Your browser either does not support JavaScript or you have turned JavaScript off.

WiFi 6 MU-MIMO и OFDMA: Две опоры вашего успеха в будущем

802.11n и 802.11ac обеспечили увеличение емкости каналов WiFi более чем на два порядка по сравнению с 802.11 a/b/g, однако типичная сеть WiFi состоит из мощной точки доступа (например, 4x4/8x8, 80/160 MHz) и нескольких “тонких STA-клиентов” (например, 1x1/2x2, 20/40/80 MHz), поэтому емкость точки доступа и клиентских STA может сильно отличаться как с точки зрения пространственных потоков, так и частотного спектра. Также крайне неэффективно использовать для унаследованного SU-MIMO широкий канал передачи данных. Например, при наихудшем сценарии, когда точка доступа 8x8/160 MHz обслуживает клиента 1x1/20 MHz, “SU-MIMO” способна использовать не более 6.25% пропускной способности канала передачи данных. С учетом этой проблемы улучшение эффективности беспроводной связи стало одним из главных направлений развития WiFi нового поколения, в котором эффективность повышается за счет применения многопользовательского режима “MU” (multi-user) использования канала передачи данных вместо однопользовательского “SU” (single-user). Стандарт WiFi 5 (11ac) впервые реализует технологию “DL MU-MIMO”, открывающую эру MU для WiFi. Развивая разработки WiFI 5, WiFi 6 (11ax) реализует более «продвинутые» технологии “UL MU-MIMO”, “DL & UL OFDMA” и“DL & UL MIMO-OFDMA”, еще более улучшающие производительность WiFi.

Какие преимущества получит ваш бизнес от MU-MIMO и OFDMA?

