Il Wi-Fi 6E

Che cosa offre il Wi-Fi 6E

L’elenco dei vantaggi è lungo per il Wi-Fi 6E:

• Richiede solo Wi-Fi 6 e OFDMA: niente dispositivi legacy lenti (802.11a/b/g/n/ac).
• Programmato: Può segmentare e implementare criteri per la sicurezza e la qualità dell’esperienza (QoE)
• Ritardo ottimizzato: Meno di due ms su scala, anche in ambienti ad alta densità
• Incredibile larghezza di banda: i canali ampi sono facilmente supportati e incoraggiati.
• RF pulita: basso rumore, meno congestione

Figura – Wi-Fi 6E promuove un approccio di accesso wireless-first [Fonte: Cisco].

Il Wi-Fi 6E non è nato da un giorno all’altro e le soluzioni che porta con sé sono state tutte studiate e ampiamente mirate per risolvere sfide specifiche. Il Wi-Fi ha compiuto molti progressi che hanno contribuito al suo crescente successo nel corso degli anni. Così come il Wi-Fi 6 è stato creato per risolvere alcuni dei problemi inerenti alle operazioni Wi-Fi da 1 a 5, il Wi-Fi 6E implementerà ora regole di spettro che favoriscono migliori operazioni Wi-Fi. Si tratta del primo nuovo spettro concesso al Wi-Fi negli Stati Uniti dai tempi dell’802.11a (Wi-Fi 3). La specifica Wi-Fi 6E è stata progettata e implementata per eliminare gli ostacoli allo spettro che hanno impedito agli utenti di sfruttare alcune delle caratteristiche più interessanti del Wi-Fi (come i canali a 80 e 160 MHz).

La grande novità, ovviamente, sono i 1200 MHz di spettro tra 5,925 GHz e 7,125 GHz, noti collettivamente come banda a 6 GHz. Più sottilmente, però, una distinzione importante è che si tratta di uno spettro “contiguo”. Ciò significa che non ci sono interruzioni o vuoti nella gamma di frequenze dall’inizio alla fine. Gli intervalli storicamente definiti per le operazioni Wi-Fi sono stati aggiunti nel corso del tempo, man mano che lo spettro si rendeva disponibile e la necessità poteva essere dimostrata. È difficile trovare gamme di frequenze desiderabili che non vengono utilizzate, ma le tecnologie cambiano o diventano obsolete nel tempo. In questo modo, le gamme dello spettro vedono un numero sempre minore di utenti primari e alcune gamme vengono riassegnate ad altri usi. Lo spettro è una risorsa preziosa e con la maturazione del Wi-Fi è cresciuta anche la tecnologia. Il DFS, ad esempio, è stato sviluppato per consentire una coesistenza più cognitiva tra il Wi-Fi e i sistemi radar esistenti, permettendo di aggiungere 240 MHz (U-NII-2c) per le operazioni Wi-Fi nel 2003.

Figura – L’attuale spettro a 2,4 e 5 GHz per il Wi-Fi [Fonte: Cisco].

Il Wi-Fi negli Stati Uniti è autorizzato a operare nelle gamme U-NII-1, U-NII-2a, U-NII-2c e U-NII-3, per un totale di 500 MHz di larghezza di banda a 5 GHz. Tuttavia, le gamme lasciano dei vuoti di copertura tra le attuali gamme U-NII. Questi vuoti sono visibili nei numeri di canale assegnati, che passano da 64 a 100 tra U-NII-2a e 2c e di nuovo tra U-NII-2c e 3. Di conseguenza, il Wi-Fi ha operato su una gamma discontinua. A partire dal protocollo 802.11n (Wi-Fi 4), una tecnica chiamata channel bonding ha permesso di unire due canali da 20 MHz per formare un unico canale da 40 MHz. Raddoppiando l’ampiezza del canale si è quasi raddoppiata la velocità di trasmissione dei dati. Proprio come un’autostrada più larga permette di aumentare il traffico, il channel bonding consente di inviare più dati nello stesso periodo di tempo. Tuttavia, il channel bonding richiede che il canale venga creato da una gamma di frequenze contigue. Con le lacune nella copertura a 5 GHz, questo requisito limita il numero di canali ampi che possono essere formati. Inoltre, l’utilizzo di alcuni dei canali più grandi lascia gamme di frequenza che sono come scarti: non possono essere combinate. In altre parole, lo spettro è sprecato.

