Wi-Fi 7新增特性概述 Wi-Fi6到Wi-Fi7的技術(shù)演進(jìn)

導(dǎo)讀

隨著VR/AR、4K/8K超清視頻、云游戲、云計(jì)算等新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、延時(shí)、并發(fā)、安全、可靠性和節(jié)能等方面有了更高的需求。針對(duì)現(xiàn)有協(xié)議已無法完全滿足日新月異需求場景的情況，IEEE于2019年成立了802.11be EHT(Extremely High Throughput)工作組來對(duì)下一代Wi-Fi 7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，工作組的目標(biāo)是在802.11ax基礎(chǔ)上將吞吐量提高到30Gbps+，頻譜在Wi-Fi6E的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)一步擴(kuò)充并進(jìn)一步降低復(fù)雜環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng)。工作組已于2022年3月發(fā)布D1.5協(xié)議草案，計(jì)劃至2023年10月發(fā)布D5.0，最終的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)D5.0-Pub將于2024年5月發(fā)布。本文將基于D1.5中的相關(guān)內(nèi)容對(duì)Wi-Fi 7的主要特性進(jìn)行介紹，并對(duì)關(guān)注度較高的特性重點(diǎn)分析。

作者：吳仁凡

單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心

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Wi-Fi 7新增特性概述

圖1為Wi-Fi技術(shù)從Wi-Fi 6到Wi-Fi 7的技術(shù)演進(jìn)示意圖，為了達(dá)到EHT的關(guān)鍵目標(biāo)，協(xié)議新增了許多新的特性。

圖1 Wi-Fi6到Wi-Fi7的技術(shù)演進(jìn)

PHY層方面的主要特性如下：

最大帶寬提升至320MHz，在Wi-Fi 6E中引入了更加干凈的6GHz頻段，Wi-Fi7沿用，目前我國計(jì)劃將高頻段的700MHz(6425~7125MHz)帶寬給5G或6G使用，低頻段的部分仍在討論中。

調(diào)制方式采用4096-QAM，每個(gè)符號(hào)攜帶12bit信息。隨著調(diào)制率的提高，增加調(diào)制速率MCS12-13，同時(shí)使用4K調(diào)制方式使得波束成形(Beam forming)必不可少，且對(duì)發(fā)送EVM(Error Vector Magnitude)要達(dá)到-38dB才能在發(fā)射功率和信號(hào)畸變中平衡。

最大空間流提升至16x16，實(shí)際上對(duì)AP而言這么多的空間流是針對(duì)MU-MIMO而非純MIMO，因?yàn)榻K端考慮實(shí)用性和成本是不會(huì)增加那么多路天線。

OFDMA的改進(jìn)包括MRU(Multi Resource unit)的分配和前導(dǎo)穿刺。

其他的如前導(dǎo)碼新增字段U-SIG，EHT-SIG等。

MAC層的主要特性為：

? 多AP協(xié)同涉及AP間的互相感知包括協(xié)同OFDMA，協(xié)同TDMA，協(xié)同空間流復(fù)用，協(xié)同波束成形，協(xié)同互補(bǔ)發(fā)送等技術(shù)。當(dāng)前協(xié)議未明確詳細(xì)方案，本文不做討論。

? MLO(Multi-Link Operation)，該特性需要MLD(Multi-Link Device)硬件的支持，該特性是本文的重點(diǎn)。

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OFDMA改進(jìn)

正交分頻多址OFDMA是Wi-Fi 6引入的新技術(shù)，可有效提高頻譜資源利用率來提高WLAN性能。之前的Wi-Fi技術(shù)，用戶是通過不同的時(shí)間片來使用信道，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)用戶完整占用全部子載波來進(jìn)行一次完整收發(fā)。為了復(fù)用信道，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)仿效LTE將信道資源劃分，將最小的子信道稱為-資源單元RU(Resource Unit)，每個(gè)RU至少包括26個(gè)子載波，用戶的使用根據(jù)RU資源來分配。該模式下用戶的數(shù)據(jù)承載在每個(gè)RU上，從總的時(shí)空域上看，每個(gè)時(shí)間片上允許多個(gè)用戶使用不同的RU收發(fā)數(shù)據(jù)，如圖2所示，其中不同的顏色代表不同的用戶。

