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APPROFONDIMENTO TECNICO

Il protocollo wireless 802.11ax: tecnologia e specifiche tecniche del nuovo Wi-Fi 6

Il protocollo 802.11ax ha portato un cambio di paradigma nella gestione delle reti wireless: non ci interessa più solo avere più banda, ma avere una banda più efficiente e poter gestire meglio e in sicurezza più apparati. Ecco tutta la tecnologia che c’è dietro al nuovo Wi-Fi 6

31 Ott 2019
S
Pietro Suffritti

Per.Ind., membro commissione ICT del CNPI, network & security manager, DPO certificato


Per capire che cosa sta succedendo oggi sulle reti Wi-Fi e perché il protocollo 802.11ax viene identificato con la sesta generazione del Wi-Fi, viene utile capire quali erano le cose che si chiedevano ieri a queste strutture, cosa gli si chiede oggi e giungere a ciò che gli verrà chiesto domani.

Reti Wi-Fi: come si è arrivati al protocollo 802.11ax

Se partiamo dal 1999 con la nascita del Wi-Fi e i protocolli 801.11a e 802.11b è facile ricordarci che si stava parlando di una commodity secondaria, di qualcosa che se c’era era carino ma se non ci fosse stato si sarebbe vissuto lo stesso, e i cui 11 Mbps erano considerati più che sufficienti.

Intorno al 2003/2004 abbiamo assistito al primo cambio di paradigma: i protocolli Wi-Fi non erano più qualcosa di secondario, ma qualcosa che doveva esserci.

Si iniziavano a presentare sul mercato apparati che richiedevano espressamente una rete Wi-Fi per collegarsi a Internet ed essere funzionali ed è stato introdotto il protocollo 802.11g, che coi suoi 54 Mbps era considerato sufficiente per soddisfare le necessità di banda dell’epoca.

Tra il 2007 e il 2008 è nato l’IPhone di Apple: da lì è derivata una intera serie di dispositivi personali che necessitavano assolutamente di connettività veloce e costante. La richiesta di reti Wi-Fi sempre più veloci è esplosa, insieme a un’occupazione sempre più densa geograficamente di reti WiFi di tutti i generi.

La diffusione di reti casalinghe installate in modalità “Plug and Play” ha saturato le reti sui 2,4 GHz portandole a densità altissime e con l’introduzione del protocollo 802.11n la banda disponibile si espandeva fino a 100 Mbps reali e 600 teorici.

Dal 2013 fino ad oggi, in uno scenario in cui dovunque si trovano almeno tre o quattro reti a contendersi l’uso delle frequenze, l’802.11ac è stata la salvezza delle infrastrutture usate a scopo professionale: traghettandoci sui 5 GHz (molto meno affollati) e consegnandoci velocità di picco oltre i 433 MHz, lo standard “ac” ha permesso di continuare a fornire, a chi ne aveva bisogno per lavoro, delle reti effettivamente operative.

Oltre a ciò, ci si iniziava a porre il problema che oggi sta dominando le richieste che giungono sui tavoli dei progettisti di rete.

Il problema iniziava ad essere non solo “quanta banda” potevamo dare ai device, ma soprattutto “quanti device” potevamo gestire, e spesso il problema si è spostato più in là ancora, parlando di “device per metro quadro”.

E oggi arriviamo ai nuovi protocolli come l’802.11ax e al loro nuovo cambio di paradigma:

non ci interessa più solo “avere più banda”, ma avere una banda “più efficiente” e poter gestire meglio “più apparati”.

Non si parla più di una comunicazione “uno a uno” tra un access point (AP) e un device/client, o al massimo tra un AP e pochi device che si possono soddisfare frazionando la banda in time sharing; la situazione si è evoluta a un punto tale per cui ci troviamo ad avere molti device in aree geografiche dove la moltiplicazione degli AP non può essere una strada perseguibile sia per costi ma soprattutto per problemi di occupazione degli spettri di frequenza.

Bisogna ricordarsi, infatti, che due AP nella stessa zona sugli stessi canali non solo “non si aiutano a vicenda”, ma creano quel vero e proprio “disastro ferroviario in forma di onde radio” conosciuto come “co-channel interference“.

