1 de febrero de 2019

IEEE 802.11ax (2)

Voy ahora a continuar con la revisión de algunos aspectos importantes del nuevo estándar de redes LAN inalámbricas IEEE 802.11ax.

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Solo a modo de repaso revisemos las principales características del estándar:
  • Compatibilidad con todos los estándares de capa física anteriores: 802.11a/b/g/n/ac
  • Prestación por usuario muy superior en escenarios de alta densidad de clientes.
  • Introducción de codificación 1024-QAM logrando mayores tasas de transferencia de datos.
  • Modulación OFDMA con MU-MIMO tanto en el downlink como en el uplink.
  • Modificaciones en la modulación OFDM FFT para lograr mayor robustez y rendimiento en entornos con múltiples reflejos y atenuación.
  • Mejor flujo de tráfico y acceso a canales.
  • Mejor administración de potencia para lograr mayor duración de la batería de los terminales.

Operación de múltiples usuarios
802.11ax tienes 2 modos de operación:
  • Single User MIMO.
    Cada una de las terminales asociadas al AP envían y reciben tramas de datos una a la vez, de modo secuencial.
    Es el modo de operación tradicional de redes 802.11.
  • Multiple User MIMO.
    Varias terminales conectadas al mismo AP pueden operar de modo simultáneo ya sea en el downlink como en el uplink.
    - En el downlink posibilita  que el AP transfiera datos a múltiples terminales de modo simultáneo. Esto ya estaba soportado en 802.11ac.
    - En el uplink posibilita que múltiples terminales transmitan simultáneamente hacia el AP. Esta es una novedad introducida por 802.11ax.
En el modo MU-MIMO también se especifican 2 formas diferentes de multiplexación: MU-MIMO con OFDM y MU-MIMO con OFDMA.
Para posibilitar esto el AP actúa como un controlador central que gestiona de modo independiente la operación de todos los aspectos de cada uno de los múltiples enlaces que la conectan con las terminales que tiene asociadas.

MIMO con Múltiples Usuarios
Ya 802.11ac implementaba MU-MIMO combinado con beamforming logrando una multiplexación espacial que permite mantener comunicación simultánea del AP con varias terminales diferentes.
Para esto el AP mantiene una matriz con la información correspondiente a cada enlace de cada terminal.

IEEE 802.11ax soporta la implementación simultánea de hasta 8 enlaces o cadenas de transmisión diferentes. A cada uno de estos enlaces de conexión a cada una de las diferentes terminales en la matriz corresponde su propio MCS (tasa de transferencia) y cantidad de cadenas de transmisión en paralelo.
En el uplink los APs 802.11ax mantienen esta matriz de conexiones para identificar cuál es la terminal que está transmitiendo en cada una de esas cadenas de transmisión y a qué conexión corresponde cada porción de información.

OFDMA
Para lograr mantener la conexión de mayor cantidad de terminales de modo simultáneo y aprovechar mejor el ancho de banda del canal, 802.11ax implementa OFDMA.
Las transmisiones IEEE 802.11a/g/n/ac ya utilizaban modulación OFDM (modulación por división de frecuencias ortogonales).
Sobre este esquema OFDMA introduce una modificación de relevancia: se asignan subportadoras específicas a cada terminal; es decir, divide el ancho de canal utilizado (20,40,80 o 160 MHz.según se haya definido) en subcanales, cada uno con un número específico de subportadoras.
Tomando como base la terminología propia de LTE (de dónde se ha tomado este tipo de modulación) se denomina Resource Unit (RU) a cada subcanal o bloque de 26 o más subportadoras.


El AP asigna cada subcanal en base a las necesidades de tráfico de downlink hacia los múltiples terminales buscando asignar todas las RUs disponibles.

De esta manera, un AP 802.11ax puede asignar todo el canal a un único usuario (como hace 802.11ac) o lo puede dividir para dar servicio a múltiples usuarios simultáneamente.

Este mecanismos permite, en entornos de "alta densidad" de terminales generar una celda en la que los terminales no necesitan competir por tiempo de uso del medio como ocurre habitualmente con CSMA/CA. OFDMA permite brindar espacio a múltiples terminales simultáneamente utilizando subcanales más pequeños pero dedicados.
Para esto el AP puede utilizar diferentes tamaños de RU, según se requiera. En su expresión más exigente este mecanismo permite asignar espacio en el downlink hasta a 9 terminales en un canal de 20 MHz.

Uplink de múltiples usuarios
Para coordinar las transmisiones MU-MIMO y OFDMA del uplink (desde las terminales hacia el AP), el AP envía una trama gatillo a la celda indicando el número de cadenas de transmisión espaciales y de asignaciones OFDMA (tamaño del RU) disponibles. 
A esto se agrega información de control de potencia para adecuar la potencia de los terminales de modo de intentar igualar la potencia con la que el AP recibe a todos los terminales para mejorar la recepción de tramas generadas por las terminales más alejadas.
El AP indicará a las terminales cuándo comenzar y terminar su transmisión. De esta manera las terminales comienzan y cesan sus transmisiones al mismo tiempo de modo que el AP envía un único acknowledge para las transmisiones de todos los terminales.



Uno de los objetivos principales de estos procedimientos (MU-MIMO de uplink y downlink y OFDMA) es optimizar el tiempo de operación de cada terminal para aumentar (hasta 4 veces) la cantidad de información transmitida (throughput) por cada terminal en entornos con alta densidad de usuarios.




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