Evoluzione wireless: comprendere i grandi progressi tecnologici potenziando il Wi-Fi 6, 6E e 7

Questo articolo fa parte della serie Technology Insight, resa possibile grazie al finanziamento di Intel.

Un’importante sentenza della Commissione Federale per le Comunicazioni degli Stati Uniti in aprile ha liberato 6 GHz per l’uso senza licenza: un enorme impulso per espandere il potenziale del Wi-Fi. Le porte per prodotti e soluzioni che utilizzeranno le funzionalità Wi-Fi di nuova generazione stanno iniziando ad aprirsi solo ora. Sia i consumatori che le imprese dovrebbero essere pronti. A livello globale, il 59% del traffico dati mobile verrà trasferito al Wi-Fi entro il 2022. Quindi, che il tuo interesse sia l’intrattenimento personale o la produttività aziendale, comprendere le modifiche recenti e imminenti al Wi-Fi è la chiave per una pianificazione e scelte più intelligenti in tutto, dall’AR / Cuffie VR per abilitare i lavoratori remoti e l’IoT complesso.

PUNTI CHIAVE

• L’adozione del Wi-Fi 6 è diffusa in tutto il mondo consumer e business, ma è ancora nelle fasi iniziali.
• Le differenze principali nelle generazioni Wi-Fi riguardano le bande radio, le larghezze dei canali, il numero di bit utilizzati nella modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) e l’implementazione di MIMO (multiple-in / multiple-out).
• Il Wi-Fi 6 / 6E offre miglioramenti incrementali nelle prestazioni del singolo client ma grandi balzi in ambienti multi-dispositivo, comprese le abitazioni.
• Wi-Fi 7 arriverà entro il 2024, promettendo un throughput massimo superiore a 30 Gbps.

Per capire il Wi-Fi in generale e come le nuove generazioni migliorano rispetto ai loro predecessori, esaminiamo alcune specifiche chiave (avviso geek!)

tu sono (probabilmente) qui: Wi-Fi 4 e 5

Wi-Fi 4 (802.11n), lanciato nel 2007, mostra la sua età ma resta utilizzabile per ambienti meno esigenti. Un rapido aggiornamento delle sue statistiche vitali fornisce una base utile per apprezzare i progressi evolutivi del Wi-Fi.

• Bande. Wi-Fi 4 funziona su bande a 2,4 e 5 GHz. 2.4 GHz tende a fornire intervalli di copertura più lunghi, perché utilizza lunghezze d’onda maggiori (sebbene ciò possa essere controbilanciato nei punti di accesso e nei client a 5 GHz utilizzando antenne aggiuntive). Tuttavia, 5 GHz offre prestazioni migliori a intervalli più brevi, in parte perché i canali a 2,4 GHz tendono ad essere più stretti e più affollati di dispositivi collegati. 2.4 GHz lotta anche con la coesistenza con altre tecnologie wireless, come il Bluetooth.
• Canali da 20 MHz e 40 MHz. Wi-Fi 4 ha raddoppiato la larghezza di banda massima del canale dai 20 MHz dell’802.11b. Questo è importante, perché larghezze di banda più ampie gestiscono più traffico.
• QAM. La modulazione di ampiezza in quadratura digitale (QAM) trasmette i dati delle telecomunicazioni attraverso simboli, ciascuno dei quali contiene un dato numero di bit. Più bit per segnale significa più dati trasmessi in un dato ciclo. Un sistema 64-QAM trasmette 6 bit per simbolo.
• Multiple-in, multiple-out (MIMO). MIMO è una tecnica wireless per inviare e ricevere più segnali radio sullo stesso canale. MIMO utilizza più antenne a ciascuna estremità per sfruttare questa “propagazione multi-path” e ottenere un throughput complessivo più elevato. Più antenne generalmente significano prestazioni più elevate. Wi-Fi 4 consentiva per 4 × 4 MIMO, ovvero quattro antenne ciascuna per la ricezione e la trasmissione.

Wi-Fi 5 (802.11ac) è arrivato nel 2013. Ha rinunciato alla banda a 2,4 GHz e ha utilizzato solo 5 GHz. Wi-Fi 4 utilizzava uno schema MIMO per utente singolo (SU). Ciò significa che un dispositivo può trasmettere solo a un dispositivo ricevente alla volta. Wi-Fi 5 è passato a multiutente (MU-MIMO), aprendo la porta a una gestione molto più efficiente di più client da un router o punto di accesso. Larghezza massima del canale aumentata a 160 MHz e modulazione a 256-QAM. Il numero di flussi spaziali è raddoppiato da quattro a otto (sebbene pochi o nessun punto di accesso ne abbia mai implementati più di quattro). La velocità PHY (la larghezza di banda dell’interfaccia della scheda di rete) ha fatto un enorme balzo di 11 volte a 6,9 Gbps, producendo un throughput MAC pratico di 4,49 Gbps, rispetto a 390 Mbps per Wi-Fi 4. Ancora una volta, queste sono velocità teoriche, non quelle degli utenti visto nella vita reale.

