Беспроводные локальные сети обеспечивают доступ к интернету для многих пользователей в домах, офисах, на производствах и в общественных местах. На самом деле скорость роста использования беспроводных технологий настолько высока, что то, что было международным стандартом для беспроводных сетей, IEEE 802.11ac, выпущенным в 2014 году, больше не может идти в ногу со временем. В настоящее время он заменяется новой версией стандарта IEEE 802.11ax. Другими словами, IEEE 802.11ac — это Wi-Fi 5, а IEEE 802.11ax — это Wi-Fi 6. Стандарты совместимы, но также различаются во многих отношениях, с довольно приличным количеством различий, чтобы объединить для значительного улучшения пропускной способности и эффективности беспроводной сети для всех пользователей, даже в людных местах.
Wi-Fi 6 улучшает производительность Wi-Fi 5, заимствуя полезные технологии сотовой радиосвязи 4G Long Term Evolution (LTE), в надежде, что Wi-Fi 6 обеспечит увеличенную пропускную способность, необходимую для растущего числа взаимосвязанных беспроводных сетей и различных устройств, которые эту сеть используют. Они варьируются от датчиков интернет вещей (IoT) и более умных беспроводных телефонов 5G до даже подключенных автомобилей.
В дополнение к работе в узкой полосе пропускания канала на частоте 2,4 ГГц вместе со спектром до 5 ГГц, уже занятым Wi-Fi 5, возможно, самое большое различие между двумя стандартами Wi-Fi заключается в использовании ортогонального множественного доступа с частотным разделением каналов (OFDMA) в Wi-Fi 6 по сравнению с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM) в Wi-Fi 5. OFDMA — это, по сути, многопользовательская версия OFDM, позволяющая увеличить пропускную способность точки доступа (AP) Wi-Fi 6 по сравнению с точкой доступа Wi-Fi 5.
В обоих форматах мультиплексирования широкополосной беспроводной несущий сигнал с высокой скоростью передачи данных делится на большой набор узкополосных поднесущих с гораздо более низкой скоростью передачи данных и затем передается. Чтобы избежать помех между поднесущими сигналами, они ортогональны друг другу. Данные делятся между всеми поднесущими, в результате чего, если какой-либо из поднесущих сигналов ухудшается или искажается из-за помех, данные могут быть восстановлены с помощью методов исправления ошибок. В приемнике поднесущие с их упаковкой данных объединяются для восстановления начального сигнала (до начала высокоскоростной передачи и ее полных данных).
Используя ортогональные поднесущие с низкой скоростью передачи, а не одну несущую с высокой скоростью передачи данных, передатчики могут минимизировать эффекты замирания сигнала, многолучевого искажения и помех от других сигналов в том же или близком частотном спектре. Низкие скорости передачи данных поднесущих уменьшают эффекты межсимвольных помех (ISI), которые обычно более выражены при более высоких скоростях передачи.
Один из недостатоков OFDM состоит в том, что один пользователь занимает каждую несущую со всеми своими поднесущими одновременно. Множество пользователей возможно с помощью статических схем множественного доступа, таких как наличие разных времен передачи для каждой несущей / поднесущей для каждого пользователя в схеме с множественным доступом с временным разделением (TDMA) или множественный доступ с разделением каналов по частоте (FDMA). Однако эти методы не эффективны при использовании времени и / или частоты.
Чтобы разработать более эффективную версию Wi-Fi 5, наличие многопользовательских точек доступа было важным фактором для Wi-Fi 6 — в OFDMA один пользователь не занимает все поднесущие одновременно. Для повышения эффективности поднесущие сами делятся между несколькими пользователями. Несколько пользователей могут получить доступ к назначенным им поднесущим посредством TDMA или FDMA или обоих методов одновременно. Точка доступа используют сегменты частоты и времени, известные как ресурсные единицы (RU), для управления несколькими пользователями одновременно. Поскольку поднесущие подразделяются таким образом, временная синхронизация множества пользователей Wi-Fi 6 для одной точки доступа является критической по сравнению с Wi-Fi 5, что увеличивает сложность передатчиков, приемников и точек доступа.