Se due access point vogliono parlare contemporaneamente con differenti device ma sullo stesso canale, quello che si otterrà è che ognuno vedrà l’altro come una fonte di disturbo, riducendo la capacità di comunicazione fino allo zero, abbassando in modo devastante quel parametro essenziale delle reti Wi-Fi conosciuto come SNR – Signal to Noise Ratio.

Ecco, lo scopo del protocollo 802.11ax non è tanto incrementare la “velocità di picco” disponibile, bensì mettere in essere tutta una serie di accorgimenti che si focalizzano sul permettere a più device una migliore esperienza di navigazione, migliorando le capacità trasmissive, permettendo una copertura migliore e persino riducendo per quanto possibile le congestioni.

Anche se per un lungo tempo si è sperato nell’apertura di nuove bande di frequenza a disposizione delle strutture Wi-Fi, con lunghe discussioni sulla possibilità di liberalizzazione ed impiego delle frequenze sui 3,7 GHz per il Wi-Fi 6 (altro nome dell’802.11ax), l’attuale fame di frequenze disponibili per qualunque scopo sta rendendo sempre più improbabile la realizzazione di questa “promessa” quanto meno in tempi rapidi.

Quindi, non ci resta che focalizzarci sull’uso migliore possibile delle frequenze dei 2,4 e 5 GHz attualmente a nostra disposizione.

Gli scopi del protocollo 802.11ax: cosa vogliamo, come lo otteniamo

Purtroppo, in ingegneria dobbiamo adattarci a una serie di fatti antipatici, tra cui il fatto che se vogliamo ottenere qualcosa di più da una parte, spesso lo otteniamo a discapito di qualcos’altro dall’altra.

Partendo dal presupposto che le trasmissioni via radio (e una rete Wi-Fi è una rete via radio) non riescono a staccarsi da questa realtà della fisica, è fondamentale rendersi conto di quali sono gli obiettivi che ci si è posti nello sviluppo delle reti Wi-Fi 6 e come si è riusciti ad ottenerli.

Non stupirà vedere che l’incremento della qualità delle radio impiegate, e quindi del livello qualitativo degli apparati, ha giocato un ruolo importante in questa rivoluzione, e che visto che le radio normalmente sono la parte più costosa di un Access Point sarà estremamente complesso vedere un’implementazione corretta del Wi-Fi 6 su AP da pochi euro destinati al mercato SOHO.

Se si vuole fare un rapido riepilogo degli obiettivi che ci si è posti nello sviluppo della rete Wi-Fi 6 si può riassumere dicendo che si voleva ottenere una gestione ottimale di dozzine di apparati Wi-Fi connessi contemporaneamente ad ogni radio di ogni AP, creando così ambienti estremamente densi e ugualmente funzionanti in modo ottimale.

Se invece vogliamo scendere più nel dettaglio possiamo dire che gli obiettivi erano:

  • sfruttare al meglio possibile le due bande già disponibili dei 2,4 e 5 GHz;
  • migliorare le modalità di gestione del traffico;
  • incrementare il livello di banda passante disponibile di ogni AP di almeno 4 volte nelle aree ad alta densità di apparati;
  • migliorare le prestazioni di comunicazione sia indoor che all’aperto;
  • mantenere o migliorare l’efficienza energetica sia dei device che degli AP.

Per ottenere ciò, si è utilizzato una serie di protocolli introdotti nel mondo della comunicazione cellulare, oltre che allo sviluppo di metodologie apposite.