Il nuovo ora: Wi-Fi 6 e (presto) 6E

Wi-Fi 6 (802.11ax) nell’agosto 2019. Basandosi solo sulle specifiche di alto livello, i miglioramenti rispetto al Wi-Fi 5 sembrano modesti. Per un singolo utente, Wi-Fi 6 è solo il 37% più veloce, con l’aggiunta dello spettro a 2,4 GHz insieme al supporto a 5 GHz. La larghezza di banda del canale supera i 40 MHz sotto i 2,4 GHz, ma raggiunge i 160 MHz completi a 5 GHz. Wi-Fi 6 passa a 1024-QAM, conserva il supporto per otto flussi spaziali (8 × 8) e fa anche MU-MIMO. Quando è al massimo, Wi-Fi 6 offre una velocità dati massima di 9,6 Gbps.

Se questo non sembra degno di un aggiornamento, aspetta. Pensa a quanti pochi dispositivi Wi-Fi erano sulla tua rete domestica dieci anni fa. La maggior parte di noi potrebbe contarli da una parte. Oggi, il numero è probabilmente raddoppiato e probabilmente si moltiplicherà nei prossimi anni. Immagina di provare a portare avanti conversazioni con più persone contemporaneamente in una stanza affollata. Con Wi-Fi 6, non solo puoi parlare (magicamente) a più persone contemporaneamente, ma puoi parlare e ascoltare in modo più efficiente, così le conversazioni si muovono più velocemente.

Wi-Fi 6 introduce l’accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale (OFDMA), un ingombrante boccone che consente ai router di suddividere i canali in bande radio più piccole chiamate unità di risorse (RU). Diverse RU possono servire diversi dispositivi client per un migliore supporto di ambienti di dispositivi affollati e / o supportare diversi flussi di dati sullo stesso dispositivo, il che può aiutare a ridurre la latenza. La combinazione di Wi-Fi 6 di OFDMA e MU-MIMO, che ora supporta la comunicazione multi-dispositivo in formato tutti e due direzioni, è particolarmente potente.

Wi-Fi 6 ottimizza ulteriormente per gli ambienti affollati con una funzionalità chiamata Overlapping Basic Service Sets (OBSS). Con le generazioni Wi-Fi precedenti, i dispositivi client verificavano se il traffico utilizzava un determinato canale radio prima della trasmissione. In tal caso, avrebbero aspettato fino a quando il canale non fosse stato pulito, indipendentemente dal fatto che il traffico provenisse dalla rete dell’utente o da un’altra rete in competizione / sovrapposta nello stesso spazio. Questo è positivo per alleviare la congestione, negativo per i tassi di latenza. Piuttosto che aspettare che tutto il traffico sia andato da un canale prima di procedere, OBSS consente al router / punto di accesso di “colorare” il traffico in base alla rete. La rete dell’utente potrebbe essere blu e una rete concorrente rossa. (Queste sono metafore visive, non colorazione letterale dei pacchetti IP.) Se viene visualizzato il traffico rosso, il router può andare avanti e consentire comunque il traffico blu, aumentando così l’affidabilità e riducendo la latenza.

OBSS si dimostrerà fondamentale in una vasta gamma di applicazioni. Uno è il campo in crescita della chirurgia a distanza, dove il video deve essere alla massima risoluzione possibile e con il minor ritardo possibile. Uno studio del 2014 ha rilevato che “le latenze ≤200 ms sono ideali per la telechirurgia; 300 ms è adatto anche. ” Il test Wi-Fi 6 rileva spesso tassi di latenza inferiori a 40 ms.

Allo stesso modo, le applicazioni VR hanno lottato a lungo contro il malessere della realtà virtuale, in cui frame rate, risoluzione e latenza possono essere importanti fattori che contribuiscono. La maggiore larghezza di banda e la minore latenza di Wi-Fi 6 possono mitigare questi problemi. Anche i giochi trarranno vantaggio dal Wi-Fi 6, specialmente in generi come sparatutto in prima persona e giochi ritmici, dove la precisione in una frazione di secondo è fondamentale.

Miglioramenti in termini di congestione, densità, sicurezza

Wi-Fi 6 diventa più intelligente nella riduzione della congestione wireless. Ogni dispositivo client invia un ping periodico al router, fornendo la sua identificazione e lo stato. Immagina un insegnante che cerca di fare un tiro, dicendo: “Chi è qui?” Se 20 bambini rispondono contemporaneamente, è caos. Wi-Fi 6 implementa Target Wake Time, consentendo ai router di pianificare quando i dispositivi possono eseguire il ping dei dati. Inoltre, un minor numero di riattivazioni del dispositivo può tradursi in una maggiore durata della batteria del dispositivo.