Главное время
Поскольку несколько пользователей будут подключаться к точке доступа Wi-Fi 6 одновременно, синхронизация между разными пользователями должна быть точной, чтобы минимизировать помехи между поднесущими. Для достижения максимальной пропускной способности беспроводных сетей Wi-Fi 6 необходимо минимизировать помехи между пользователями, одновременно подключенными к точке доступа.
Синхронизация нескольких пользователей достигается с помощью триггерного кадра, транслируемого точкой доступа. Кадр запуска содержит информацию о том, когда разные пользователи и устройства могут передавать данные и какие поднаборы RU поднесущих OFDMA использовать. Точная синхронизация, необходимая для разных пользователей и в каждой точке доступа, подчеркивает важность генераторов опорных тактовых импульсов в Wi-Fi 6 — они должны иметь чрезвычайно низкий фазовый шум и низкий джиттер с отличной долговременной стабильностью частоты.
Для сред с препятствиями или источниками помех использование разных поднесущих для каждого пользователя может быть запрограммировано по местоположению, чтобы избежать потери данных из-за многолучевого распространения или затухания. В отличие от OFDM, в котором все поднесущие передаются с одинаковым уровнем мощности, поднесущие в ODFMA могут транслироваться с разными уровнями мощности. Это дополнительное оружие против затухания, которое может произойти в части частотного спектра в рабочей среде. Как и в случае OFDM, в OFDMA множество поднесущих с низкой скоростью передачи данных каждого пользователя объединяются в приемнике для формирования высокоскоростных данных, которые первоначально были переданы для доступа этим пользователем.
Точка доступа (AP) OFDMA может изменять количество частотного спектра или подканалов, занимаемых каждым пользователем, в зависимости от требований их беспроводных соединений. Например, для отправки электронной почты требуется меньшая полоса пропускания, чем для потоковой передачи видео на приемник Wi-Fi. Эта функциональность повышает эффективность Wi-Fi 6 по сравнению с Wi-Fi 5, но также увеличивает сложность аппаратного обеспечения с точки зрения выравнивания частоты, стабильности и точности, временной синхронизации и времени отклика компонентов системы беспроводной сети.
Достижение контроля над мощностью
Управление мощностью требуется в системах Wi-Fi 6 из-за его OFDMA и из-за множества пользователей с одновременным доступом к беспроводной сети. Пользователь, близкий к AP, будет получать сигнал точки доступа с более высокой мощностью, чем пользователь, работающий с внешними пределами чувствительности точки доступа. Если уровни мощности нескольких пользователей не сбалансированы, производительность сети будет ухудшена интерференционными помехами (ICI) и сжатием, когда приемник Wi-Fi попытается обработать несколько сигналов в широком динамическом диапазоне. Устройства Wi-Fi 6 будут увеличивать или уменьшать свои уровни мощности передачи в течение определенного времени отклика в соответствии с сигналами нисходящей линии связи от точки доступа.
Эта функция динамического управления мощностью передачи (DTPC) в сетях Wi-Fi 6 может, конечно, быть скомпрометирована устройствами, которые игнорируют инструкции по управлению мощностью в сигнале нисходящей линии связи, или потому, что им просто не хватает возможности управления мощностью (как в случае устройств Wi-Fi раннего поколения). Степень контроля мощности и то, насколько точно она контролируется для каждого устройства, определяется стандартом Wi-Fi 6 (802.11ax). Устройства с жестким контролем мощности в пределах ± 3 дБ считаются устройствами класса A, в то время как устройства, способные контролировать мощность ± 9 дБ, называются устройствами класса B, в некоторой степени аналогично классам линейности усилителей.