Il Wi-Fi 6E è costituito da 1200 MHz di spettro contiguo che fornisce una copertura senza soluzione di continuità in U-NII-5, U-NII-6, U-NII-7 e U-NII-8. Non essendoci lacune nella copertura per la maggior parte delle classi di accesso, ciò consente di estendere in modo efficiente il piano dei canali indipendentemente dalla larghezza, senza sprechi. I canali più larghi sono più veloci, infatti oggi la velocità di trasmissione dati Wi-Fi 6 più elevata è MCS 11 (0,8 microsecondi GI). Supponendo un client con due flussi spaziali, MCS 11 produrrà quanto segue:

Tabella – Wi-Fi 6 MCS 11, con due flussi spaziali, confronto del throughput in base alla larghezza del canale [Fonte: Cisco].

La tabella precedente non tiene conto di miglioramenti opportunistici come il Multiple-Input Multiple- Output (MU-MIMO) e il MU-OFDMA, che possono aumentare il throughput effettivo, ma il punto dovrebbe essere chiaro. Se c’è bisogno di 1 Gbps per soddisfare le esigenze di capacità degli utenti, avete bisogno di un canale da 80 MHz. Nella banda 5 GHz oggi ci sono solo sei canali da 80 MHz negli Stati Uniti e solo cinque in Europa, e ce ne sono ancora meno nel resto del mondo. Con un numero limitato di canali ampi, il supporto di più utenti con più AP esaurisce prima il piano di canali. Con il Wi-Fi 6E, sono possibili quattordici canali da 80 MHz e sette da 160 MHz.

Figura – Nuova banda a 6 GHz con 1200 MHz di accesso contiguo ai canali Wi-Fi [Fonte: Cisco].

Wi-Fi 6E

Quando il Wi-Fi è stato introdotto per la prima volta, esisteva solo il sorprendente protocollo 802.11b e le operazioni erano limitate allo spettro dei 2,4 GHz. Con l’avanzare della tecnologia, sono cambiati sia i protocolli che i progetti radio e il Wi-Fi si è lentamente trasformato in un ambiente misto, con il supporto dei protocolli Wi-Fi da 1 a 6. Probabilmente, uno dei motivi del successo del Wi-Fi è la retrocompatibilità integrata per garantire l’utilizzo dei protocolli di generazione precedente. Oggi è abbastanza comune trovare un mix di tipi e capacità di client che operano sulla rete Wi-Fi.

Si scopre che questa situazione non è ottimale per due motivi:

• I client più vecchi non sono altrettanto efficienti e richiedono una quota maggiore del tempo di trasmissione per inviare la stessa quantità di dati.
• L’overhead del protocollo di gestione necessario per mantenere la retrocompatibilità è spesso misurabile e contribuisce a ulteriori perdite di efficienza.

Il risultato netto è che la determinazione della capacità in un determinato ambiente si riduce all’attuale mix (spesso casuale e variabile) di capacità dei client che condividono la cella. Purtroppo, la risposta alla domanda su quanta capacità sarà raggiunta è spesso “dipende dal mix di client”.

Il Wi-Fi 6E elimina le complessità multiprotocollo del passato limitando l’accesso solo al Wi-Fi 6 e ai protocolli più recenti nella banda dei 6 GHz. L’accoppiamento del protocollo Wi-Fi 6 con lo spettro Wi-Fi 6E consentirà alle capacità del Wi-Fi 6 di brillare in un ambiente essenzialmente greenfield. Il Wi-Fi 6 offre un MAC deterministico e programmato e supporta la segmentazione della rete, una QoE eccezionale e una latenza ottimizzata inferiore a 2 ms a tratta. Questo permette di dare una risposta decisamente migliore rispetto al “dipende”. Col tempo saranno ammessi nuovi standard, come il Wi-Fi 7, che è già in fase di discussione presso l’ente normativo IEEE. Le differenze tra le nuove generazioni di protocolli e i meccanismi di compatibilità saranno più sottili rispetto ai cambiamenti quantici che si sono verificati dal Wi-Fi 1 al Wi-Fi 6. Per il Wi-Fi si tratta davvero di un “do-over”, che spezza le catene e supera la sua storia per risplendere di nuovo.

