CC BY
10UDC 621.391.8
Roschinsky R.S., Fedorov A.S. Wi-Fi 6 Data Transmission System
With OFDMA MU-MIMO Research
Исследование системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием
технологий OFDMA и MU-MIMO
Roschinskiy Roman Sergeevich,
Engineer of Research and Education Center «Wireless Infotelecommunication Networks», SPbSUT Fedorov Andrey Sergeevich,
Engineer of Research and Education Center «Wireless Infotelecommunication Networks», SPbSUT Рощинский Роман Сергеевич, Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Федоров Андрей Сергеевич, Инженер научно-образовательного центра «Беспроводные инфотелекоммуникационные сети», СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Abstract. The 802.11ax standard (Wi-Fi 6) is the latest standard in the Wi-Fi family to date. In view of the need to increase bandwidth, reduce latency, as well as the requirements for increasing the flexibility, efficiency and scalability of Wi-Fi networks, the sixth generation standard has undergone quite tangible changes compared to previous versions of the standard and has acquired new mechanisms used, some of which have successfully proved themselves in practice when using other technologies, such as mobile networks or Internet of Things networks. This paper presents the results of modeling in the MATLAB environment of the Wi-Fi 6 data transmission system using OFDMA and MU-MIMO that meets the requirements applicable in Russia.
Keywords: 802.11ax, Wi-Fi 6, SNR, BER.
Аннотация. Стандарт 802.11ax (он же Wi-Fi 6) является последним на сегодняшний день стандартом семейства Wi-Fi. Ввиду потребности увеличения пропускных способностей, снижения задержек, а также требований по увеличению гибкости, эффективности и масштабируемости сетей Wi-Fi, стандарт шестого поколения претерпел достаточно ощутимые изменения по сравнению с предыдущими версиями стандарта и обзавелся новыми используемыми механизмами, часть из которых успешно показала себя на практике при использовании других технологий, например сетей мобильной связи или сетей Интернета Вещей. В работе представлены результаты моделирования в среде MATLAB системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологий OFDMA и MU-MIMO, удовлетворяющих требованиям, действующим на территории России.
Ключевые слова: 802.11ax, Wi-Fi 6, отношение сигнал-шум, коэффициент битовой ошибки.
DOI 10.54092/25421085 2022 112 194
Рецензент: Сагитов Рамиль Фаргатович, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе в ООО «Научно-исследовательский и проектный
институт экологических проблем», г. Оренбург
Одно из ключевых различий между Wi-Fi 6 и Wi-Fi 5 заключается в том, что в Wi-Fi 6 представлена многопользовательская технология OFDMA, которая позволяет более эффективно использовать спектр за счет совместного использования пользователями ресурсов канала. OFDMA можно рассматривать как многопользовательскую версию OFDM, где при каждой отправке данных один пользователь занимает весь канал независимо от объема пользовательских данных. В OFDMA ресурсы канала разделяются несколько ресурсных единиц. Разным пользователям выделяются эти ресурсные единицы и данные нескольких пользователей могут передаваться по одному каналу одновременно. Таким образом, можно сказать, что OFDMA - это многопользовательская технология, которая позволяет точке доступа общаться с несколькими пользователями в течение одного периода передачи. Например, если точке доступа необходимо связаться с тремя пользователями, для OFDM требуется три периода передачи, тогда как для OFDMA требуется только один период. Схематично различия OFDM и OFDMA представлены на рисунке 1 [1].
Рисунок 1. Различия между OFDM и OFDMA
Wi-Fi устройство, например точка доступа, использующее традиционную технологию MIMO в один момент времени может обслуживать и вести обмен данными только с одним абонентским устройством. Другие абонентские устройства, которые подключены к этой же точке доступа и работающие в этом же частотном канале, в момент обслуживания упомянутого выше абонентского устройства, в этот момент не могу вести обмен данными, вследствие чего возникает очередь передаваемых пакетов и увеличиваются задержки передачи, что неизменно ведет к снижению общей пропускной способности и производительности сети. В таком случае, чем больше пользователей единовременно подключено к рассматриваемой точке доступа, тем сильнее выражается описанный эффект.
Данную проблему можно решить путем разбиения единого пространственного потока передачи на несколько, каждый из которых будет единовременно обслуживать только одно абонентское устройство. Для реализации такого сценария предназначена технология MU-MIMO, являющаяся многопользовательским вариантом традиционной технологии MIMO. При ее использовании может обслуживаться несколько пользователей одновременно - их число зависит от поддерживаемого устройством числа пространственных потоков.
Схематично различия MIMO и MU-MIMO представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Различия MIMO и MU-MIMO
И MU-MIMO, и OFDMA служат для параллельной передачи, чтобы позволить более эффективную возможность соединения при многопользовательских сценариях и сложных условиях радиоканала, а также дополняют друг друга, уменьшая задержки и увеличивая скорость передачи данных.