Wi-Fi 6 включает в себя несколько уникальных функций, которые помогают увеличить пропускную способность в плотных средах, таких как конференц-центры и другие публичные места для собраний, и экономить электроэнергию для устройств, таких как датчики IoT, которым может потребоваться доступ к сети всего на несколько секунд раз в час. «Раскраска» базового набора услуг (BSS) идентифицирует общий частотный спектр по номеру или «цветовому коду», включенному в заголовок физического уровня сети (PHY), который передается между каждым устройством и его точкой доступа. BSS позволяет устройствам Wi-Fi 6 взаимодействовать и договариваться друг с другом для оптимизации использования полосы пропускания совместно используемого канала. Окрашивание базового набора сервисов указывает, когда канал недоступен, когда два или более устройств кодируются одним и тем же цветом. Он также предоставляет информацию для управления несколькими устройствами и пользователями в перегруженных областях путем настройки параметров оценки четкого канала (CCA), включая динамический диапазон и управление мощностью.
Еще одна уникальная особенность Wi-Fi 6 — целевое время пробуждения (TWT) — это метод, позволяющий точке доступа отслеживать требования к устройству и включать и выключать передатчик Wi-Fi 6 при необходимости. Например, одно из устройств в зоне действия точки доступа Wi-Fi 6 может быть датчиком приближения IoT, который не требует постоянного радиосвязи с сетью. Функция TWT может использоваться для периодической активации датчика IoT. Работая таким образом, функция TWT может повысить эффективность сети и продлить срок службы батареи в портативных / мобильных устройствах.
Для множества пользователей в плотных средах с большим количеством беспроводных устройств Wi-Fi 6 основывается на многопользовательских конфигурациях множественных входов / множественных выходов (MU-MIMO), используемых в Wi-Fi 5, с расширенными возможностями. Маршрутизаторы Wi-Fi 5 с их многочисленными антеннами рассчитаны на одновременную работу до четырех пользователей или потоков данных. Возможна передача больших объемов данных, но только по нисходящим линиям связи от маршрутизаторов или точек доступа к пользовательским устройствам.
Напротив, антенные устройства MU-MIMO Wi-Fi 6 поддерживают до восьми одновременных потоков пространственных данных для восьми одновременных пользователей без задержек буферизации как на нисходящих, так и на восходящих линиях между точками доступа и беспроводными устройствами. В результате беспроводные сети Wi-Fi 6 могут обрабатывать большие объемы передачи данных между беспроводными устройствами и точками доступа без задержек в буфере данных. Следовательно, большее количество пользователей (чем Wi-Fi 5) на одну точку доступа могут одновременно пользоваться даже приложениями, интенсивно использующими данные, такими как потоковое видео.
Использование пропускной способности
Хотя пропускная способность и эффективность Wi-Fi будут повышены с помощью технологий OFDMA и MU-MIMO, количество пользователей, которых сможет поддерживать канал, начинается с доступного спектра и ширины полосы канала. Хотя Wi-Fi 6 совместно использует частотный спектр, используемый Wi-Fi 5 в диапазоне 5 ГГц, от 5,170 до 5,185 ГГц с некоторыми небольшими пробелами, он также использует преимущества имеющегося доступного частотного спектра в нелицензированных частотах 2,400–2,483 ГГц — это часть промышленной, научной и медицинской (ISM) полос. С четырьмя спектральными потоками в диапазоне 2,4 ГГц и еще восемью возможными в диапазоне 5 ГГц, а также с шириной полосы пропускания канала 20, 40, 80 и 160 МГц (с каналами с более широкой полосой пропускания, поддерживающими более высокие скорости передачи данных), гораздо больше пользователей может поддерживаться с Wi-Fi 6, чем четыре спектральных потока Wi-Fi 5.