Classi di accesso Wi-Fi 6E

Il Wi-Fi è stato progettato fin dall’inizio per essere un buon vicino e non interferire mai con altri servizi che operano nella stessa banda. Le restrizioni sui livelli di potenza per limitare le interferenze con i vicini sono sempre state parte integrante delle norme di regolamentazione.

Il Wi-Fi 6E cambia un po’ le cose e definisce quattro classi di accesso separate per il Wi-Fi, ognuna con le proprie regole:

• Potenza standard (interno/esterno)
• Bassa potenza (interno)
• Bassissima potenza/portatile (interno/esterno)
• Client (interno/esterno)

Figura – Classi di accesso e regole del Wi-Fi 6E [Fonte: Cisco].

Ciascuna di queste classi è trattata di seguito.

1 Potenza standard (interno/esterno)

Standard Power è l’unica classe di accesso che supporta il funzionamento degli AP Wi-Fi 6E all’aperto. L’alimentazione standard può essere utilizzata anche in ambienti interni, purché siano soddisfatti tutti i requisiti. La potenza è limitata a un massimo di 36 dB di EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) e gli AP devono essere coordinati tramite un servizio AFC (Automatic Frequency Coordination). Standard Power è anche l’unica classe di accesso limitata alle operazioni in U-NII-5 e 7 negli Stati Uniti, e di conseguenza ottiene un accesso totale a 850 MHz.

Figura – Spettro di potenza standard, limitato a U-NII-5 e 7 [Fonte: Cisco].

Nella banda a 6 GHz operano ancora alcuni utenti storici (con licenza), in realtà non pochi. Gli utenti storici nella banda 6 GHz includono:

• Servizio fisso: Collegamenti a microonde punto-punto utilizzati per il backhaul di qualsiasi cosa, dai sistemi di dispacciamento della pubblica sicurezza al backhaul delle torri cellulari. Oggi ne esistono molti in funzione.
• Servizio satellitare: Collegamenti fissi terra-spazio e collegamenti mobili spazio-terra, entrambi comuni sui 6 GHz.
• Servizi di trasmissione televisiva: Questi servizi operano sia in U-NII-6 che in U-NII-8, che sono bloccati per l’accesso Standard Power. Comprendono una serie di tecnologie mobili utilizzate per la raccolta elettronica di notizie e il trasferimento di video. Pensate al furgone remoto della vostra stazione televisiva locale e ai suoi collegamenti a microonde con i satelliti e la stazione.
• Utenti esistenti senza licenza: Tra questi vi sono gli utenti a banda ultralarga, che hanno operato senza licenza in U-NII-5 fino a 8 e continuano a operare senza modifiche.

Le interferenze con questi utenti devono essere rigorosamente evitate. Le U-NII-6 e 8 sono utilizzate dagli operatori mobili e sarebbe difficile coordinarle attraverso un AFC. Le apparecchiature utilizzate sono inoltre molto sensibili; i satelliti sono molto distanti e l’indicatore di potenza del segnale ricevuto (RSSI) non è così robusto come lo sarebbe un segnale Wi-Fi locale. Limitando l’accesso di Standard Power alle bande U-NII-6 e 8 si evita qualsiasi possibilità di problema.

Per ridurre ulteriormente le possibilità di interferenza con un operatore storico, l’accesso a Standard Power richiede che gli AP siano coordinati attraverso un servizio AFC. L’Universal Licensing System (ULS) della FCC è un database di tutti gli utenti autorizzati. L’AFC accede a queste informazioni e, insieme alla posizione geografica e alle caratteristiche dell’antenna dell’AP, crea una mappa topografica di propagazione che modella il raggio di interferenza dell’AP. La mappa viene quindi utilizzata per “coordinare” e assegnare impostazioni di potenza e di canale che evitino interferenze con gli utenti storici della banda. Il coordinamento AFC protegge gli utenti storici, offrendo al contempo agli utenti Wi-Fi 6E l’opportunità di sfruttare al massimo uno spettro altrimenti inutilizzato.