Исследование системы передачи данных стандарта Wi-Fi 6 с использованием технологии формирования луча может быть осуществлено на базе модели, реализованной в программной среде MATLAB [2]. Модель представляет из себя систему передачи данных в нисходящей линии между точкой доступа и несколькими оконечными устройствами (в нашем случае четырьмя). Результатом работы модели является расчет скорости передачи данных в зависимости от потерь при распространении сигнала. Результаты расчета выводятся по отдельности для технологий OFDMA и MU-MIMO, а также для их совокупности, соответственно можно оценить эффективность совместной работы этих механизмов.
В модели можно задать модуляционно-кодирующую схему для каждого из устройств путем настройки параметра cfgMUMIMO.User{X}.MCS, а также выбрать мощность излучения путем настройки параметра cfgSim.TransmitPower. Для моделирования были выбраны значения в 20 и 30 дБм, что соответствуем максимальной мощности излучения в диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц, что соответствует требованиям [3] [4].
Результаты расчета скорости передачи данных в Мбит/с для различных технологий в зависимости от потерь сигнала при распространении представлены в таблице 1. Зеленым выделены значения скорости передачи данных, отличные от нуля, красным - нулевые скорости.
Таблица 1
Результаты расчета скорости передачи данных в Мбит/с для различных технологий в
зависимости от потерь сигнала при распространении
Номер MCS Потери при распространении сигнала, дБ
OFDMA MU-MIMO OFDMA + MU-MIMO
96 99 102 105 96 99 102 105 96 99 102 105
Мощность передачи 20 дБм
0 13,5 13,5 11,1 3,0 30,1 30,1 20,3 6,0 13,5 13,5 11,8 5,4
1 25,7 25,7 16,1 0,6 53,1 51,8 18,6 0,0 25,7 25,7 18,0 9,6
2 31,5 25,0 0,9 0,0 71,0 23,7 0,0 0,0 37,0 34,2 16,7 7,4
3 45,1 22,5 0,0 0,0 53,9 0,0 0,0 0,0 47,4 33,2 9,5 0,0
4 8,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 29,8 9,9 0,0 0,0
5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4,0 0,0 0,0 0,0
6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
10 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Мощность передачи 30 дБм
0 13,5 13,5 13,5 13,5 30,1 30,1 30,1 30,1 13,5 13,5 13,5 13,5
1 25,7 25,7 25,7 25,7 53,1 53,1 53,1 53,1 25,7 25,7 25,7 25,7
2 37,0 37,0 37,0 37,0 72,9 72,9 72,9 72,9 37,0 37,0 37,0 37,0
3 47,4 47,4 47,4 47,4 86,2 86,2 86,2 62,5 47,4 47,4 47,4 47,4
4 66,1 66,1 49,6 16,5 110,5 110,5 71,8 0,0 66,1 66,1 66,1 47,9
5 79,5 61,6 23,9 0,0 122,2 48,2 0,0 0,0 79,5 75,5 45,7 15,9
6 77,4 42,0 0,0 0,0 95,2 0,0 0,0 0,0 88,5 66,4 19,9 0,0
7 62,2 12,0 0,0 0,0 37,4 0,0 0,0 0,0 88,5 47,8 16,7 0,0
8 5,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 38,1 5,4 0,0 0,0
9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 25,7 0,0 0,0 0,0
10 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
11 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Таким образом, на основании полученных результатов моделирования можно сделать вывод, что совместная работа технологий OFDMA и MU-MIMO в отдельных случаях дает меньшую скорость передачи данных, чем при их использовании по отдельности, однако в других случаях их совместная работа увеличивает надежность радиоканала и оставляет возможность для передачи данных, чего, например, нельзя добиться использованием какой-то одной из этих технологий.
Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 122020100465-3 от 01.02.2022 в ЕГИСУ НИОКТР.
References
1. IEEE Standard for Information Technology - Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements. Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: Enhancements for High Efficiency WLAN. IEEE Std 802.11ax 2021.
2. 802.11ax Downlink OFDMA and Multi-User MIMO Throughput Simulation [Электронный ресурс]. - URL: https://www.mathworks.com/help/wlan/ug/802-11ax-downlink-ofdma-and-multi-user-mimo-throughput-
simulation.html?searchHighlight=802.11 ax&s_tid=srchtitle_802.11 ax_14 (дата обращения: 27.10.2022).
3. Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 14 сентября 2010 года №124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Часть I. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц» [Электронный ресурс]. - URL: https://digital.gov.ru/uploaded/files/pr124-10.pdf (дата обращения: 04.03.2022).
4. Приказ Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 06.07.2020 г. № 321 «О внесении изменений в Правила применения оборудования радиодоступа. Часть 1. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц, утвержденные приказом Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 14.09.2010 № 124» [Электронный ресурс]. - URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202008070002 (дата обращения: 04.03.2022).
