Dal wi-fi 6 e 6E al 7: evoluzione e prospettive

Dalla rivista:
Fieldbus & Networks

 
Pubblicato il 13 maggio 2024

Il mondo del wireless è in costante mutamento, sospinto anche dall’aumento dei dispositivi, delle connessioni e delle applicazioni sempre più esigenti in termini di larghezza di banda. In questo contesto, wi-fi 6E si pone come il fulcro dell’innovazione, rappresentando una svolta nell’evoluzione della connettività wireless anche in ambito industriale

La sesta generazione della tecnologia wi-fi è il risultato di decenni di ricerca e sviluppo nel campo delle reti wireless. A differenza delle generazioni precedenti, il wi-fi 6E sfrutta frequenze molto più elevate, aprendo la strada a un’enorme larghezza di banda e a prestazioni senza precedenti. Introdotto dalla Wi-Fi Alliance, wi-fi 6E consente l’esercizio delle funzionalità nella banda senza licenza a 6 GHz, in aggiunta alla 2,4 GHz e 5 GHz attualmente supportate. Con altri 1.200 MHz di spettro disponibile a 6 GHz, i dispositivi wi-fi 6E potranno operare in 14 canali aggiuntivi da 80 MHz e in 7 canali aggiuntivi da 160 MHz. Lo spettro ampliato semplifica la progettazione di rete e offre prestazioni wi-fi di ultima generazione con un throughput più elevato e canali più ampi, eliminando al contempo la necessità di supportare i dispositivi legacy e con conseguente riduzione della congestione della rete. Una delle caratteristiche più sorprendenti del wi-fi 6E è la sua capacità di fornire una connessione di rete più coerente e affidabile rispetto ai precedenti standard. Con velocità fino a 4 volte superiori rispetto al precedente standard 802.11ac Wave 2 e una capacità 4 volte maggiore, il wi-fi 6E offre un’esperienza senza interruzioni, abilitando applicazioni di prossima generazione come lo streaming HD 4K/8K, la realtà aumentata (AR) e virtuale (VR), oltre a una maggiore capacità per dispositivi e IoT in ambienti ad altissima densità. Lo standard promette una latenza ridotta, una maggiore affidabilità e un miglioramento dell’efficienza energetica. Grazie a prestazioni superiori per i dispositivi mobili e alla capacità di supportare l’IoT su grande scala, il wi-fi 6E migliora le esperienze in tutto il panorama wireless, offrendo una sicurezza migliorata e con WPA3 una mitigazione delle interferenze.

Il wi-fi si adatta alle esigenze del futuro

Lo standard Ieee 802.11ax rappresenta l’ultimo passo su un percorso di innovazione incessante. Si basa sui punti di forza dell’802.11ac, aggiungendo flessibilità e scalabilità che consentono a reti nuove ed esistenti di supportare applicazioni di prossima generazione. Ieee 802.11ax combina la libertà e l’alta velocità del wireless Gigabit: consente alle imprese e ai fornitori di servizi di supportare applicazioni nuove ed emergenti sulla stessa infrastruttura Wlan, fornendo allo stesso tempo un livello superiore di servizio alle applicazioni più datate e preparando il terreno per nuovi modelli di business e un importante incremento dell’adozione del wireless. Lo standard permette ai punti di accesso di supportare più client in ambienti densi offrendo un’esperienza sensibilmente migliore rispetto al passato; la programmazione flessibile del tempo di attivazione consente ai dispositivi di avere pause molto più lunghe rispetto alle precedenti versioni e di riprendere l’operatività con meno conflitti, estendendo la durata delle batterie in modo sensibile. Gli elementi differenzianti che rendono Ieee 802.11ax uno standard rivoluzionario sono QAM (Quadrature Amplitude Modulation – Modulazione numerica di ampiezza in quadratura), che è più densa a 1.024 e consente una velocità di burst del 35% superiore, e Ofdma (Orthogonal frequency-division multiple access – Programmazione basata su accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale), che riduce overhead e latenza. Tale tecnologia offre ai punti di accesso 802.11ax di supportare 8 flussi spaziali fino a 4.800 Mbps al livello fisico, ottenendo un’esperienza complessivamente migliore rispetto al passato. Ieee 802.11ax migliora i precedenti 802.11a/g/n/11ac anche se non completamente aggiornati all’ultima versione. Il suo accesso al canale basato su Ofdma è retrocompatibile con i tradizionali Edca/Csma; inoltre, i sistemi di monitoraggio e protezione wireless dalle intrusioni (Wips) di 802.11a/g/n/11ac possono continuare a decodificare la maggior parte dei frame di gestione come beacon e frame di richiesta/risposta di sonda, anche quando inviati nel nuovo formato. Ieee 802.11ax è stato progettato per una compatibilità massima, coesistendo efficientemente con dispositivi 802.11a/n/ac; il suo nuovo preambolo (HE-SIG-A/B) segue il preambolo tradizionale 802.11a/g/n/ac e le estensioni alle procedure di richiesta di invio (RTS/CTS) per multiutente, evitando collisioni con utenti in modalità singolo più datati.