Sebbene gli AFC e sistemi simili (CBRS SAS) stiano diventando parte integrante delle normative FCC, il concetto non è nuovo. Un AFC dinamico consente un rapido riutilizzo dello spettro a livello locale, massimizzando l’uso e prevenendo le interferenze.

2 Basso consumo (interno)

Le operazioni a bassa potenza (indoor), o in breve LPI, sono quelle in cui la maggior parte degli AP Wi-Fi 6 è destinata a operare. Il funzionamento solo in interni rende i dispositivi di questa classe di asset molto meno suscettibili di interferire con i servizi tradizionali. Inoltre, poiché operano in ambienti chiusi, i livelli di potenza richiesti per un buon funzionamento sono inferiori a quelli necessari, ad esempio, per un collegamento esterno punto-punto. Di conseguenza, le regole di accesso per l’LPI non richiedono un AFC.

I limiti di potenza per un AP LPI, espressi come densità spettrale di potenza (PSD), sono di 5 dBm/MHz al massimo. Sebbene la potenza massima espressa come PSD possa risultare poco familiare ad alcuni, in realtà è una delle chiavi per sbloccare l’incredibile potenziale del Wi-Fi 6E. Nel Wi-Fi a 5 GHz, l’uso di canali più ampi (40, 80 e 160 MHz) è rimasto limitato, in quanto oggi è poco pratico per un paio di motivi:

• Il channel bonding richiede uno spettro contiguo per collegare due canali. La banda a 5 GHz presenta molte lacune, il che riduce il numero di canali utilizzabili per il bonding. In definitiva, con l’aumentare della larghezza del canale, si verifica uno spreco di spazio sui bordi.
• I canali più larghi producono più rumore. Il rapporto segnale/rumore (SNR) diminuisce di 3 dB per ogni raddoppio della larghezza del canale. Per un canale da 80 MHz, il costo del supporto è di 6 dB in termini di SNR, con conseguente riduzione del throughput effettivo. Le regole attuali definiscono un’unica potenza massima per ogni segmento, che rimane la stessa indipendentemente dalla larghezza del canale.

Sebbene l’uso di canali più ampi nella banda a 5 GHz possa potenzialmente ridurre la capacità se gestito in modo errato, la maggior parte di questo problema potrebbe essere mitigato semplicemente disponendo di più spettro. Il Wi-Fi 6E risolve questi problemi per gli utenti LPI che hanno maggiormente bisogno di un sollievo da queste limitazioni:

• 1200 MHz di spettro continuo risolvono il primo motivo di utilizzo limitato dei canali larghi sopra elencati (la mancanza di spettro contiguo). Nella banda FCC a 5 GHz è possibile un massimo di sei canali da 80 MHz. Nella banda a 6 GHz sono disponibili quattordici canali da 80 MHz.
• La potenza massima per il Wi-Fi 6E LPI è di 5 dBm/MHz PSD. Ciò significa che ogni volta che la larghezza del canale raddoppia vengono aggiunti 3 dB di potenza massima.

Date una rapida occhiata alla matematica PSD per capire cosa significa realmente 5 dB/MHz. Come illustrato di seguito, 5 dB vengono convertiti in mW, che vengono poi moltiplicati per la larghezza del canale (20 MHz, ecc.). È possibile convertirli nuovamente in dBm per ottenere i risultati.

5 dBm = 3,162278 mW x 20 MHz = 63,24556 mW o 18 dBm per un canale da 20 MHz

5 dBm = 3,162278 mW x 40 MHz = 126,4911 mW o 21 dBm per un canale da 40 MHz

I limiti di potenza espressi in PSD eliminano le penalizzazioni dell’SNR associate per lungo tempo ai canali vincolati. Man mano che il canale si allarga, l’EIRP massima aumenta per compensare il rumore aggiuntivo e mantenere lo stesso SNR. Insieme all’aumento dei canali (quattordici 80 MHz), questo incoraggia e premia l’uso di canali più ampi. È appena diventato più facile andare più veloce che mai.