Per coloro che vogliono avere una panoramica veloce delle novità, ecco qui cosa è stato introdotto:

  • MU-OFDMA, o Multi User Orthogonal Frequency Division Multiple Access, sia in Uplink (UL) che in Downlink (DL), che ci permette di suddividere il canale radio in tanti canali più piccoli ed assegnarne “pezzetti” ad ogni comunicazione differente che avviene in contemporanea;
  • MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) che passa da un massimo di 4×4 a 8×8 sia in Upload che in Download, permettendoci di dedicare flussi radio specifici a differenti client;
  • Spatial Reuse, chiamato anche BSS coloring, che ci permette di limitare il disturbo che device vicini tra loro si creano l’uno con l’altro;
  • TWT, o Target Wake Time, che ci permette di fare durare di più le batterie;
  • 1024-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), che ci permette di mandare più bit nella stessa unità di tempo;
  • Nuovi header fisici, che ci permettono di riconoscere immediatamente il tipo di trasmissione che segue;
  • robustezza di trasmissione all’aperto aumentata da una serie di modifiche al protocollo;
  • Supporto sia alle frequenze di 5 GHz che ai 2,4 GHZ invece che a solo una delle due.

A questo punto vediamo in dettaglio ognuna delle tecnologie introdotte, per capire come ci cambieranno la vita.

Protocollo 802.11ax: la tecnologia Multi User

L’idea di base è semplice se si pensa che le comunicazioni Wi-Fi considerano ugualmente importante l’access point e il client device; si tratta di creare degli access point che siano in grado di gestire contemporaneamente più device fin dal livello radio, spezzando così il vincolo “un access point parla con un device” e lasciando come unica scelta per l’impiego da parte di più device il time sharing.

Le due tecnologie Multi User più importanti definite nell’802.11ax sono il MU-OFDMA, o Multi User Orthogonal Frequency Division Multiple Access, e il MU-MIMO, o Multi User Multiple Input Multiple Output.

Il Multi User Orthogonal Frequency Division Multiple Access (MU-OFDMA)

il MU-OFDMA è l’evoluzione multi user del sistema OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

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Questo sistema fraziona un canale Wi-Fi in tanti sottocanali, o subcarriers, dividendo il pool delle frequenze disponibili in blocchi che poi a loro volta possono venire gestite dividendoli in base al tempo in differenti “blocchi operativi”, chiamate RU (Resource Units), cosa che permette all’AP di decidere come gestire la comunicazione radio con i client.

In pratica l’AP sarà in grado di decidere “quale fetta e per quanto tempo” di un canale da 20 MHz assegnare ad ogni client in base alle necessità specifiche.

Questo concetto era già presente in modo basilare all’interno del protocollo OFDM, ma mentre un canale 802.11ac da 20 MHz in OFDM poteva essere suddiviso al massimo in 64 sottocanali da 312 kHz, l’introduzione dell’MU-OFDMA ha ridotto il “symbol time” della trasmissione (il tempo che ci si mette a “dire un simbolo” via radio) permettendo di aumentare il frazionamento dei sottocanali fino a 256 sottocanali da 78,125 kHz.

Già diventa intuitivo che potendo frazionare in unità più piccole sia più facile ottenere dei risultati migliori, ma in più qui entra in gioco la grande differenza che merita il nome di “multi user” all’OFDMA e non all’OFDM.

Mentre l’OFDM, infatti, poteva dividere il canale in più sottocanali, ma poi si limitava a poter fornire al massimo più flussi verso lo stesso client in quello specifico momento, il MU-OFDMA è in grado di servire apparati differenti su subcarrier diversi contemporaneamente, utilizzando il concetto di Resource Unit , o RU.

Come si può vedere nella figura esplicativa sopra riportata, nel MU-OFDMA ogni “casella” diventa una RU che l’access point può assegnare a un diverso client, permettendo in tal modo di gestire le comunicazioni come desiderato, che questo significhi date tutte le RU disponibili a un solo client fornendo quindi a quel client una banda passante estremamente alta, oppure che significhi distribuirle tra i client connessi in base alle loro necessità.

In pratica, il concetto è quello di utilizzare sottocanali più piccoli del canale principale disponibile in modo da potere indirizzare con maggiore efficienza la banda disponibile, fino anche a frazionarla su differenti client.

Ovviamente il costo è l’impiego di un certo numero di trasmissioni utilizzate per “gestire le operazioni”, anche perché un primo ovvio risultato di questa tecnologia è permettere comunicazioni contemporanee in upload e download dallo stesso apparato allo stesso AP, che altrettanto ovviamente richiedono sincronizzazione e coordinamento per essere “significative”.