I benefici dello standard

Molti sono i vantaggi portati da questa tecnologia, come per esempio la capacità, che rappresenta un riferimento con cui collegare in parallelo un numero di dispositivi 4 volte superiore rispetto alle precedenti versioni attraverso le funzionalità Ofdma e MU-Mimo (Multi-user multiple-input multiple-output): tale aspetto è essenziale soprattutto considerando la crescita esponenziale prospettica dei volumi di traffico futuri. Una maggiore capacità di trasmissione significa più canali supportati negli spettri da 80 MHz e 160 MHz, il che consente agli utenti di inviare e ricevere dati alle velocità massime possibili, grazie ai canali più ampi a velocità superiori a 1 Gbps. La nuova banda a 6 GHz impiega 14 canali da 80 MHz e 7 da 160 MHz: in confronto la banda da 5 GHz utilizza solo 6 canali da 80 MHz e 2 da 160 MHz. Ciò rappresenta un aumento di oltre il 100% nei canali da 80 MHz e del 300% nei canali da 160 MHz, per cui qualsiasi congestione dello spettro sarà possibilmente risolta agevolando il raggiungimento dei dispositivi più velocemente, il che si traduce in velocità di download più rapide e in un migliore supporto a tecnologie che richiedono molta larghezza di banda. Lo standard è in grado di ridurre al minimo i potenziali conflitti con la tecnologia BSS (Basic Service Set) coloring, un meccanismo che codifica intelligentemente le frequenze condivise. Per BSS si intende un insieme di client wireless associati allo stesso punto di accesso; il BSS coloring contribuisce a porre rimedio al riutilizzo inefficiente dei canali, inserendo un’identità in un segnale wi-fi trasmesso. Una volta che i dispositivi rilevano questo segnale ‘colorato’, saranno note le informazioni relative a quale BSS lo sta inviando e la forza del suo segnale. Inoltre, sarà creata una nuova sequenza logica per ottimizzare il processo di decisione di quando dovrà essere trasmesso. Le distribuzioni wi-fi legacy ad alta densità presentano tipicamente più punti di accesso assegnati agli stessi canali di trasmissione, a causa della quantità limitata di spettro, con conseguenti congestioni e rallentamenti della rete. Con la colorazione BBS di riutilizzo spaziale, il wi-fi 6 migliorerà le prestazioni a livello di sistema e ottimizzerà il riutilizzo efficiente dello spettro in aree densamente popolate. Le interferenze di co-canale saranno effettivamente ridotte, il che è particolarmente indicato per gli scenari di distribuzione ad alta densità. Le temute interferenze radio con questo standard si riducono drasticamente, migliorando affidabilità e prevedibilità della connessione. Con il nuovo protocollo di sicurezza WPA3, poi, si ottiene un grande passo avanti anche in termini di sicurezza. WPA3 fornisce nuovi algoritmi di autenticazione e crittografia per le reti, e implementa anche uno strato aggiuntivo di protezione da attacchi di de-autenticazione e disassociazione. Risolvendo i precedenti problemi, WPA3 sostituisce i protocolli crittografici suscettibili di analisi off-line con protocolli che richiedono l’interazione con l’infrastruttura per ogni password intercettata. Lo standard offre, inoltre, un’elevata efficienza energetica utilizzando il TWT (Target Wake Time). I dispositivi client che supportano tale standard possono raggiungere un consumo di due terzi inferiore rispetto agli standard precedenti. Anche la riduzione della latenza dei dati determina un importante incremento di efficienza, ottimizzando la programmazione dei pacchetti, e maggiore copertura. Il TWT consente ai dispositivi di negoziare quando si svegliano per inviare o ricevere dati, aumentando il tempo di ‘sonno’ e migliorando sostanzialmente la durata delle batterie dei dispositivi. Introducendo questa nuova tecnologia i dispositivi possono pianificare le comunicazioni con il router, riducendo la quantità di tempo in cui devono tenere accese le antenne per trasmettere e cercare i segnali. In altre parole, i dispositivi possono rimanere inattivi fino a quando non sarà il loro turno di trasmettere i dati grazie a uno schema di pianificazione negoziato con gli AP. Anche l’efficienza è ottimizzata grazie alla tecnologia Ofdma, che divide la larghezza di banda del canale disponibile in diversi sotto-carrier ortogonali reciproci, o unità di risorse (RU). Inoltre, grazie alla suddivisione del canale, le applicazioni che utilizzano frame di dimensioni ridotte possono essere trasmesse a più end-point contemporaneamente, riducendo così l’overhead e la congestione al secondo livello. A differenza della precedente tecnologia Ofdm, Ofdma è flessibile nell’assegnare l’intero canale a una sottodivisione in base al traffico, migliorando notevolmente l’efficienza e riducendo la latenza. Ofdma è sostanzialmente una metodologia centrata sui punti di accesso (AP), che consente a un punto di accesso 802.11ax di comunicare simultaneamente con più dispositivi dividendo ogni canale wi-fi in sotto-canali più piccoli. In altre parole, un AP può scegliere di assegnare l’intero canale a un singolo utente in un determinato lasso di tempo, oppure può suddividere l’intero canale per servire più dispositivi contemporaneamente. L’adozione di questa nuova tecnologia fa passare il wi-fi da un servizio basato sulla contesa a uno basato sulla programmazione, contribuendo a stabilizzare le prestazioni del wi-fi.

