Już niedługo zagości u nas od dawna zapowiadany nowy standard sieci WiFi 802.11ax, zwany także WiFi 6 [1]. Stanowi on milowy krok w rozwoju tej technologii. Na czym polegają zmiany i co dzięki nim zyskamy?
Cała władza w jednym ręku
Najważniejsza zmiana dotyczy zarządzania transmisją. Aby ją wyjaśnić, posłużymy się metaforą samochodową. W starszych wersjach standardu WiFi organizacja ruchu opierała się na zasadzie „rozejrzyj się zanim ruszysz”: każdy pojazd mógł wjechać na skrzyżowanie w dowolnym momencie, ale najpierw musiał sprawdzić, czy jest ono wolne. Gdy było, wjeżdżał na nie, nie mając jednak gwarancji, że przypadkiem nie zderzy się z innym uczestnikiem, który nie rozejrzał się dokładnie. Natomiast jeżeli skrzyżowanie było zajęte, wówczas musiał zatrzymać się przez pewien losowy czas, zanim mógł podjąć kolejną próbę. Rozwiązanie to zakładało autonomię kierowców, jednak powodowało kolizje i konflikty (samochody „większe” mogły przysłaniać mniejsze i wymuszać na nich pierwszeństwo), a wykorzystanie pasma radiowego było dalekie od optymalnego.
Standard WiFi 6 wprowadza na takim skrzyżowaniu rozwiązanie porządkujące, czyli sygnalizację świetlną. To punkt dostępowy sieci wyznacza, kto w danym momencie będzie mógł zająć dany kanał i „wjechać na skrzyżowanie”, a kto będzie musiał poczekać; z drugiej strony każdy użytkownik będzie jednak wiedział, ile czasu poczeka i kiedy nadejdzie jego kolej. Co więcej, możliwe będzie wpuszczenie na skrzyżowanie więcej niż jednego pojazdu, o ile nie znajdzie się on na kursach kolizyjnych z innymi, i przydzielenie mu pasa ruchu (czyli pasma) odpowiedniego do rzeczywistych potrzeb. Dzięki technice OFDMA możliwe jest dzielenie i łączenie kanałów w zależności od potrzeb klientów i możliwości sieci, tak aby wykorzystać „przestrzeń” radiową w optymalny sposób. Zatem w zamian za centralizację zarządzania otrzymujemy znacznie bardziej efektywny i niezawodny system, który pomieści więcej użytkowników niż dotąd, przepustowość wzrośnie, a opóźnienia zmaleją.
To chyba największa, ale nie jedyna zmiana. Oprócz niej pojawia się pięć ważnych ulepszeń technologicznych, które umożliwiają „wyciśnięcie” z pasma radiowego większej przepustowości i poprawę niezawodności.
Gęściej
Pierwszy element układanki nazywa się modulacją 1024-QAM i odpowiada za kodowanie danych [2]. W uproszczeniu, fala radiowa ma postać nieskończonej sinusoidy, w której możemy zapisać użyteczne dane. Jej kształt można modulować na dwa sposoby: zmieniając amplitudę, czyli jej maksymalne wychylenie od poziomu zerowego, oraz modyfikując częstotliwość, a zatem zagęszczając lub rozluźniając jej przebieg. W transmisji cyfrowej każda kombinacja obu tych wartości, nazywana symbolem, niesie pewną informację. Im więcej takich kombinacji, tym więcej informacji mieści się w jednym symbolu. W WiFi 6 jest ich 1024, co oznacza, że jeden symbol przenosi do 10 bitów. Czy można jeszcze więcej? Wprawdzie istnieją techniki o większej liczbie symboli, jednak są bardziej narażone na zakłócenia i tłumienie, w związku z czym wymagają większej energii i precyzji przy dekodowaniu. Zatem na razie 1024 symbole wystarczą, jednak być może w przyszłości sięgniemy po więcej.
Dobre relacje z sąsiadami
Druga nowinka dotyczy problemu separacji pasm radiowych. Użytkownikom WiFi, szczególnie w gęsto zabudowanych obszarach znany jest problem wzajemnego zagłuszania sieci: gdy pracują na tym samym kanale, wówczas dochodzi do ciągłych kolizji między sygnałami, a wydajność wyraźnie spada. W WiFi 6 zastosowano rozwiązanie o nazwie BSS (Basic Service Set) Coloring. Do oznaczania kanałów transmisyjnych stosuje się w nim wirtualne kolory. Zasadą jest taki przydział, aby dwa urządzenia korzystające z tego samego koloru nie sąsiadowały ze sobą. W algorytmice problem ten, znany jako kolorowanie map, został dobrze poznany, dzięki czemu znane są algorytmy takiego przydziału kanałów , aby wszystkie urządzenia pracowały możliwie niezależnie.
Wieloma drogami naraz
Metodę transmisji za pomocą wielu anten (Multi-Input Multi-Output, MIMO [3]) wprowadzono już we wcześniejszych wersjach WiFi. Polega ona na podziale sygnału między kilka anten nadających jednocześnie. W wersji 6 w ten sposób można obsłużyć także wielu użytkowników naraz, dzięki czemu transmisja jest efektywniejsza, a użyteczne dane lepiej wypełniają pasmo radiowe.
Ponadto, użycie wielu anten pozwala również na kształtowanie wiązki radiowej, tak aby jej moc była największa w kierunku odbiorców obsługiwanych w tym samym momencie. To nie tylko sposób na oszczędność energii, ale też ograniczenie emisji pola elektromagnetycznego.
Oszczędzanie energii
Za poprawę efektywności energetycznej w WiFi 6 odpowiada kolejny mechanizm – Target Wake Time [4]. Dzięki niemu urządzenia mogą decydować, kiedy uczestniczyć w transmisji, a kiedy zasnąć, i negocjować swoje potrzeby z punktem dostępowym. To wielki ukłon w stronę sektora IoT, gdzie niski pobór energii jest jednym z krytycznych wymagań. Dodatkowo, pozwoli to poprawić pracę urządzeń w „zaśmieconym” eterze, ponieważ będą mogły wymieniać się informacjami i negocjować parametry pracy z innymi.
Ale co ja z tego mam?
Co to wszystko oznacza dla nas, użytkowników? Przede wszystkim szybszy i bardziej niezawodny bezprzewodowy dostęp do internetu. Natomiast od strony technicznej widzimy nowe i unowocześnione rozwiązania, znane m.in. z sieci komórkowych, pozwalające na lepsze wykorzystanie pasma radiowego i łatwiejsze zarządzanie siecią. To one są filarami spodziewanego sukcesu WiFi 6.
Zatem wprowadzenie szóstej wersji standardu na pewno jest bardzo istotną zmianą, która wprowadzi popularne WiFi na nowy poziom jakości usług. A ponieważ standard 802.11ax jest wstecznie zgodny z poprzednimi, możliwe będzie rozłożenie zmiany na dłuższy okres, bez jednoczesnej wymiany wszystkich urządzeń. A zatem – sieciowa przyszłość nie tylko rysuje się w jasnych barwach, ale też łatwiej będzie się do niej przyzwyczaić.
Źródła:
[1] http://www.sieci-wifi.pl/wifi/index.php/technologia-wifi/181-wifi-80211ax
[2] https://www.commscope.com/blog/2018/wi-fi-6-fundamentals-what-is-1024-qam
[3] http://www.sieci-wifi.pl/wifi/index.php/technologia-wifi/157-architektura-mu-mimo
[4] https://www.commscope.com/blog/2018/802.11ax-fundamentals-target-wake-time-twt