OFDMA

Однією з найважливіших особливостей нового стандарту Wi-Fi 6 (802.11 ax) є технологія OFDMA. OFDMA (множинний доступ із ортогональним частотним поділом каналів) є розширенням архітектури OFDM (мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів). OFDM використовує радіочастотний канал, такий як канал 20 МГц, що часто використовується в Wi-Fi, і замість використання однієї несучої частоти, модульованої AM, FM або іншими засобами, встановлює ряд піднесучих. 802.11ac використовував 52 піднесли з даними радіочастотному каналі 20 МГц, а 802.11ax - 234.

Кожна піднесуча модулюється незалежно та одночасно, утворюючи символи OFDM, розділені у часі захисними інтервалами. Передача в OFDM - це кількість одночасних символів на багатьох піднесених.

Приймач може відстежувати всі піднесу одночасно і незалежно демодулювати символи («ортогональні» в OFDM). OFDM вважається більш досконалим у порівнянні з іншими формами модуляції, тому що, хоча він по суті не допускає більш високих швидкостей передачі даних, він менш схильний до завмирання всередині каналу, де деякі частоти послаблюються більшою мірою, ніж інші в навколишньому середовищі. Він широко використовується сьогодні.

OFDMA змінює характеристики Wi-Fi – на сьогоднішній день кадри передаються послідовно. Клієнт або точка доступу конкурують і коли хтось не діє, захоплює середовище для передачі кадру; коли вона закінчиться, інший пристрій може захопити середовище передачі. Це дуже гнучкий та децентралізований спосіб контролю доступу; він легко справляється з інтенсивним трафіком, різноманітністю пристроїв і схемами трафіку, що змінюються.

OFDMA приймає піднесучі OFDM каналом RF і призначає групи для передач між різними пристроями. У OFDMA низхідній лінії зв'язку точка доступу може використовувати різні групи, що піднесуть для відправки пакетів різним клієнтам.

У певному сенсі це схоже на перестановку меблів - зрештою їх стільки ж, тільки в різних місцях. Але OFDMA має дивовижну кількість переваг.

Переваги OFDMA

Розглянемо приклад, коли точка доступу має дані для надсилання трьом клієнтам. У 802.11ac він боротиметься за середу, а потім послідовно відправлятиме три пакети. З OFDMA він поєднує передачі, відправляючи кадри всім трьом клієнтам одночасно. Але хіба час, необхідний передачі даних, не такий самий при незмінних рівнях модуляції?

Малюнок 1: MU OFDMA та SU OFDMA

Різниця полягає у розбіжностях та накладних витратах преамбули. Якщо, як це часто буває, корисні дані набагато коротші за максимальну довжину пакета, то три пакети можуть бути об'єднані в один з однією преамбулою, навіть якщо для передачі корисного навантаження може знадобитися втричі більше часу. Це є значною економією. Час, необхідний для боротьби за середовище (навіть з урахуванням того, що 802.11 знизило накладні витрати на конкуренцію з роками), скорочується, оскільки AP потрібна лише одна можливість передачі.

Таким чином, OFDMA може значно зменшити конкуренцію та накладні витрати на преамбулу, особливо для коротких пакетів, поширених у багатьох мережах. Але є й інші переваги.

Ідеально підходить для додатків Інтернету речей, відео та автоматизації виробництва

Мультиплексування пакетів один за одним, як у 802.11ac, може збільшити затримку та джиттер, особливо коли застарілі клієнти відправляють тривалі пакети з низькою швидкістю: трафік з низькою пропускною здатністю повинен чекати своєї черги.

Але OFDMA дозволяє передавати безліч потоків з низькою пропускною здатністю паралельно, зменшуючи затримку та джиттер. Зменшення затримки – важлива вимога для деяких програм IoT, відео та автоматизації виробництва, яким тепер може відповідати 802.11ax.

Наприклад, 802.11ax допускає мінімальну групу OFDMA з 26 піднесучих, що еквівалентно каналу зі смугою ~ 2 МГц. Дев'ять таких груп входять у канал 20 МГц, тому, якщо обслуговується менше ніж дев'ять клієнтів, кожна отримує «виділений» канал 2+ МГц зі швидкістю передачі даних до ~ 14 Мбіт/с. (802.11ax допускає безліч різних розмірів груп OFDMA, від 26 до 400+ піднесучих, у різних схемах.)

Рисунок 2: Розподіл підканалу OFDM

За допомогою комбінації груп OFDMA та вибраних швидкостей модуляції точка доступу може підключатися до будь-якої необхідної швидкості передачі даних, частоти помилок та затримки для кожного окремого клієнта або потоку трафіку – для набагато складнішого рівня QoS , ніж це було доступно раніше.

І групи OFDMA не призначаються на постійній основі потоків трафіку або клієнтам – вони можуть бути змінені для кожного пакету. Це дозволяє одній точці доступу підтримувати більше клієнтів, ніж раніше, що відповідає вимогам Інтернету для груп пристроїв з дуже високою щільністю, але низькою швидкістю передачі даних. OFDMA - одна з функцій, що збільшують кількість клієнтів у 802.11ax.

Паралельний зв'язок

OFDMA низхідної та висхідної лінії зв'язку є обов'язковими функціями для 802.11ax (хоча здається ймовірним, що попередньо стандартне обладнання від деяких постачальників буде опускати OFDMA висхідної лінії зв'язку). Вони дуже схожі в роботі: точка доступу обробляє трафік низхідним каналом, передаючи його кільком клієнтам паралельно.

Малюнок 3: OFDMA у низхідному каналі

Доповнення до преамбули дозволяють клієнтам зрозуміти, яку групу OFDMA слід слухати та демодулювати. OFDMA висхідної лінії зв'язку дозволяє кожному клієнту передавати дані у власній групі OFDMA, тоді як точка доступу приймає кілька клієнтів паралельно. Але контроль OFDMA висхідної лінії зв'язку складний. AP координує, які клієнти будуть передавати в будь-якому інтервалі, і призначає кожному швидкість передачі та потужність передачі. Але спочатку він повинен дізнатися, що клієнти хочуть надіслати, попросивши звіти про буфер. Потім він відправляє кадр запуску низхідній лінії зв'язку, що визначає структуру наступного кадру даних OFDMA висхідної лінії зв'язку.

Малюнок 4: Передача OFDMA по висхідній лінії зв'язку

І для хорошого прийому клієнтські передачі повинні бути суворо синхронізовані за часом і досягати точки доступу з аналогічними рівнями потужності, що вимагає складного управління. Структура розрахованих на багато користувачів керуючих кадрів в 802.11ax занадто складна, щоб пояснювати тут - як OFDMA, так і розрахований на багато користувачів MIMO (MU-MIMO) використовуються для розпаралелювання керуючого трафіку скрізь, де це можливо, оскільки багатокористувацькі накладні витрати були визнані проблемою під час розгортання1.

Таким чином, додавання OFDMA покращує Wi-Fi у багатьох напрямках. Ми визначили менші накладні витрати, більшу кількість клієнтів, меншу затримку, менший джиттер та покращену загальну якість обслуговування. Це дійсно чарівна функція, яка внесе зміни до функціональності точки доступу та її значущості у мережі.