Ma quanto è veloce il wi-fi 6?

9,6 Gbps è il valore massimo di velocità teorica del wi-fi 6, che sembra però improbabile poter raggiungere nell’uso reale. Tuttavia, non si può negare che il wi-fi 6 abbia ancora un limite di velocità teorico molto più alto rispetto ai suoi predecessori. Inoltre, la copertura del wi-fi 6 è di 500-800 m, offrendo una copertura più ampia con una trasmissione veloce. Una maggiore velocità e una migliore copertura wi-fi rendono il 6E ideale per una trasmissione efficiente. Questa tecnologia contribuisce a migliorare l’intera rete quando un gruppo di dispositivi è connesso, invece di aumentare la velocità dei singoli dispositivi. Anche l’incremento del throughput è caratteristico di questo standard grazie alla tecnologia MU-Mimo, che consente ai router di comunicare con più dispositivi contemporaneamente, anziché in successione, in upload e in download. 802.11ax utilizza 8×8 uplink/downlink per fornire una capacità 4 volte superiore rispetto allo standard precedente. MU-Mimo e Ofdma presentano rispettivamente vantaggi e applicazioni: Ofdma è ideale per applicazioni a bassa larghezza di banda e a piccoli pacchetti, come i sensori IoT, mentre MU-Mimo aumenta la capacità e l’efficienza nelle applicazioni a elevata larghezza di banda, come le chiamate vocali mission-critical o lo streaming video.

Il potenziale di mercato

Il potenziale di mercato per il wi-fi è enorme in termini di portata geografica e di guadagni. Con una dimensione pari a 11,59 miliardi di dollari nel 2022 e un Cagr del 17,9% tra il 2022 e il 2027, raggiungerà gli oltre 26,2 miliardi di dollari nel mondo. La principale forza trainante di questa crescita è l’aumento del numero di utenti Internet che richiedono reti in grado di mantenere velocità e affidabilità nonostante gli ambienti congestionati. Poiché il wi-fi 6E apporta miglioramenti significativi in termini di velocità, affidabilità e sicurezza, le sue prospettive come risorsa nel campo delle applicazioni industriali sono considerevoli. Nell’ambito della supply chain e della produzione, il wi-fi 6E incrementa la trasparenza e la sicurezza, migliorando le complesse capacità diagnostiche e di manutenzione remota. Le caratteristiche citate precedentemente consentono a più utenti di accedere al canale contemporaneamente senza influire sulle prestazioni, e in ambito industriale ciò significa che più utenti con esigenze di larghezza di banda diverse possono sfruttare contemporaneamente la velocità massima di un punto di accesso. Gli ambienti industriali traggono vantaggio dalla tecnica di trasmissione beamforming e, sebbene anche la tecnologia di rete di generazione precedente utilizzasse tale tecnica, lo standard a 6 GHz raddoppia da 4 a 8 il numero di flussi disponibili per l’accesso simultaneo degli utenti. In ambito industriale, ciò favorisce in modo significativo la larghezza di banda complessiva disponibile per gli utenti.