Il Multi User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO)

il MU-MIMO è una tecnologia già presente anche nell’802.11ac, sebbene pochi device fossero in grado di sfruttarla correttamente.

In pratica è un modo per inviare differenti frame a differenti device in punti differenti utilizzando flussi di dati modulati in modo differente per parlare simultaneamente con differenti client, impiegando più antenne per “modulare la forma” del flusso spaziale e gestire i flussi in modo differenziato.

In pratica la nostra “bolla radio” smette di essere più o meno una “sfera” ma inizia a “puntare” sui client su cui si sta parlando.

Questo sistema permetteva già con la versione precedente del protocollo di parlare contemporaneamente con fino a 4 differenti device per ogni radio, ma il fatto che ci fossero presenti sul mercato pochissimi device che lo supportavano e soprattutto ancor meno device con più di una antenna ne limitava l’impiego in modo fortissimo.

Con la nuova versione del protocollo si può arrivare a gestire fino a 8 differenti flussi radio spaziali e con una maggiore precisione di gestione, ottenendo fino a una gestione “8×8:8” (fino a 8 antenne per 8 radio su 8 flussi spaziali differenti).

Ovviamente diventa possibile anche fasciare insieme più flussi per aumentare la banda passante verso un solo device, ma il MU-MIMO non è nato per questo e da questo punto di vista esistono soluzioni migliori.

Purtroppo, però, il MU-MIMO non è tutto rose e fiori. In primo luogo, per avere una corretta gestione, i device devono essere sufficientemente lontani tra di loro da permettere all’access point di puntare un diverso flusso radio su ognuno di essi.

In più, va ricordato che non possono essere solo gli AP ad essere attrezzati per poter utilizzare questa tecnologia, ma anche i device e quindi normalmente il reale impiego di questa tecnologia è fortemente influenzato dal tipo di oggetti che si collegano alla nostra rete.

Bisogna fare molta attenzione a non confondere MU-MIMO e MU-OFDMA: il primo permette di gestire utenti diversi creando differenti stream spaziali, il secondo invece suddividendo il canale.

Per capire meglio dove e come impiegare le due tecnologie, qui sotto vediamo uno specchietto con relativi punti di forza l’uno rispetto all’altro:

MU-MIMOMU-OFDMA
Incremento della capacitàIncremento dell’efficienza
Velocità maggiori per ogni utenteLatenza inferiore per ogni utente
Più indicata con pacchetti grandiPiù indicata con pacchetti piccoli
Migliore per applicazioni ad alta richiesta di bandaMigliore per la applicazioni a bassa richiesta di banda

Il protocollo 802.11ax a livello teorico consentirebbe anche l’uso contemporaneo di tutte e due le tecnologie, ma attualmente non vi sono implementazioni pratiche che ci permettano di attivarle entrambe, riportando quindi alla scelta del progettista di rete quale delle due impiegare effettivamente in base alle proprie esigenze specifiche, e soprattutto in base alla previsione delle capacità dei client che prevede connessi alla propria infrastruttura.

Il BSS Coloring per gestire le interferenze Wi-Fi

Uno dei problemi più grossi che dobbiamo affrontare nella gestione delle reti Wi-Fi è la “Co-Channel Interference”, chiamata anche in alcuni casi “Overlapping basic service set”.

Per capire di che problema si tratta bisogna ricordarsi che le reti Wi-Fi trasmettono via radio, e via radio non si possono avere sullo stesso canale comunicazioni contemporanee: quando uno parla gli altri devono ascoltare, pena la impossibilità di portare a termine la comunicazione.

Per gestire questo problema nelle reti Wi-Fi si è sempre impiegato un protocollo chiamato CSMA/CA (Carrier Sense with multiple access collision avoidance) che in pratica impiega un particolare preambolo trasmissivo fisico per dire a tutti coloro che sono in area su quel canale “adesso parlo io”.

Quando gli altri apparati presenti in area sentono l’arrivo di un preambolo fisico (PHY) con una forza sufficiente (un Signal Detect con una forza di almeno 4 dB) rimandano le proprie trasmissioni, in modo tale da non collidere.