TВ этой короткой статье объясняются особенности и преимущества двух механизмов WiFi 6 и как они могут улучшить ваш сервис. Если вы хотите узнать больше о других менее известных функциях шестого поколения WiFi, то посмотрите нашу web-страницу о решениях WiFi 6 , где описаны три очень важные функции 11ax.
MU-MIMO улучшает эффективность сетей WiFi с точки зрения пространственных потоков, но что такое «пространственность» (spatial). В типичном устройстве WiFi обычно число физических передатчиков радиосигнала равно числу «пространственных» потоков, которые может поддерживать это устройство (если только в спецификации продукта не утверждается обратное). Например, если в характеристиках точки доступа стоит 4х4, то обычно это означает, что она поддерживает 4 пространственных потока. При использовании SU-MIMO разница между числом пространственных потоков точки доступа и число клиентских STA ограничивает эффективность сети WiFi. Например, если точка доступа 8х8 обслуживает клиентов 2х2 с использованием SU-MIMO, то эффективность использования полосы пропускания падает до 25%. В идеале если точка доступа 8х8 одновременно обслуживает четырех клиентов 2х2 (всего у них 8 пространственных потоков) с использованием MU-MIMO, то эффективность увеличивается до 100%.
Термины DL MU-MIMO и UL MU-MIMO стали очень популярны после появления WiFi 6 (11ax): технология DL MU-MIMO впервые была использован в WiFi 5 (11ac), а WiFi 6 (11ax) увеличила максимальное число потоков в MU с 4 до 8.
  • "SU-MIMO beamforming" против "DL MU-MIMO"
    Основа DL MU-MIMO, как и в SU-MIMO, - это технология формирования диаграммы направленности луча "beamforming". Для формирования диаграммы направленности луча предварительно выполняются процессы "sounding", "CSI feedback" и "pre-coding", после чего генерируются и передаются клиентам «лучи» энергии. У SU-MIMO и DL MU-MIMO разные преимущества применения beamforming, хотя одна и та же фундаментальная технология. SU-MIMO beamforming генерирует один "луч" и эффективно направляет энергию радиосигнала на одну обслуживаемую клиентскую STA; в результате улучшается покрытие WiFi, но эффективность при этом остается на прежнем уровне. С другой стороны DL MU-MIMO генерирует несколько ортогональных "лучей" и направляет их группе клиентских STA, которые обслуживаются одновременно, поэтому эта технология существенно улучшает эффективность, но в отличие от SU-MIMO не увеличивает покрытие.
    Несмотря на схожесть названий DL MU-MIMO и UL MU-MIMO основаны на разных технологиях и в DL MU-MIMO в отличие от UL MU-MIMO не применяется beamforming.
  • Секрет "Multi-point to Point"
    Физически DL MU-MIMO работает по принципу “Point to Multi-point”, т.е. одна точка доступа контролирует время генерации, частоту и мощность сигнала, а UL MU-MIMO – по принципу “Multi-point to Point” и для нее главное - это синхронизация все независимых клиентских STA. Также UL MU-MIMO решает проблемы “CFO” (central frequency offset), “received power variance” точки доступа и “timing synchronization”, что очень важно для устранения потенциальных эффектов ICI (inter carrier interference) и ISI (inter symbol interference), которые могут возникать при одновременной передаче от нескольких несинхронизированных между собой клиентских STA.
  • Появление MIMO
    WiFi 5 (11ac) поддерживает только "DL MU-MIMO" и для передачи исходящего трафика (uplink) по-прежнему использует SU-MIMO. Например, точка доступа 11ac 4x4 AP с DL MU-MIMO одновременно обслуживает четыре 1x1 STA, но эти четыре STA конкурируют между собой за время передачи данных точке доступа и посылают ей постоянно ACK в соответствии с алгоритмом SU-MIMO для подтверждения успешного сеанса связи, что означает низкую эффективность.
    При использовании UL MU-MIMO объединенные в группу несколько STA одновременно посылают свои ACK точке доступа, что существенно улучшает uplink и позволяет выделить больше времени для передачи данных.
    В дополнение к улучшению эффективность MU-MIMO может также и сократить задержки передачи данных (хотя и не так значительно, как OFDMA, о которой мы расскажем в следующем разделе).
OFDMA улучшает работу WiFi за счет более эффективного использования спектра радиочастот, и поэтому для сервис-провайдеров технология UL/DL OFDMA является одной из наиболее важных преимуществ WiFi 6. Ее вариант уже используется в сетях WiFi, однако для некоторых сервисов, например, AR/VR и потоковое видео 4K/8K, не хватает скорости, а для таких сервисов, как онлайновые игры и VoIP, требуется сократить задержки. Наконец, для сервисов, связанных с "Интернетом вещей", и некоторых других сервисов на первом месте стоит улучшение надежности. Для большинства сервисов более чем достаточно большая пропускная способность спектра, например, 80/160 MHz. При использовании SU-MIMO/MU-MIMO вся пропускная способность спектра не может одновременно обслуживать несколько STA, что очень неэффективно если "широкий" спектр используется несколькими приложениями. OFDMA разделяет большую пропускную способность спектра на несколько небольших так называемых "единиц ресурса" RU (resource unit). 11ax определяет семь размеров RU, которые обозначаются как поднесущие (sub-carrier, SC) "26", "52", "106", "242", "484", "996" или "2x996". Комбинация OFDMA, 8x8 MIMO, различные скорости MCS и GI (Guard Interval) позволяет 11ax поддерживать скорости передачи данных от 0,4 Кбит/сек и до 9,6 Гбит/сек для приложений с разными требованиям к пропускной способности. Можно гибко динамически выделять RU разных размеров в большой полосе пропускания радиочастотного спектра в соответствии с потребностями разных STA.
11ax определяет максимум в 74 единиц RU (26-SC) для пропускной способности канала 160 MHz, что означает, что 74 клиентских STA с разными сервисами могут одновременно обслуживаться одной точкой доступа. OFDMA по сравнению с SU-MIMO/MU-MIMO существенно улучшает эффективность использования широкого спектра для сети WiFi. Также OFDMA сокращает задержки передачи данных и улучшает надежность WiFi.

Higher allocation hit-rates can reduce latency.

