WI-FI 6: alcune note tecniche su OFDMA

La tecnica di accesso multiplo OFDMA è l'asso nella manica del nuovo standard 802.11ax comunemente detto Wi-Fi 6

WI-FI 6: alcune note tecniche su OFDMA

Novità di Wi-Fi 6

Le reti wireless sono diventate sempre più utilizzate: un maggior numero di dispositivi, più connessioni e applicazioni che richiedono maggior larghezza di banda. Le reti wireless per il futuro avranno bisogno di sempre maggiore capacità e affidabilità. L’evoluzione attuale si chiama confidenzialmente Wi-Fi 6.

Più formalmente denominato standard IEEE 802.11ax, si tratta dell’ultima evoluzione delle WLAN. Basato sui punti di forza di 802.11ac, promettendo maggior flessibilità e scalabilità alle applicazioni di prossima generazione.

IEEE 802.11ax consente agli access point di supportare più client, anche in ambienti congestionati, e offrire un’esperienza d’uso migliore agli utenti WLAN. Esso fornisce inoltre prestazioni più stabili per applicazioni avanzate come video 4K, Ultra HD, uffici smart e Internet of Things (IoT). Offrendo una gestione più flessibile dei tempi di sospensione/wake-on-lan, il nuovo standard consente ai dispositivi client di restare in stand-by molto più a lungo rispetto al precedente 802.11ac e di riattivarsi con minori contese. Questo a tutto vantaggio della durata della batteria di smartphone, IoT e altri dispositivi mobili.

Per raggiungere questi risultati, lo standard IEEE 802.11ax agisce in particolare su tre specifiche tecniche:

  • Modulazione più densa utilizzando la modulazione di ampiezza in quadratura 1024 (1024-QAM), che consente una velocità di burst superiore del 35%;
  • Scheduling basato su OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) per ridurre il sovraccarico e la latenza;
  • Tecnica di segnalazione più robusta e ad alta efficienza con un RSSI (Received Signal Strength Indication) significativamente inferiore.

OFDMA è l’innovazione più significativa

Molte richieste simultanee da parte degli utenti della WLAN provocano congestione della rete e rallentamenti: i client infatti, in queste condizioni di sovraffollamento, devono mettersi in coda per poter completare le trasmissioni. OFDMA è un passo avanti per la risoluzione del problema della congestione. Essa è in grado di gestire più utenti contemporaneamente e assegnare a ciascuno la larghezza di banda in modo più efficiente.

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), come detto, consente a più client di trasmettere o ricevere contemporaneamente da un Access Point condividendo la larghezza di banda disponibile. L’efficienza spettrale di OFDMA migliora la latenza di trasmissione o il ritardo in ambiente RF, che ha un livello di congestione da moderato ad alto. Inoltre, essa aumenterà anche il throughput in alcune implementazioni Wi-Fi 6, a causa della riduzione delle collisioni e dei tempi di contesa.

Più nel dettaglio, OFDMA consente, data una determinata larghezza di banda del canale, di raggruppare le sottoportanti in segmenti più piccoli chiamati “Resource Units” (RU). Queste RU sono assegnate a stazioni diverse, cosa che consente agli Access Point di servirle contemporaneamente durante le trasmissioni in uplink e downlink.

OFDMA by Cisco
Differenze nella allocazione della banda tra OFDM e OFDMA. Credits: Cisco.

Le sottoportanti sono ulteriormente suddivise in componenti più piccole, dette toni. Possiamo dire che una RU è costituita da più toni. Nel Wi-Fi 6, la spaziatura tra le sottoportanti è di 78,125 KHz, ovvero un quarto della spaziatura di 312,5 KHz propria dello standard 802.11ac.

Sulla base di questo, possiamo costruire una formula per calcolare il numero di toni per le diverse larghezze di banda. Ovvero:

Numero di toni = (BW in MHz) ÷ (0,078125 MHz). Applicando questa formula per larghezze di banda pari a 20 MHz,40 MHz e 80 MHz si ottiene un numero di toni pari a 256, 512 e 1024 rispettivamente. Tuttavia non tutti questi toni possono essere utilizzati per i dati poichè alcuni devono essere riservati per altre operazioni. Sintetizzando, ogni RU potrà contenere 26, 52, 106, 242 o 996 toni utili per i dati.

