羅德與施瓦茨助力探索WiFi8的無限可能

前言

在Wi-Fi 7設(shè)備正在如火如荼的爆發(fā)性增長的時候，Wi-Fi 的下一代標(biāo)準(zhǔn)也早已開始早期研究。Wi-Fi 8又稱為802.11bn，也稱為UHR(Ultra High Reliability)超高可靠Wi-Fi。從時間線上看，UHR SG(Study Group)早在2022年7月就成立了，旨在討論并制定新的項(xiàng)目授權(quán)請求 (PAR：Project Authorization Request)，定義 802.11be 之外需要考慮的一組目標(biāo)、頻段和技術(shù)。其研究成果轉(zhuǎn)入在2024年11月成立的UHR TG(Task Group)，為Wi-Fi 8的初期版本做準(zhǔn)備。預(yù)計基于Wi-Fi 8的產(chǎn)品將于2028年左右面世。

圖1：Wi-Fi 技術(shù)演進(jìn)時間表

從UHR的名稱定義就可以知道Wi-Fi 8的主要應(yīng)用將針對于對吞吐量、延遲和可靠性要求苛刻的場景，比如虛擬現(xiàn)實(shí)，智慧工程，物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)應(yīng)用等。

UHR的目標(biāo)包括：

? 吞吐量增加25% (MAC測吞吐量)

? 與802.11be相比，延遲進(jìn)一步降低25%

? 即使在具有移動性和重疊基本服務(wù)集 (OBSS：overlapping basic service sets ) 的場景中，也可將95%的數(shù)據(jù)包延遲減少 25%，并將 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (MPDU：MAC Protocol Data Unit) 丟失率減少 25%；

? 降低AP功耗并改善點(diǎn)對點(diǎn)通信

針對以上目標(biāo)，早期標(biāo)準(zhǔn)研究針對物理層和MAC層做了很多課題研究。

圖2：Wi-Fi 8標(biāo)準(zhǔn)早期研究課題

這些技術(shù)正在IEEE內(nèi)展開深入的研究和討論，下面我們就針對其中的兩個技術(shù)展開介紹

01(DRU)

分布式RU

和802.11be相比，802.11bn基本的物理層參數(shù)變化并不大。除了資源單元增加了DRU (Distributed Resource Unit)之外，頻率，帶寬，子載波間隔，調(diào)制方式，MIMO層數(shù)，MLO傳輸均與802.11be相同。需要著重提及的一點(diǎn)是802.11bn 修正案適用于 1 GHz 至 7.250 GHz（請注意：Wi-Fi 從802.11be開始將6GHz頻段擴(kuò)展到7.250GHz）之間的載波頻率并保證其向后兼容性。這也意味著6GHz頻段將在Wi-Fi 8繼續(xù)得以沿用。

圖3：Wi-Fi 6/7/8物理層參數(shù)對比

DRU 傳輸專門針對 6 GHz 頻段的低功率室內(nèi) (LPI: Low Power Indoor) 設(shè)備，允許在更寬的帶寬上分配已分配的Tones，從而減少每 MHz 的Tones數(shù)量。這一變化能夠顯著提高上行 OFDMA 傳輸功率，有效擴(kuò)展了傳輸范圍并提高了這些設(shè)備的整體性能。圖4舉例說明LPI設(shè)備使用DRU后的發(fā)射功率對比（假設(shè)-1dBm/MHz）。同樣的52-tone無線資源單元， rRU每MHz包括13個tone，dRU每MHz包括3個tone，發(fā)射功率提高4.33倍，功率增加6.37dB。

圖4：使用DRU傳輸后的上行發(fā)射功率對比變化

表1是針對不同的tones和帶寬，使用DRU技術(shù)之后可能帶來的Tx發(fā)射功率提升。

表1：使用DRU后可能的發(fā)射功率提升值

02(Multi-AP Coordination)

多接入點(diǎn)協(xié)調(diào)MAPC

MAPC顧名思義是指管理多個相鄰的無線接入點(diǎn)，通過無線技術(shù)協(xié)調(diào)其頻率、時間和功率資源，避免信道爭用，改善共享資源，以達(dá)到更高的吞吐量，降低最差情況時延。傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)主要側(cè)重于單AP技術(shù)，缺乏AP到AP的協(xié)調(diào)機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)有效的資源共享和優(yōu)化覆蓋范圍。雖然Wi-Fi 7定義了MLO技術(shù)，可以有效提高吞吐量，降低時延。但是這種增強(qiáng)仍然是有限的。Wi-Fi 8中的MAPC是一種有效的PHY和MAC層機(jī)制，可將多AP管理提升到一個全新的水平。