圖2 OFDM VS. OFDMA

在Wi-Fi 6中，每個(gè)終端只能被分配一個(gè)RU，這種分配方式雖然簡化了分配機(jī)制，但帶來如下幾個(gè)使用限制：

當(dāng)用戶數(shù)比較少的時(shí)候，限制了頻譜資源使用率。

當(dāng)出現(xiàn)前導(dǎo)穿刺(Preamble Puncturing)時(shí)，如雷達(dá)信號(hào)檢測，因?yàn)槭褂昧诵诺览?，只有主信?0MHz帶寬能被使用，其他帶寬資源被浪費(fèi)。

每個(gè)用戶只能分配到特定的RU上，大大限制頻譜資源的調(diào)度。

Wi-Fi 7在此基礎(chǔ)上引入多RU分配機(jī)制，對(duì)單個(gè)終端的RU資源分配更加靈活，可在不同帶寬下組合分配給終端使用，如圖3所示，在160MHz帶寬下，對(duì)不同的40MHz信道下的信道穿刺，MRU分配機(jī)制能重新分配996+484子載波RU資源組合（部分子載波用于DC保護(hù)），圖4展示了802.11ax和802.11be的RU分配方式對(duì)比。

圖3 160MHz ETH PPDU發(fā)送MRU組合方式

圖4 802.11ax和802.11be RU分配方式對(duì)比

在上文中我們提到了前導(dǎo)穿刺的概念，該技術(shù)在Wi-Fi 6中被引入，其基于OFDMA傳輸方式，能夠有效優(yōu)化信道捆綁接入，Wi-Fi 7中由于頻譜的擴(kuò)展，該技術(shù)被用于輔助MRU分配，我們用圖5來簡單示例該技術(shù)細(xì)節(jié)。圖5中四個(gè)信道52，56，60，64捆綁成一個(gè)80MHz信道，52信道為主信道其他為次信道。Wi-Fi 5(802.11ac)中，如果信道56檢查到雷達(dá)信號(hào)，終端只可以在主信道52中傳輸，Wi-Fi 6中AP和終端可以將56信道頻閉，利用剩余的三個(gè)信道通信，即便仍然工作在80MHz信道模式下，但實(shí)際傳輸時(shí)把52信道置為NULL，和52信道的其他無線電互不干擾。需要注意的是802.11ax中規(guī)定主信道不能被屏蔽，能屏蔽的信道802.11ax協(xié)議已做規(guī)范，802.11be對(duì)該規(guī)范有改動(dòng)。

圖5 信道穿刺示意圖

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MLO機(jī)制

在802.11be中，PHY的一個(gè)主要變化就是MLD即提供多鏈路物理層支持的硬件，MLD的MAC部分即為MLO。在MLD以前的IC（簡單理解為射頻radio）雖然支持多個(gè)頻段的連接，但是每次只能選擇一個(gè)頻段進(jìn)行連接。對(duì)一個(gè)終端而言，一次只能和AP建立一個(gè)單獨(dú)的Wi-Fi連接，即不是連接在2.4GHz上，就是連接在5GHz上。而多個(gè)AP可以多個(gè)頻段同時(shí)工作，但是其實(shí)現(xiàn)方法是通過多個(gè)IC的方式進(jìn)行處理，即不同頻段使用不同的IC進(jìn)行隔離，從而允許多頻段并行工作互不影響。

之所以一塊IC只能提供一個(gè)頻段的連接，很大程度上與IC內(nèi)部只提供單個(gè)基帶的設(shè)置有關(guān)。這樣的設(shè)計(jì)主要是為了節(jié)約成本，降低設(shè)計(jì)難度，且之前終端Wi-Fi主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連接，而吞吐，時(shí)延和抖動(dòng)并不那么關(guān)鍵。但如今網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，吞吐和時(shí)延的需求擴(kuò)大，從而多鏈路的工作方式也應(yīng)運(yùn)而生。

圖6 AP和STA多鏈路連接

上圖中，MLD指的是提供多個(gè)鏈路的設(shè)備，可以理解為AP1，AP2和AP3是同一個(gè)AP的中的一個(gè)或多個(gè)射頻IC（Radio），這個(gè)射頻IC包含了三個(gè)頻段，對(duì)應(yīng)2.4GHz，5GHz和6GHz頻段。圖中的下半部分中對(duì)應(yīng)的是終端STA，STA和AP一樣，也是一個(gè)射頻IC對(duì)應(yīng)三個(gè)頻段。AP和STA之間可以建立多個(gè)連接，即圖中鏈路1，2，3。Wi-Fi 7的這種特性能夠?qū)㈩l譜資源通過多條鏈路優(yōu)化使用，帶來如下優(yōu)勢：

吞吐量的增加：多條鏈路意味著可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不考慮傳輸方式的情況下，吞吐量等價(jià)于各個(gè)鏈路之和。