Il problema è che questo sistema si attiva tutte le volte che viene intercettato il segnale PHY ovunque in zona, e non solo quando viene intercettato un segnale destinato al gruppo di device che dovrebbero parlare tra di loro, cioè l’Access Point e i client ad esso collegati, conosciuti come BSS – Basic service set.

Considerato quindi il fatto che chiunque invii nell’area un segnale PHY fa rimandare a tutti gli altri la trasmissione si capisce perché il CSMA/CA è particolarmente esoso in termini di banda ed efficienza(sulle reti a/b/g può portare in media la capacità al 40-50 % della banda teorica, sulle reti n/ac al 60-70 %), soprattutto perché la prima causa di interferenza su una rete non sono gli access point, ma sono i client, che si muovono e spesso vengono sentiti non solo sul proprio canale ma anche su quelli adiacenti.

Basti pensare alle trasmissioni sul 2,4 GHz dove il numero di canali effettivamente separati è estremamente ridotto per comprendere quanto il problema diventi rapidamente difficile da gestire, e come mai sia così dispendioso in termini di banda.

Con la metodologia del BSS coloring si è introdotto all’interno del preambolo fisico un codice da 1 a 7, definito “color”, che identifica il BSS di cui si fa parte e che permette a chi è attrezzato per impiegare tale tecnologia di sapere “con chi vuole parlare” chi emette quel determinato preambolo PHY, riducendo quindi il problema: se il codice colore è lo stesso che sto usando anche io che lo ricevo, allora la mia trasmissione dovrà venire ritardata, mentre se non lo è la radio del ricevente ritarderà solo per il tempo necessario a leggere il codice colore.

Il Target Wake Time (TWT) per il risparmio energetico

il TWT è un meccanismo nato per permettere di fare risparmiare energia ai device, con in mente in modo specifico i device IoT dotati di una batteria e che solo saltuariamente devono comunicare sulla rete.

In pratica il sistema “prevede” quando sarà la prossima volta che sarà necessaria una trasmissione/ricezione, e permette quindi all’apparato di andare in power saving mode per tutto il tempo tra le due trasmissioni.

Rispetto a precedenti sistemi di power saving il TWT permette di schedulare la prossima trasmissione anche a ore di distanza, permettendo quindi ai produttori di device IoT di sfruttare al meglio le batterie.

L’upgrade della codifica QAM da 256 a 1024-QAM

La codifica QAM è il modo in cui si trasmettono i simboli utilizzando un canale radio praticamente dalla nascita delle reti Wi-Fi.

Essa usa sia la fase che l’ampiezza del segnale in radiofrequenza per esprimere contemporaneamente più bit in un solo “simbolo radio”.

Già con il protocollo 802.11ac si è introdotta una codifica 256-QAM che permette con un solo simbolo di esprimere 8 bit; ora, con l’introduzione del 1024-QAM si è passati all’espressione di 10 bit per simbolo, introducendo un possibile incremento della banda passante del 20%.

I nuovi PHY HEADER

Come abbiamo visto nel BSS Coloring, l’importanza del segnale PHY è importantissimo per il controllo delle trasmissioni, e il protocollo 802.11ax non si è fermato solo alla definizione del “colore”, ma ha introdotto una nuova serie di headers PHY specifici per supportare le trasmissioni radio HE (High Efficiency).

Gli header nuovi permettono di specificare fin dall’inizio di che tipo di trasmissione si tratta, permettendo così a chi lo riceve di essere già pronto col giusto settaggio.

I nuovi header sono specifici per le trasmissioni Single User High Efficiency, Multi User High Efficiency, Single User Extended Range High Efficiency, Multi User Extended Range High Efficiency e High Efficiency Trigger Based.

Protocollo 802.11ax: maggior robustezza sulle trasmissioni all’aperto

Le migliorie introdotte nel protocollo per migliorare le trasmissioni all’aperto sono numerose. La più importante probabilmente è il nuovo formato del pacchetto dove i campi più importanti vengono ripetuti, aggiungendo così maggior robustezza alla trasmissione in quanto un disturbo che colpisse parte del pacchetto ha molte meno probabilità di rendere il pacchetto illeggibile e/o da ritrasmettere.