圖5：MAPC的幾個概念（來源：Intel）

幾個概念包括：

? TXOP:

· 傳輸機(jī)會 (TXOP) 是 802.11 中的一項(xiàng) MAC 功能，它通過在一段時間內(nèi)提供無爭用信道訪問來增加高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的吞吐量。

? AP 候選集：

· 可以發(fā)起/參與 MAPC 的 所有AP 集合

· 定義 MAPC 的可信區(qū)域，只有同一候選集內(nèi)的 AP才能相互執(zhí)行 MAPC。

? Sharing AP：

· 獲取 TXOP 并在其擁有的 TXOP 中發(fā)起特定類型 MAPC 的 AP

? Shared AP：

· 由sharing AP 協(xié)調(diào) MAPC 傳輸?shù)?AP。

· 一個 TXOP 中可能存在多個shared AP。

MAPC技術(shù)有很多，今天我們簡單介紹下面四種

1.協(xié)調(diào)OFDMA (C-OFDMA)

C-OFDMA是一種由MAC層 驅(qū)動的多 AP 協(xié)調(diào)技術(shù)。C- OFDMA 允許多個 AP 在不同的 20 MHz 信道或 OFDMA 資源單元 (RU) 上同時傳輸。如圖6所示，TXOP由sharing AP獲取，并可能根據(jù)自己的邏輯決定與其他Shared APs 共享 OFDMA RU。

圖6：協(xié)調(diào)OFDMA

其他由MAC層驅(qū)動的技術(shù)還包括C- TDMA (Coordinated-TDMA) 和C-SR (Coordinated SR)。C-TDMA允許多個 AP 在同一信道上輪流傳輸（多個AP在不同時間傳輸）。TXOP仍然由sharing AP獲取，并在整個信道上與其他shared APs 共享 TXOP 的子間隔。如果說C-TDMA是多AP之間的時分技術(shù)的話，C-OFDMA就是多AP之間的頻分技術(shù)。

2.協(xié)調(diào)空間重用 (C-SR)

空間復(fù)用是 IEEE 802.11ax 中引入的一種機(jī)制，其中一個 AP 以最大發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)射，而其他 AP 則降低其發(fā)射功率。這種機(jī)制的主要問題是，降低其發(fā)射功率的 AP 可能沒有關(guān)于發(fā)射 AP 發(fā)射功率的準(zhǔn)確信息。這可能導(dǎo)致 AP 的傳輸效率低下，并可能影響其數(shù)據(jù)傳輸。

圖7：協(xié)調(diào)空間復(fù)用

協(xié)調(diào)空間重用 (C-SR) 是一種最初在 IEEE 802.11be 中討論的機(jī)制，目前已被接受為 IEEE 802.11bn 規(guī)范框架文檔中的多 AP 協(xié)調(diào)模式之一。在 C-SR 中，sharing AP和shared APs在同一信道上同時傳輸，并在整個信道上與其他shared APs 共享 TXOP。sharing AP 控制shared APs 的發(fā)射功率。這消除了shared APs 對sharing AP 的干擾，同時提高了shared APs的增益。在 AP 開始控制發(fā)射功率之前，有一個協(xié)調(diào)階段，使 AP 能夠獲取有關(guān)其他同信道 AP 的信息。此信息包括路徑損耗和信噪比 (SNR)，可幫助sharing AP 計算所有 AP 在最大吞吐量下的發(fā)射功率，然后sharing AP 將其發(fā)射功率告知所有shared APs。如圖 7所示，其中兩個 STA 都受益于多 AP 協(xié)調(diào)的 C-SR 方案。

802.11bn針對 C-SR 的不同方面提出了各種提案。這些方面包括增強(qiáng) SR、感知SR信噪比 (SINR) 、零波束轉(zhuǎn)向 SR、新協(xié)議、可接受的干擾電平指示、減少開銷、減少交叉干擾、基于服務(wù)周期的 C-SR 和性能評估等。

3.協(xié)調(diào)波束成形 (CBF)

