi-Fi 6 zmienia ten proces. Router może teraz załadować ciężarówkę paczkami dla wielu miejsc docelowych (klientów) naraz. Jedna część przestrzeni ładunkowej zawiera małą paczkę dla inteligentnej żarówki, inna średnią paczkę dla laptopa pobierającego e-maile, a największa część dużą paczkę dla telewizora strumieniującego film. Ciężarówka wykonuje jeden kurs, obsługując wszystkie dostawy w tej samej okazji transmisji.
Ta zdolność jest użyteczna dla aplikacji o niskiej przepustowości, takich jak urządzenia IoT czy komunikatory, które wysyłają bardzo małe pakiety danych. Zamiast rezerwować cały kanał dla jednej drobnej transmisji, punkt dostępowy może zaplanować kilka takich transmisji w jednej skoordynowanej jednostce OFDMA. Rezultatem może być mniejsze opóźnienie dostępu do medium i lepsze wykorzystanie czasu antenowego, zwłaszcza gdy aktywnych jest wiele urządzeń. oznacza tu czas oczekiwania na obsługę transmisji.
MU-MIMO dla wielu użytkowników
Wi-Fi 6 rozszerza również inną technologię dla środowisk wielourządzeniowych: . Wi-Fi 5 wprowadziło MU-MIMO w kierunku pobierania danych, lecz jego użycie zależało od możliwości punktu dostępowego i klientów.
MU-MIMO wykorzystuje wiele anten do tworzenia niezależnych strumieni przestrzennych, co pozwala routerowi wysyłać dane do wielu urządzeń w tej samej transmisji. Przypomina to gospodarza na przyjęciu, który może prowadzić kilka oddzielnych rozmów z różnymi gośćmi jednocześnie, zamiast zwracać się do każdej osoby po kolei. Wi-Fi 5 wprowadziło tę funkcję dla pobierania danych (downlink), a przykłady certyfikacyjne i produktowe często obejmowały do czterech klientów. Strumienie przestrzenne są osobnymi drogami radiowymi, dlatego ich liczba nie oznacza liczby skojarzonych stacji ani przepływów aplikacyjnych.
Wi-Fi 6 dodaje do tego dwa mechanizmy:
- Uplink MU-MIMO: Wi-Fi 6 obsługuje MU-MIMO w obu kierunkach. Wiele urządzeń klienckich może przesyłać dane do routera w zaplanowanej wymianie uplink. Jest to przydatne dla aplikacji z dużą ilością wysyłanych danych, takich jak wideokonferencje, kopie zapasowe w chmurze i transmisje wideo na żywo na platformy takie jak YouTube czy Twitch.
- Więcej strumieni: 802.11ax definiuje do ośmiu strumieni przestrzennych w grupie MU-MIMO, w porównaniu z przykładem czterech klientów pobierających dane kojarzonym z Wi-Fi 5. Strumienie są dzielone między zaplanowanych użytkowników, dlatego liczba równoczesnych urządzeń zależy od anten, klientów i konfiguracji punktu dostępowego.
OFDMA i MU-MIMO odpowiadają na różne wzorce ruchu w zatłoczonych miejscach. OFDMA obsługuje wiele małych pakietów przez jednostki zasobów, a MU-MIMO wykorzystuje osobne strumienie przestrzenne dla przepływów o dużej przepustowości. Punkt dostępowy wybiera mechanizm obsługiwany przez bieżące urządzenia i ruch. Oba mechanizmy mogą działać w tej samej sieci, lecz nie dają identycznego wyniku każdej stacji. Klient musi obsługiwać daną funkcję 802.11ax, a punkt dostępowy nadal dzieli czas antenowy między transmisje zaplanowane, rywalizację, ramki zarządzające i retransmisje.
1024-QAM i szybkość PHY
Wi-Fi 6 zwiększa również teoretyczną szybkość pojedynczego klienta przez schemat modulacji 1024-QAM.
to metoda kodowania danych w fali radiowej poprzez zmianę zarówno jej amplitudy, jak i fazy. Te różne stany można zwizualizować na diagramie konstelacji, gdzie każdy punkt reprezentuje unikalną sekwencję bitów. Wi-Fi 5 używało 256-QAM, które ma konstelację 256 punktów (), co pozwala na zakodowanie 8 bitów danych na symbol.