In relazione alla larghezza di banda (vedi figura sottostante), tenendo conto di quanto detto in precedenza ovvero che la separazione tra le sottoportanti è di 78,125 KHz, si può calcolare facilmente che ogni RU con 26 toni corrisponde a circa 2 MHz, con 52 toni a circa 4 Mhz, con 106 toni a circa 8 Mhz e così via.

RU tones bandwidth. Credits Cisco
Physical layer protocol data unit (PPDU) e diversi RU. Credits Cisco.

Correlazione tra RU e larghezza di banda del canale

La tabella seguente rappresenta la relazione tra numero di sottoportanti e larghezza di banda del canale. Possiamo dire, semplificando, che la tabella rappresenta il numero di utenti OFDMA per un particolare tono per una determinata larghezza di banda. Ad esempio, per una banda di 80 Mhz, sono supportati un massimo di 37 utenti con RU a 26 toni. A 40 Mhz, con lo stesso RU sono supportati un massimo di 18 utenti. A 20Mhz, un massimo di 9 utenti. Ove si legge 1 è il caso di un singolo utente (SU), in cui gli viene allocato l’intero spettro.

Relazione tra toni, larghezza di banda e numero di utenti. Credits Cisco.
Relazione tra toni, larghezza di banda e numero di utenti. Credits Cisco.

La allocazione degli RU può essere fatta scegliendo diverse combinazioni di toni. Se, ad esempio, sono associate tre stazioni, l’Access Point può assegnare 106 toni ai primi due utenti e 26 toni al terzo utente. Oppure l’AP potrebbe assegnare 52 toni al terzo utente. Le decisioni di assegnazione degli RU vengono prese dinamicamente dall’AP in base al tipo di traffico del client e al suo ammontare di dati da trasmettere. L’AP può verificare lo stato del buffer del client utilizzando un meccanismo di polling periodico. Le applicazioni audio/video in tempo reale, molto sensibili alla latenza, sono i candidati principali per OFDMA.

Allocazione RU e accesso al canale

Gli Access Point Wi-Fi 6 deve contendere l’accesso ai canali con le stazioni non Wi-Fi 6, e questo avviene utilizzando EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). EDCA fornisce un accesso senza contesa al canale per un periodo noto come Transmit Opportunity (TXOP), durante il quale una stazione può trasmettere il massimo numero di frames. Le allocazioni RU in entrambe le direzioni di downlink e uplink vengono eseguite dall’AP su base del TXOP. Durante questo tempo, l’Access Point può soddisfare multipli utenti Wi-Fi 6 utilizzando un singolo MU PPDU o pacchetti di dati.

EDCA, inoltre, incorpora un tag detto categoria di accesso (AC): voce, video, best effort e sfondo. Le stazioni che inviano dati nella stessa categoria di accesso (AC) vengono servite insieme utilizzando pacchetti OFDMA multiutente (MU). Le stazioni con tag AC diversi vengono servite utilizzando diversi pacchetti di dati MU.

Conclusione

Situazioni wireless ad alta densità di traffico con applicazioni sensibili alla latenza sono ovvie candidate alla adozione di Wi-Fi 6. Ne trarranno anche beneficio i dispositivi IOT, con migliorate prestazioni ed efficienza sia nella banda 2,4 GHz che 5 GHz. OFDMA, in particolare, è la risposta migliore a problemi di sovraffollamento con audio/video instabile in uffici, scuole, centri commerciali, aeroporti e anche nelle abitazioni con molteplici dispositivi di streaming.

Altre risorse

Per la struttura del frame 802.11ax e il suo formato PPDU, vedi questo articolo.

Per il confronto del PPDU tra i differenti standard WLAN, vedi questo articolo.

Alcune belle immagini riassuntive dei vantaggi di Wi-Fi 6 dal sito TP-LINK.

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