Чтобы увеличить пропускную способность Wi-Fi 6, регулирующие органы, такие как Федеральная комиссия связи (FCC) в США и Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI) по всей Европе, одобрили использование широкой непрерывной полосы пропускания в диапазоне 6 ГГц, начиная с 2022 года. Дополнительная полоса пропускания предназначена для использования устройствами Wi-Fi 6 и сотовыми беспроводными сетями 5G, но не системами Wi-Fi более раннего поколения, такими как Wi-Fi 4 (IEEE 802.11n) и Wi-Fi 5.
Полоса 6 ГГц, утвержденная FCC для Wi-Fi 6, охватывает спектр 1200 МГц от 5,925 до 7,125 ГГц и определяется радиочастотными полосами 5–8 нелицензированной национальной информационной инфраструктуры (UNII). Эта щедрая часть непрерывной полосы пропускания в 6 ГГц сделает возможным более широкополосные (160 МГц) каналы для передачи данных с высокой скоростью, чем в более низкочастотных диапазонах 2,4 и 5 ГГц, где каналы Wi-Fi имеют тенденцию конкурировать с более старыми приложениями и должны работать в более узкополосных каналах.
Чтобы эффективно использовать доступную полосу пропускания с улучшенной пропускной способностью данных, Wi-Fi 6 использует форматы квадратурно-амплитудной модуляции (QAM) на уровнях, равных 1024 состояниям квадратурной амплитудной модуляции (1024QAM). Это контрастирует с квадратурно-амплитудной модуляцией более низкого порядка (256QAM) Wi-Fi 5. 1024QAM обеспечивает разрешение цифрового бита 10 бит на символ в диаграмме созвездия (рисунок ниже), что позволяет обрабатывать емкость данных на 25% больше, чем разрешение 8 бит на символ для 256QAM, используемой в Wi-Fi 5.
С другой стороны, отображение данных 1024QAM, которое происходит на передатчике Wi-Fi 6 для достижения преобразования цифровых битов в символы I / Q, предъявляет высокие требования к линейности усилителей мощности (PA), используемых для передачи в 1024QAM системах — больше, чем в системах 256QAM. Если усиление мощности не является линейным и отношение энергии на бит к уровню шума (Eb / N0) не контролируется должным образом, ошибки данных могут быть легко внесены в системы QAM более высокого порядка, такие как 1024QAM.
Развитие для удовлетворения спроса
Будь то IEEE 802.11 или Wi-Fi, беспроводные сети становятся все более важной частью жизни многих людей во всем мире, будь то в стационарных средах, таких как дома или заводы, или в больших общественных зонах, таких как конференц-центры, музеи или даже на спортивных стадионах. Спрос на увеличение емкости и пропускной способности растет по мере того, как пользователи добавляют больше беспроводных устройств в каждую сеть и ожидают более быстрого времени отклика, когда они загружают большие файлы или даже транслируют свои любимые видео программы.
Wi-Fi 6, бывший IEEE 802.11ax, основан на технологиях, унаследованных от предыдущих поколений Wi-Fi, для обеспечения совместимости со старыми беспроводными устройствами на частоте 2,4 ГГц. Одновременно он обеспечивает повышенную пропускную способность и повышенную скорость передачи данных в каналах 5 ГГц для новых поколений Wi-Fi.
Это беспроводной стандарт, который также готов к эволюции, со специальными функциями, помогающими экономить электроэнергию, когда сетевые требования минимальны или когда в радиусе действия беспроводной сети добавляется множество новых датчиков IoT, и их необходимо периодически контролировать, учитывая требования датчиков интернет вещей к минимальному энергопотреблению.
И для больших объемов новых данных, ожидаемых от следующего поколения систем беспроводной сотовой связи, а именно 5G, Wi-Fi 6 обещает нечто, чего не может предложить ни одно более раннее поколение Wi-Fi: доступ для увеличения части новой создаваемой полосы пропускания доступны в диапазоне от 6 до 7 ГГц. При разумном использовании это сочетание новых функций и пропускной способности должно сделать Wi-Fi 6 технологией «союзником» 5G на многие годы вперед.