協(xié)調(diào)波束成形 (C-BF) 是一種PHY層驅(qū)動的多AP協(xié)調(diào)技術(shù)。當(dāng) BSS 之間存在重疊時，某些 STA 可能會受到另一個 AP 傳輸?shù)挠绊?。這種情況下，sharing AP 可以監(jiān)聽來自其自身 STA 和與其他shared AP 關(guān)聯(lián)的 STA 的信道，從而使得sharing AP的輻射波束朝向其關(guān)聯(lián)的 STA，而零波束朝向重疊 BSS（OBSS）中的 STA。如圖 8 所示。當(dāng)多個 AP 共享瞬時信道狀態(tài)信息 (CSI) 時，它使它們能夠執(zhí)行數(shù)字波束成形，以便可以在相同的時間和頻率資源上以最大允許天線發(fā)射功率進(jìn)行同時傳輸。如圖 8 所示，C-BF 允許sharing AP和shared AP 向其目標(biāo) STA 發(fā)送信號，同時向另一個 AP 的目標(biāo) STA 形成零波束。由于傳輸可以在相同的頻率和時間以允許的最大天線發(fā)射功率進(jìn)行，因此不會降低吞吐量。

圖8：協(xié)調(diào)波束成形

802.11bn針對 C-BF 的不同方面提出了各種提案。這些方面包括平滑波束成形、信道信息反饋、觸發(fā)波束成形、在C-BF 中共享 TXOP、傳輸波束成形和性能評估等。

4.聯(lián)合傳輸 (JTX)

如圖 9所示，JTX 可視為由多個 AP 和多個 STA 組成的虛擬 MIMO 系統(tǒng)。該技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)與最佳 AP 的快速關(guān)聯(lián)，并提高用戶在移動（例如辦公室、熱點(diǎn)、家庭場景）時的重新連接速度 。JTX 旨在實(shí)現(xiàn)非共置時間/相位同步 AP 與時間/相位同步 STA 之間的聯(lián)合傳輸/接收。Sharing AP 向 shared APs 通過共享調(diào)度和其他控制信息來進(jìn)行聯(lián)合傳輸，所有 AP 同時向同一個STA 發(fā)送數(shù)據(jù)。STA在接收到數(shù)據(jù)后向自己關(guān)聯(lián)的所有AP發(fā)送反饋信息。

圖9：聯(lián)合傳輸

JTX可用于上行或者下行傳輸。UL JTX 可以在各種場景中提供更高的可靠性，EHT 任務(wù)組已經(jīng)討論了不同的方法，包括分布式干擾消除（可改善 UL 數(shù)據(jù)傳輸）和聯(lián)合接收（要求所有 AP 聯(lián)合處理從所有 STA 接收到的數(shù)據(jù)）。對于 DL JTX，可以在由所有分布式 AP 的發(fā)射天線組成的組合陣列上應(yīng)用一個用于多個 STA 并發(fā)傳輸?shù)木扌皖A(yù)編碼器。

03其他研究

并行的正在進(jìn)行Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)研究還包括如下兩個主要的方向

IEEE 802.11 AI/ML TIG (Topic Interest Group)——

其目的是討論人工智能 (AI) /機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 用例和技術(shù)可行性，探討未來Wi-Fi需要實(shí)現(xiàn)哪些功能以支持基于AL/ML應(yīng)用。目前討論的技術(shù)包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CSI (channel state information) 反饋壓縮、基于AI/ML 的漫游增強(qiáng)、基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的信道接入以及基于 AI/ML 的多 AP 協(xié)調(diào)方案。

IEEE 802.11 集成毫米波研究組 (IMMW SG：Integrated mmWave Study Group)：——

該研究組成立的動機(jī)來源：盡管Wi-Fi 6GHz頻段可以提供總共1325M（5.925GHz – 7.250GHz）的頻譜資源，但是由于各個地區(qū)的頻譜分配的不同，很難在6GHz上找到大于320M帶寬的頻譜。而中國由于不支持6GHz頻段用于非授權(quán)，使得Wi-Fi只支持160MHz帶寬。為了確保 Wi-Fi 的長期發(fā)展，支持更多的高端應(yīng)用，IEEE開始研究45GHz和60GHz用于Wi-Fi的可行性。由于高頻段所帶來的快速信號衰減以及更嚴(yán)重的阻塞，毫米波Wi-Fi將主要針對移動性弱的大帶寬場景。IEEE正在研究重用802.11be/bn的物理層技術(shù)來支持毫米波

結(jié)語

802.11bn的各種潛在技術(shù)非常豐富，未來標(biāo)準(zhǔn)落地如何定義還需等待。但是羅德與施瓦茨通用矢量信號源和頻譜分析儀都可以支持更高頻段甚至毫米波，未來必然也能支持802.11bn信號的產(chǎn)生和分析。而R&S面向未來的綜合測試儀CMX500 OBT (One Box Tester)以其卓越的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計能夠很容易的向后兼容未來的802.11bn技術(shù)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。