Небольшие RU с более узкой полосой пропускания могут улучшить коэффициент SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio). Обычно чем лучше SINR, тем больше покрытие сервисов или более надежная связь, для которой нужно меньше повторно передавать данные. Это также улучшает работу приложений IoT и надежная передача ACK, которая потребляет меньше полосы пропускания.
Для пользователей таких приложений реального времени, как онлайновые игры, более важна низкая величина задержек передачи данных, а не увеличение полосы пропускания. С технологической точки зрения у OFDMA больше возможностей для увеличения показателя grouping/scheduling hit на слот времени для STA, на которых работают сервисы, чувствительные к задержкам. OFDMA, используемая в 11ax, наряду с увеличением SINR за счет уменьшенных RU, как ожидается, значительно сократит задержки по сравнению с SU-MIMO/MU-MIMO.
Небольшие RU с более узкой полосой пропускания могут улучшить коэффициент SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio). Обычно чем лучше SINR, тем больше покрытие сервисов или более надежная связь, для которой нужно меньше повторно передавать данные. Это также улучшает работу приложений IoT и надежная передача ACK, которая потребляет меньше полосы пропускания.
Подобно DL/UL MU-MIMO, DL OFDMA работает по принципу "Point to Multi-points", однако операции UL OFDMA выполняются по принципу "Multi-points to Point". При синхронизации с "CFO" для UL OFDMA также необходимы "received power variance" для точки доступа и "timing". UL OFDMA подобно UL MU-MIMO может существенно улучшить эффективность uplink за счет группировки одновременных подтверждений ACK от нескольких STA и увеличения слотов времени для эффективной передачи данных.
Теперь после того, как мы описали все преимущества MU-MIMO и OFDMA, стоит сказать несколько слов и о недостатках этих технологий. В типичной сети WiFi, состоящей из «сильной» точки доступа (например, 4x4/8x8, 80/160 MHz) и нескольких "тонких" клиентских STA (например, 1x1/2x2, 20/40/80 MHz), MU-MIMO может эффективно использовать "пространственные" ресурсы, но не спектральные.
OFDMA может гибко использовать ресурсы "спектрального" домена, а не "пространственного", и MU-MIMO-OFDMA унаследовала эти преимущества, но не унаследовала недостатков, поэтому она максимально насколько возможно использует как "пространственные", так и "спектральные" ресурсы. Согласно стандарту to IEEE 802.11ax, MU-MIMO-OFDMA может поддерживать максимум 128 для обслуживания 128 клиентских STA в группе/по расписанию. К сожалению, на практике MIMO-OFDMA трудно реализовать. У производителей чипсетов нет планов поддержки MIMO-OFDMA в будущем.

Что вам выгоднее?

Механизмы MU-MIMO и OFDMA в WiFi 6 взаимно дополняют друг друга. Они оба являются многопользовательскими (MU) и сфокусированы на улучшении эффективности сетей WiFi и уменьшении задержек для приложений, которые чувствительны к задержкам. В реальной сети 11ax WiFi механизмы SU-MIMO, MU-MIMO и OFDMA используются интерактивно в зависимости от условий работы канала, QoS, типов устройств, типа сервисов и т.п. В сети точки доступа оптимизируют группирование и расписания и выбирают наилучший метод для следующего действия в зависимости от собственного специальным образом настроенного алгоритма. С практической точки зрения имеет смысл комбинировать в сети WiFi приложения с высокими и умеренными требованиями к полосе пропускания. И у MU-MIMO, и у OFDMA есть свои преимущества: для приложений с высокими требованиями к полосе пропускания лучше подходит MU-MIMO, улучшающая эффективность соединения, а OFDMA оптимальна для приложений с умеренными требованиями к полосе пропускания, например, IoT и агрегирования ACK. OFDMA также хорошо работает если в сети комбинируются оба типа приложений. В 11ax применяются ряд технологий следующего поколения для оптимизации использования большой пропускной способности и обеспечению работы пользователя с новыми приложениями. Попробуйте одно из наших решений для роста в будущем и мы вместе добьемся успеха!

MU-MIMO

Приложения с высокими требованиями к полосе пропускания

OFDMA

Приложения с умеренными требованиями к полосе пропускания