降低延時(shí)：因?yàn)槎鄠€(gè)不同頻段鏈路的存在，相比之前單鏈路的信道競爭，多鏈路增加了設(shè)備獲取信道通信的概率，從而降低了通信延時(shí)。同時(shí)終端接入時(shí)的選擇性也大大提高。

增加數(shù)據(jù)傳輸可靠性：不同的鏈路可以傳輸相同的數(shù)據(jù)，鏈路間可以互補(bǔ)，減少數(shù)據(jù)幀的重傳，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

傳輸分流和隔離：不同的鏈路工作在不同的頻段上，同時(shí)多鏈路使用時(shí)支持同時(shí)雙向傳輸，即鏈路1發(fā)送，鏈路2接收同時(shí)進(jìn)行。

3.1 MLO鏈路連接方式

根據(jù)鏈路連接的方式，MLO可以分為如下五類，如表格1所示：

表格1 MLO鏈路分類

圖7為單射頻多鏈路的MLO方式，在MLSR(Multi-Link Single Radio)工作方式中，STA只有一個(gè)radio但可以切換不同信道進(jìn)行連接，在兩條鏈路中同一時(shí)間只能使用其中一條鏈路TX(transmit)/RX(Receive)。

圖7 單射頻多鏈路

圖8為單射頻多鏈路增強(qiáng)MLO方式，在EMLSR（Enhanced MLSR）工作方式中，STA只有一個(gè)radio，但其2x2的空間流模塊可以配置為1x1的工作方式分開工作，能同時(shí)對(duì)兩個(gè)信道進(jìn)行跟蹤監(jiān)聽，根據(jù)信道擁塞情況，切換到對(duì)應(yīng)信道鏈路上進(jìn)行TX/RX。

圖8 單射頻多鏈路增強(qiáng)

圖9為多射頻多鏈路MLO方式，在EMLMR（Enhanced Multi-Link Multi-Radio）工作方式中，STA的兩個(gè)radio的各自2x2空間流可以配置組合，Radio1的Tx/Rx工作在鏈路1上，Radio2的Tx/Rx工作在鏈路2上，也支持Radio1的Rx和Radio2的Rx工作在鏈路1而Radio1的Tx和Radio2的Tx工作在鏈路2的組合。最后根據(jù)鏈路所在信道擁塞在某條鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖9 多射頻多鏈路增強(qiáng)

圖10，圖11為多射頻多鏈路異步和同步方式，對(duì)于MLMR的多鏈路情況，因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)Radio，其對(duì)應(yīng)的鏈路的使用分為同步和異步兩種方式，即NSTR MLMR和STR MLMR。雖然不同鏈路工作頻段不同，但射頻模塊的間隔等問題會(huì)導(dǎo)致模塊間干擾（IDC:In-Device Coexistebce Interference）。兩類方式也將導(dǎo)致信道接入和使用機(jī)制有所不同，目前協(xié)議中關(guān)于兩種方式的介紹很少，本文簡單做介紹。

STR異步模式全稱是Simultaneous Tx and Rx，同時(shí)收發(fā)工作模式，但并不是全雙工方式，其含義是不同的鏈路允許同時(shí)工作，同一信道仍需競爭發(fā)送窗口。不同的鏈路工作在不同的信道上，互不干擾，獨(dú)立工作，所以使用時(shí)就會(huì)存在鏈路1發(fā)送，鏈路2接收的狀態(tài)，所以稱為異步模式。STR實(shí)際上是終端的不同的radio分別在不同的頻段上跑，但實(shí)現(xiàn)上仍需考慮如下問題：

IDC(In-Device Coexistence Interference)問題，不同頻段間的信道隔離度需要進(jìn)行考慮，后續(xù)802.11be小組討論時(shí)可能會(huì)制定詳細(xì)信道隔離度劃分，2.4GHz和6GHz同時(shí)使用和5GHz和6GHz同時(shí)使用或者2.4+5+6GHz使用的情況均有不同。

異步情況下的多鏈路使用場景擴(kuò)展，比如增加傳輸可靠性的重傳方式，讓鏈路1給鏈路2進(jìn)行重傳，這可以有效避免一個(gè)信道的干擾，或者用一個(gè)鏈路做控制信道之類的工作。