Wi-Fi 6 idzie o krok dalej z 1024-QAM. Jego konstelacja ma 1024 odrębne punkty , co umożliwia zakodowanie 10 bitów danych na symbol. Reprezentuje to wzrost ilości danych, które można upakować w każdej transmisji w porównaniu z Wi-Fi 5. Najwyższa zdefiniowana konfiguracja 802.11ax ma teoretyczną szybkość warstwy PHY Gb/s, która nie jest gwarantowaną przepływnością aplikacji. Punkty na diagramie konstelacji 1024-QAM są bliżej siebie, więc sygnał jest bardziej podatny na szumy i zakłócenia. Punkt dostępowy i klient wybierają wartość MCS zgodną z pomierzonym kanałem, zamiast wymuszać najwyższą wartość. Wyższe wartości MCS wymagają silnego sygnału i odpowiednich warunków kanału. Na większych odległościach lub w zaszumionych środowiskach urządzenia wracają do wolniejszych schematów modulacji, takich jak 256-QAM lub 64-QAM. Wartość 25 procent porównuje liczbę bitów na symbol przy takim samym czasie symbolu. Nie obejmuje nagłówków protokołów, potwierdzeń, rywalizacji, retransmisji, narzutu szyfrowania ani ruchu innych stacji. Produkt z radiem 160 MHz i ośmioma strumieniami przestrzennymi może reklamować znacznie wyższą szybkość PHY niż klient dwustrumieniowy pracujący w kanale 20 MHz.
Target Wake Time (TWT)
Urządzenia zasilane bateryjnie, od smartfonów po małe czujniki IoT, zużywają energię podczas rywalizacji o czas antenowy. Wi-Fi 6 wprowadza mechanizm Target Wake Time (TWT). We wcześniejszych mechanizmach oszczędzania energii klient musiał okresowo wybudzać radio, aby odbierać sygnały o oczekujących danych, co zwiększało zużycie energii.
TWT pozwala punktowi dostępowemu negocjować harmonogram z każdym urządzeniem klienckim, określając moment wybudzenia w celu wysłania lub odebrania danych oraz czas aktywności. Harmonogram może być indywidualny albo współdzielony przez grupę, zależnie od obsługiwanej operacji TWT. Pomiędzy zaplanowanymi "czasami wybudzenia" urządzenie może przejść w stan uśpienia i wyłączyć radio. Jest to przydatne dla urządzeń IoT, takich jak inteligentne czujniki czy zamki do drzwi, które rzadko przesyłają niewielkie ilości danych. Urządzenie budzące się wcześniej setki razy na minutę może zostać skonfigurowane tak, aby budziło się raz na kilka minut lub godzin, lecz żywotność baterii od dni do lat zależy od radia, baterii, ruchu i harmonogramu. W przypadku smartfonów i laptopów mechanizm może ograniczyć aktywność radia w okresach bezczynności. TWT koordynuje aktywność radia z oczekiwanym ruchem. Nie wymusza uśpienia klienta, gdy potrzebna jest pilna wymiana, i nie usuwa energii pobieranej przez procesor, ekran, szyfrowanie ani punkt dostępowy. Wynik dla baterii zależy więc od całej konstrukcji urządzenia i wynegocjowanego harmonogramu.
Kolorowanie BSS i ponowne wykorzystanie przestrzenne
Kolejnym mechanizmem 802.11ax dla gęstych wdrożeń jest kolorowanie BSS (BSS Coloring). Rozwiązuje ono część problemu zakłóceń współkanałowych. W zatłoczonym miejscu, takim jak blok mieszkalny, router może słyszeć ruch z routera sąsiada działającego na tym samym kanale. W starszych standardach Wi-Fi, gdy radio wykryło ruch 802.11 na swoim kanale, procedura "słuchaj, zanim zaczniesz mówić" (CSMA/CA) nakazywała odroczenie transmisji, nawet gdy sygnał sąsiada był słaby i odległy. Mogło to zwiększać opóźnienie i ograniczać ponowne wykorzystanie czasu antenowego.
Kolorowanie BSS pozwala stacji odróżnić własny BSS od nakładającego się BSS dzięki małemu identyfikatorowi w transmisji HE. Gdy urządzenie Wi-Fi 6 słyszy ramkę z innym kolorem, może porównać jej moc z ustawionym progiem OBSS Packet Detect. Próg opisuje obsługę odebranej mocy w procesie współistnienia, a uprawnienie sąsiada do użycia kanału wynika z domeny regulacyjnej. Jeśli sygnał nakładającej się sieci jest poniżej dopuszczalnego progu, ponowne wykorzystanie przestrzenne może dopuścić transmisję z zachowaniem ograniczeń mocy i zasad ochrony przed zakłóceniami. Mechanizm poprawia wykorzystanie kanału w części gęstych wdrożeń, lecz nie usuwa kolizji ani nie gwarantuje wyższej przepływności aplikacji. Stacje nadal wykonują nasłuch kanału i stosują zasady pracy punktu dostępowego. Słaba ramka sąsiedniej sieci może być traktowana inaczej niż ramka z tym samym kolorem BSS, lecz sam kolor nie ujawnia tożsamości sąsiada, właściciela ani jakości jego usługi.
Miejsce Wi-Fi 6 w kolejnych generacjach
Wi-Fi 6 pozostaje nazwą generacji opartej na IEEE 802.11ax. Wi-Fi 6E rozszerza te same mechanizmy na pasmo 6 GHz, natomiast Wi-Fi 7 wykorzystuje nowszą poprawkę IEEE 802.11be. Określenie urządzenia jako Wi-Fi 6 nie oznacza zatem najnowszej dostępnej generacji.