Anche la densità del dispositivo migliora. Considera gli ambienti IoT pieni di dispositivi intelligenti, come i piani di produzione o i teatri militari pieni di truppe e ordigni. Centinaia di dispositivi possono funzionare entro pochi metri quadrati (compresi i dispositivi alimentati a batteria, che beneficeranno di un minor consumo energetico), tutti tentando di connettersi a piena velocità con un unico punto di accesso. Wi-Fi 6 lo rende possibile a livelli di prestazioni sostenuti e precedentemente impossibili.

Per la sicurezza, Wi-Fi 6 si basa su WPA3, che rimedia ad alcune delle suscettibilità di WPA2 agli attacchi di forza bruta alle passphrase e alla possibilità per gli utenti malintenzionati di eseguire l’acquisizione di pacchetti in hotspot pubblici. WPA3 abilita Wi-Fi Enhanced Open, che preserva la crittografia su una rete altrimenti aperta, alleviando alcune esigenze di sicurezza tramite VPN. Ciò renderà i computer wireless pubblici e gli ambienti di lavoro ad alto traffico (si pensi agli hotel degli uffici e alle sale riunioni delle sedi centrali) molto più sicuri e convenienti.

Nell’anno trascorso dal lancio della specifica, ora abbiamo un buon numero di router di fascia alta (e retrocompatibili) che supportano la specifica. Tuttavia, nel gennaio 2021, si prevede l’arrivo di Wi-Fi 6E. Wi-Fi 6E si avvale della decisione della Federal Communications Commission (FCC) dell’aprile 2021 di aprire 1200 MHz di spettro radio a circa 6 GHz per un utilizzo senza licenza. Ciò consentirà altri sette canali da 160 MHz.

Sopra: man mano che il numero di canali disponibili per i dispositivi client cresce con la banda a 6 GHz, ci saranno opportunità di fare compromessi tra velocità più elevate e conteggi di dispositivi più elevati.

Credito immagine: Intel

Wi-Fi 6E preserva tutte le funzionalità Wi-Fi 6 e aggiunge una terza banda radio a 6 GHz. Questa larghezza di banda aggiuntiva sarà sempre più preziosa per le applicazioni ad alta velocità di trasferimento dati, in particolare quelle con componenti video ad alta definizione. Abbiamo accennato alla realtà virtuale, ma ne trarrà beneficio anche la realtà aumentata. Allo stesso modo, i fornitori di servizi offriranno cose come l’intrattenimento a bordo del veicolo e il tethering dei dispositivi ad alta velocità. Wi-Fi 6 consente feed video 4K e superiori, con più telecamere che si connettono a meno punti di accesso, risparmiando così sui costi di infrastruttura.

Potrebbe essere necessario più tempo prima che 6E diventi mainstream, poiché le applicazioni e gli ambienti convenzionali potrebbero non richiedere lo spazio per le gambe aggiuntivo del traffico.

Guardando avanti: Wi-Fi 7

Wi-Fi 7 (802.11be) dovrebbe arrivare nel 2024. Quest’ultima evoluzione potrebbe essere l’assassino Gigabit Ethernet che stavi aspettando.

Parte di questo deriverà dall’adozione di 4096-QAM e in parte dalla capacità di lavorare su 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz contemporaneamente, piuttosto che saltare singolarmente alla migliore opzione possibile. Wi-Fi 7 abbraccerà larghezze di banda fino a 320 MHz e 16 flussi spaziali. È interessante notare che, come discute il documento sulle caratteristiche del candidato dell’IEEE, i canali più ampi non sono sempre migliori. Ma i problemi con canali molto ampi possono essere mitigati con il funzionamento simultaneo multibanda. Tutto ciò più che quadruplicherà la velocità dati teorica massima di Wi-Fi 7 a oltre 46 Gbps, con una larghezza di banda del mondo reale prevista fino a 30 Gbps condivisa su molti dispositivi.

Il video sarà un enorme beneficiario. Il video 8K utilizza quattro volte più pixel del 4K e molte persone probabilmente avranno bisogno di più flussi consegnati. Si prevede che Wi-Fi 7 triplichi le velocità di Wi-Fi 6 su due volte il numero di frequenze, in parte grazie alla capacità di trasmettere e ricevere simultaneamente sulla stessa frequenza e su più bande. Ancora una volta: velocità più elevate, più dispositivi e latenza inferiore. Tutto ciò che ha beneficiato di Wi-Fi 6 e 6E migliora in questa prossima versione.

I chipset Wi-Fi 7 di prima generazione sono previsti per la fine del 2023, ma c’è ancora molto di cui essere entusiasti per le iterazioni Wi-Fi 6 / 6E da svolgere prima del Wi-Fi 7 pronto per la produzione. Se i leader del settore come Deloitte, Cisco, Intel e altri hanno ragione, Wi-Fi e 5G coesisteranno e giocheranno un ruolo fondamentale nel fornire prestazioni ininterrotte e notevolmente migliori per le applicazioni AI, edge e cloud a vantaggio di consumatori, lavoratori mobili e organizzazioni allo stesso modo.