Wi-fi 7, come funziona

Il wi-fi 7, noto con 802.11be e soprannominato EHT (Extremely High Throughput), sarà la prossima generazione di tecnologia wi-fi. Il suo sviluppo promette importanti miglioramenti rispetto alla versione ‘ax’, con velocità fino a 4 volte più elevate, dando risposta a esigenze di estrema velocità e affidabilità per ogni dispositivo. Lo standard fornisce velocità di picco di 46 Gbps e prestazioni migliori su ogni fronte, cosa notevole se si considera che la precedente versione si ferma a 9,6 Gbps e il diffuso 802.11ac non va oltre i 3,5 Gbps. Verrebbe da chiedersi a cosa possano servire velocità di trasferimento così elevate: la risposta è nel futuro che ci attende. Tanti dispositivi domestici connessi contemporaneamente, ambienti sempre più intelligenti, altissime risoluzioni richieste, realtà virtuale e aumentata, smartworking di nuova generazione ecc. avranno bisogno del wi-fi 7, così come tutti i pionieri del mondo digitale, gli imprenditori di frontiera e chi gestisce servizi IT e di automazione avanzati. Ovviamente, dovrà essere retro-compatibile con i prodotti che supportano gli standard meno recenti e operante nelle 3 classiche bande. Il salto di qualità è reso possibile dal miglioramento della tecnologia Ofdma e dallo schema di modulazione 4096-QAM, che consente di aumentare la densità di dati scambiati, trasportando 12 bit invece di 10 bit: rispetto al 1024-QAM del wi-fi 6 l’incremento è del 20%. Non meno importante è il fatto che grazie alla tecnologia Preamble Puncturing si riducono gli effetti collaterali negativi delle interferenze, sfruttando tutta la banda a disposizione per isolarle in spazi specifici. La tecnologia TWT è presente come nello standard precedente, così come la MU-Mimo, però nella nuova declinazione CMU-Mimo (Coordinated Multiuser Mimo) che abilita ben 16 stream contemporanei e bi-direzionali con i dispositivi connessi, rispetto agli 8 del wi-fi 6. Nelle schede tecniche dei router e dei modem top di gamma si leggerà quindi 16×16, mentre è probabile che smartphone, tablet e altri prodotti si limitino, come oggi con gli altri standard wi-fi, a configurazioni 2×2. Ciò vuol dire che le prestazioni reali e consumer saranno teoricamente di massimo 10 Gbps con il wi-fi 7. La nuova tecnologia MLO (Multi-Link Operation), che permette l’invio/ricezione di dati su più bande radio, come una sorta di carrier aggregation, permette a 2 dispositivi in collegamento di combinare le bande 5 GHz e 6 GHz in un’unica rete wi-fi, con conseguente aumento di affidabilità e larghezza di banda a disposizione. Inoltre, il nuovo standard gode di una minore latenza: la stima è di 100 volte migliore rispetto al wi-fi 6. Altra caratteristica chiave è l’introduzione di una larghezza di banda enorme, grazie al massimo sfruttamento della banda 6 GHz e al relativo sfruttamento di 320 MHz. In realtà il wi-fi 7 può ottenere lo stesso risultato anche combinando parti delle bande 6 GHz e 5 GHz. Per ciò che riguarda la velocità, la realtà si discosta sempre dal massimo teorico proposto dagli standard wireless, ma il wi-fi 7 alza comunque l’asticella prestazionale rispetto al passato. In linea di massima sul mercato sbarcheranno progressivamente prodotti con configurazione Mimo 4×4 a 320 MHz, che consentiranno una soglia veritiera di 11,5 Gbps, oppure 2×2 a 320 MHz, o 4×4 a 160 MHz, capaci di 5,8 Gbps. Poi ci saranno modelli con client 320 MHz o 2×2 a 160 MHz, capaci di 2,9 Gbps, e la maggior parte con client 160 MHz o 2×2 a 80 MHz allineati su massimo 1,45 Gbps.

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