若缺智慧管理 Wi-Fi 6將如折翼之鷹

作者 : Bill McFarland,Plume執行長

人們熱烈地討論著Wi-Fi 6將如何改變消費者體驗和互連環境,但熱鬧的背後卻隱藏著一個事實:Wi-Fi 6的成敗將取決於其控制系統…

Wi-Fi 6終於進入了消費者家庭!如果業界預測正確,這項技術將成為未來十年的主要技術之一。Wi-Fi聯盟預期僅今年就會有將近20億台Wi-Fi 6裝置提供給消費者、商業實體和政府機構,人們熱烈地討論著Wi-Fi 6將如何改變消費者體驗和互連環境,熱鬧的背後卻隱藏著一個事實:Wi-Fi 6的成敗將取決於其控制系統。

儘管Wi-Fi 6在技術上已經取得了不小的突破,但如果不對家庭Wi-Fi網路進行智慧化管理和最佳化,這種技術的新功能就無法發揮其全部價值。Wi-Fi 6要在擁擠的家用網路環境中真正改善使用者體驗,需要其他一些工具進行輔助,例如網路最佳化和控制。

本文將介紹Wi-Fi 6最重要的幾項功能、可能出現的問題,以及解決方法。

160MHz通道頻寬

大多數Wi-Fi 6裝置都會支援160MHz通道,儘管Wi-Fi 5也具有這種能力,但很少有Wi-Fi 5裝置支援頻寬超過80MHz的通道。理論上講,通道頻寬加倍,傳輸量也會翻倍,因此用戶可以體驗到加倍的下載速度和加倍的解析度。

問題在於,包括美國在內的大多數國家目前都只有兩個獨立的160MHz通道可用,而且頻寬較小的裝置也在共用這些通道。在密集環境中,這將造成很大的問題。在這種環境中,多個裝置相互競爭,並且不同使用者的通道相互重疊,最終產生很大的干擾。

為了緩解這個問題,可以進行特殊的網路配置。首先,需要對160MHz傳輸中80MHz子通道上的干擾進行檢測及預測,以便通道分配和頻寬選擇能夠智慧地完成。另外,考慮環境中的整體干擾情況也很重要,這樣才能最佳化整棟樓(或相鄰大樓)裡通道的分配,並且在需要的地方分配更多的資源。

這樣的配置透過本地管理的網路無法實現,必須在雲端進行集中處理。例如,在一棟樓中,雲端平台將分析負載和裝置類型等因素,並考慮每個接入點(AP)網路中曾經和現在存在的所有用戶端和負載,然後根據這些資料和分析,為整個建築中的每個AP分配通道頻寬。

為了儘量減少相鄰大樓之間產生衝突,還可以將頻道「鋪開」。而且,在不得不複用通道的情況下,最佳化平台會對之前的狀況進行分析,並選擇問題最少的大樓來共用頻道。

正交頻分多址(OFDMA)

OFDMA是Wi-Fi 6的一項主要技術,它透過對通道進行更小的頻率分配(資源單元)來提高效率和容量,資料從一個AP並行發送,因此可以同時傳輸到大量裝置。這避免了802.11資料封包開銷和時間浪費,尤其是在物聯網和其他低資料速率裝置的資料傳輸中。

但是有一個問題,只有當大量物聯網裝置共用一個AP時,OFDMA才能發揮其作用提高效率。這種情況在今天的智慧家庭中並不常見,現在的智慧家庭網路已經發展成為包含網狀網路、中繼器或多個閘道的多AP拓撲。

如果只允許用戶端連接到最近的AP,那麼每一個AP不會有足夠的裝置組合起來進行OFDMA傳輸。但是,強迫用戶端連接到距離較遠的AP又將導致資料速率下降,這意味著OFDMA運行需要嚴格的最佳化和用戶端匹配。

支援OFDMA的用戶端匹配原理很複雜。這需要一個集中式智慧型網路控制器來瞭解哪些AP和用戶端具有Wi-Fi 6功能,同時還要考慮歷史觀察資料,以便對每個用戶端的資料需求都做出前瞻性預測。

然後,控制器會根據功能、需要承載的流量、訊號強度和裝置的資料使用情況,對每個裝置應連接到哪個AP做出最佳選擇。最後,控制器還要具備對每個裝置進行匹配的能力(每種裝置類型都有專用的匹配機制),並將其保持在正確的AP上,即便它不是離裝置最近的AP,圖1顯示了相鄰接入點之間的爭用問題。

 

圖1:處理相鄰接入點之間的爭用問題。

(來源:IEEE)

 

目標喚醒時間

目標喚醒時間(TWT)可延長裝置電池壽命,因為它使裝置只是偶爾傳輸資料或以低工作週期運作。AP為此保留了一個時間視窗,用來喚醒每個用戶端、進行快速通訊並返回睡眠狀態,同時預留廣播時間,使其不被其他通訊佔用。

在家用網路中,幾個AP經常在同一頻道上運作,這意味著多個AP可能會嘗試為不同的裝置安排相同的TWT。為了避免重疊,可利用雲端的中央調度程式來協調同通道AP的TWT週期。為使家用網路中每個AP上的TWT安排達到最佳,調度程式需要瞭解所有TWT用戶端的傳輸要求、AP間的共用通道、哪些用戶端連接到哪個AP,以及AP與用戶端之間的訊號強度。

在一棟樓中,優化器還可以查看它所控制的所有重疊網路,並對整棟樓內的TWT分配和裝置分組進行規劃。控制器會考慮哪些房屋的資料相互干擾,以及每套房屋的用戶端功能和負載要求。

6GHz頻率

6GHz頻譜的低功率應用和高功率應用都存在一些問題。由於低功率傳輸(18dBm/63mW)無法進行遠距離傳輸或以高資料速率傳輸,因此一個最佳化系統就需要更複雜的多AP配置來選擇合適的網路拓撲,以及進行頻率分配和用戶端匹配。另一方面,如果要使用自動頻率控制(AFC)系統(30dBm/1W),則用於傳輸的頻道不能與附近的微波系統衝突。這就涉及AP與智慧控制器之間的通訊,智慧控制器用於查找FCC資料庫、考慮地理資料及計算干擾等級,然後將指令返回AP。

無論哪種模式,控制器在分配網路無線電資源之前都必須考慮用戶端類型、負載和功能這些因素。AP使用6GHz頻段並非總是最佳選擇,而是要視網路中用戶端的能力而定,例如,AP將6GHz頻段用於回程連接可能會有助於回程,性能卻很可能不如使用5GHz頻段好。因此,不具備6GHz的高性能用戶端可能會以較低的速度連接,從而影響了家庭使用體驗。

審慎而樂觀

家用網路會變得更加擁擠和複雜。美國家庭現在已經平均擁有14.5台連網裝置。到2023年,全球智慧裝置的出貨量預計將增長至14億台。可說,Wi-Fi 6的黃金時代已經來臨。

然而,家用網路如果沒有智慧化管理和最佳化,Wi-Fi 6將無法發揮其優勢。這個新的連接時代若要滿足大家的期望,必須解決技術的局限性。這是一項複雜的任務,但只要方法正確,Wi-Fi 6仍然觸手可及。

(參考原文:Potential of Wi-Fi 6 Limited Without Intelligent Management,by Bill McFarland)

本文同步刊登於EDN China 2021年6月號雜誌

 

 

 

 

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