Tabella – Massimi di potenza PSD a bassa potenza (indoor); la potenza aumenta con l’aumentare della larghezza di banda del canale

3 Client (interni/esterni)

Anche i client ricevono nuove regole e una propria classe di accesso. I client possono accedere all’intera banda dei 1200 MHz. La potenza è limitata e deve sempre rimanere 6 dB al di sotto dell’EIRP massimo dell’AP a cui il client è associato. Quindi, se l’AP funziona come dispositivo LPI, la potenza massima del client partirebbe da 12 dBm per un client su un AP da 20 MHz e potrebbe arrivare a 21 dBm per una cella da 160 MHz. La regola è la stessa per i client indipendentemente dalla classe di accesso dell’AP (Standard o Low Power).

4 Bassissima potenza (interno/esterno)

La quarta classe di accesso è ancora in fase di discussione. Si tratta della classe Very Low Power/Portable (Indoor/ Outdoor), o VLP, con un limite PSD estremamente basso di -8 dBm/MHz. Questo limite si traduce in un EIRP massimo di 5 dBm per un dispositivo con canale da 20 MHz. Il VLP ottiene anche un guadagno di 3 dB per ogni raddoppio della larghezza del canale, proprio come nelle operazioni LPI. I dispositivi a bassissima potenza hanno la libertà di operare in ambienti interni ed esterni senza un impatto significativo sulle interferenze.

Wi-Fi 6E e 6 GHz a confronto

Un dubbio che potrebbe sorgere riguardo il Wi-Fi 6E riguarda le frequenze più alte, che effettivamente non vanno così lontano come quelle più basse e i 6 GHz sono più alti dei 5 GHz. Ma questo non risulta essere un problema, infatti l’impatto è minore e abbastanza gestibile. La modellazione della differenza di distanza di propagazione tra 5 GHz e 6 GHz mostra che le differenze sono minime.

Figura – Differenza di perdita di percorso tra 5 GHz e 6 GHz [Fonte: Cisco].

A 10 metri da un AP, l’RSSI che un client vedrebbe da un AP che opera sul canale 36 sarebbe di 1,05 dB superiore a quello di un AP che opera sul canale 157, supponendo che entrambi trasmettano alla stessa potenza. La differenza di perdita di propagazione è di soli 1,05 dB sull’intera gamma. I 6 GHz offrono 1200 MHz (rispetto ai 500 MHz dei 5 GHz) e quindi perdono un po’ di più tra la parte inferiore di U-NII-5 e la parte superiore di U-NII-8, 1,6 dB su tutta la gamma. In effetti, il calo totale è inferiore a 3 dB dall’inizio di U-NII-1

alla fine di U-NII-8. Per avere un’idea, negli Stati Uniti la potenza massima consentita tra U-NII-2c e U-NII-3 è superiore a 3 dB.

La copertura data da una cella a 6 GHz rispetto a una cella a 5 GHz non varia di molto. La figura seguente mostra i risultati della modellazione di due AP simulati, ciascuno funzionante al massimo EIRP e con una larghezza di canale di 80 MHz. Quello a sinistra è a 5 GHz, mentre quello a destra è a 6 GHz. Per modellare accuratamente la propagazione, la potenza è stata ridotta di 1 dB per compensare la perdita di propagazione a 6 GHz.

Figura – Confronto della copertura con AP simulati a 5 GHz (sinistra) e 6 GHz (destra)

Con una larghezza di canale di 80 MHz, i livelli di potenza per entrambi erano comparabili, con l’AP a 5 GHz a 23 dBm e l’AP a 6 GHz a 24 dBm (ridotti nel modello a 23 dBm per simulare la perdita aggiuntiva).

Tabella – Risultati della simulazione

Entrambi gli AP producono una cella di 1250 piedi quadrati, fornendo 41 dBm di SNR. A 41 dB di SNR, un client Wi-Fi 6 a due flussi spaziali supporterà una velocità di trasmissione dati di MCS 11 (1201 Mbps). Dato che la banda a 6 GHz dovrebbe avere un rumore di fondo inferiore a quello della banda a 5 GHz, i vantaggi potrebbero essere ancora maggiori per le operazioni a 6 GHz.

Bibliografia:

• https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/enterprise-networks/802-11ax-solution/nb-06-wi-fi-6e-wp-cte-en.html?oid=wprwls024270
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• https://www.cisco.com/c/m/en_us/solutions/enterprise-networks/infrastructure-upgrade-guide/mobility.html.