Altre capacità aggiunte che migliorano la trasmissione in aperto sono intervalli di controllo più ampi e modalità che introducono ridondanze più ampie per permettere una miglior robustezza della trasmissione.

Protocollo 802.11ax: supporto ai 2,4 e ai 5 GHz

Le reti 802.11ax, al contrario delle “ac”, potranno usufruire di entrambi i set di frequenze libere attualmente disponibili, rendendo così più longevi gli apparati sui 2,4 GHz.

Considerando che sembrano sempre più allontanarsi le speranze della liberazione di un nuovo set di frequenze intorno ai 3,6/3,7 GHz l’impiego di tutto ciò che riusciamo ad avere disponibile, compresi i 3 canali del 2,4 GHz, in una situazione di sovraffollamento come quella attuale risulta sempre più importante.

Alcune considerazioni progettuali finali

Che cosa possiamo arrivare a concludere dal punto di vista progettuale come vere innovazioni portate dal nuovo protocollo?

Alcune cose restano sempre più evidenti, e dovremo tenerne conto.

Le bande in crescita oltre il Gb

Le nuove tecnologie introdotte potranno portare fino ai 2,4 Gbps la banda passante disponibile per una comunicazione 802.11ax, sfondando così il muro della velocità di 1 Gb disponibile sugli switch.

Sebbene l’intero punto dell’802.11ax dovrebbe essere distribuire questa banda su più oggetti più che concentrarla su uno solo bisogna essere ben coscienti di questo possibile “problema” in quanto il pensiero di collegare gli AP a switch con porte multigigabit ormai è da tenere presente

Le necessità di alimentazione PoE avanzata

I nuovi AP 802.11ax saranno praticamente tutti almeno degli apparati dual band 4×4:4, ma potranno facilmente arrivare fino a 8×8:8; in più per implementare tutte le funzionalità previste sarà richiesta loro una potenza di calcolo considerevole.

In una situazione simile possiamo pensare che continuino ad essere sufficienti i 15,4 watt distribuiti sui sistemi PoE?

Per quello a cui stiamo assistendo attualmente direi che sia più prudente iniziare a considerare apparati PoE Plus da 30 watt per porta, portando a ricalcolare i budget di potenza distribuiti dagli switch basandosi su quest’ultimo parametro di potenza.

Che tipo di device possiamo aspettarci?

È pensabile che da qui a un tempo relativamente breve si possa vedere sui portatili, sui cellulari e sui device IoT dei client 802.11ax 8×8:8?

A mio avviso decisamente no, e oltre tutto non lo vedo neppure come qualcosa di auspicabile.

In primo luogo, perché oggetti di questo genere andrebbero ad incidere pesantemente sulle vite delle batterie dei nostri device mobili, e in secondo luogo perché come ho più volte ripetuto lo scopo del nuovo protocollo è servire bene più client, non servire meglio meno client.

Già attualmente vediamo la prima comparsa dei primi device 802.11ax dual-radio 2×2:2, e questi sono probabilmente i device che vedremo più facilmente disponibili in giro.

Probabilmente vedremo rapidamente anche qualche laptop di fascia alta equipaggiato di schede 4×4:4.

Questo tipo di distribuzione ci porterà probabilmente ad avere un uso sempre più estensivo dell’MU-OFDMA, che andremo ad utilizzare probabilmente sempre di più.

Certamente, in situazioni a bassa densità di device il MU-MIMO giocherà ancora la parte del leone, ma finché saremo costretti a scegliere tra l’uno e l’altro probabilmente in situazioni “pubbliche” sarà più facile ottenere migliori risultati dall’ OFDMA che dal MIMO.

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I Servizi Gestiti possono essere un’attività estremamente redditizia. Quali gli strumenti utili?

Ovviamente finché non avremo AP in grado di permetterci di usare entrambi senza problemi, a quel punto la scelta non sarà più indispensabile.

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