圖10 異步多射頻多鏈路，允許多鏈路雙向同時(shí)工作

圖11 同步多射頻鏈路，不支持多鏈路獨(dú)立工作

NSTR同步模式要求傳輸過程同時(shí)開始，同時(shí)結(jié)束，這樣的規(guī)則主要考慮到ACK的反饋機(jī)制是直接反饋而非交互式反饋（BAR和BA為典型交互式反饋）。ACK的反饋方式會(huì)造成兩方面問題，一是如果傳輸不是同時(shí)結(jié)束會(huì)出現(xiàn)一個(gè)鏈路已反饋ACK，另一個(gè)鏈路還在傳輸中；二是ACK的超時(shí)機(jī)制，如果兩個(gè)鏈路不是同時(shí)結(jié)束，那么各自鏈路的超時(shí)時(shí)間就會(huì)不一致。對(duì)于傳輸同時(shí)開始的問題，當(dāng)前主要參考802.11be小組的幾篇討論文檔。在《11-20-0993-04-00be-sync-ml-operations-of-non-str-device》中提到幾種同步MLO的實(shí)現(xiàn)方式，如圖12，13，14所示。本人目前也處于淺顯理解狀態(tài)，只能討論內(nèi)容做簡單解釋。

圖12 NSTR方案1 - PIFS

方案1中采用了信道競爭中的PIFS機(jī)制，雙鏈路均做信道競爭，優(yōu)先競爭到的觸發(fā)另一個(gè)鏈路的傳輸流程，前提是未競爭到信道的鏈路需要做PIFS檢查是否空閑，省略了該鏈路信道競爭中的退避(Back-off)流程。

方案2為ePIFS(enhanced PIFS)機(jī)制，為方案1的增強(qiáng)方式，為未競爭到信道的鏈路在加上一定的退避時(shí)隙，但也不設(shè)置該鏈路信道NAV值，等待優(yōu)先競爭的鏈路同步觸發(fā)直接使用信道。

圖13 NSTR方案2 - ePIFS

方案3中增加鏈路等待時(shí)隙，方案對(duì)非Wi-Fi 7終端和Wi-Fi 7終端均相對(duì)公平。兩條鏈路都正常競爭信道，但是同時(shí)發(fā)送的時(shí)間以后競爭到的鏈路為準(zhǔn)，先競爭到的鏈路增加退避時(shí)間來等待同時(shí)發(fā)送。

圖14 NTSR方案3 - Wait Slot

當(dāng)前方案1，2，3均存在各種意外的問題，按照小組討論的結(jié)論，標(biāo)準(zhǔn)選擇方案1的概率較大。

3.2 MLO服務(wù)發(fā)現(xiàn)

無線服務(wù)發(fā)現(xiàn)包括主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描，MLO機(jī)制下的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方式變化在于需要STA在不同鏈路信道中進(jìn)行掃描，這會(huì)導(dǎo)致掃描時(shí)間成倍增加，所以需要引入一些機(jī)制來簡化該流程。

每個(gè)支持MLD的AP在其各個(gè)Radio發(fā)送的Beacon或Probe Rsp幀中需要攜帶其他Radio的基礎(chǔ)連接信息RNR（Reduced Neighbor Report），包括國家碼，BSSID，SSID，BSS參數(shù)等。同時(shí)STA會(huì)發(fā)送ML Probe Req幀來獲取AP所有Radio的完整連接信息，當(dāng)AP接收到后會(huì)回復(fù)對(duì)應(yīng)的ML Probe Rsp幀，該幀包含了該AP中多鏈路信息集。整體簡化流程如圖15所示。

圖15 MLO服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程

3.3 MLO的關(guān)聯(lián)和認(rèn)證

在STA服務(wù)發(fā)現(xiàn)后，接下來是關(guān)聯(lián)和認(rèn)證，之前的關(guān)聯(lián)方式只支持一條鏈路的關(guān)聯(lián)處理，所以3條鏈路則需要3次的關(guān)聯(lián)流程處理。當(dāng)前使用的重關(guān)聯(lián)請(qǐng)求和重關(guān)聯(lián)響應(yīng)需要在原幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入新的字段，主要包括：通用信息段（Common Info Field）和各個(gè)Radio的信息（Per-STA profile），如圖16示意。

圖16 MLO的關(guān)聯(lián)方式

MLO的認(rèn)證方式如圖17所示，和正常四次握手密鑰交換基本一致，額外增加新的密鑰。PMK和PTK正常獲??；PMK，PTK和PN空間由PTKSA填充，不同的鏈路使用不同的GTK，IGTK和BIGTK。

圖17 MLO的認(rèn)證方式

3.4 MLO其他特性變化

MLO的其他主要特性還包括：

BA在各個(gè)鏈路都被使用。

Qos數(shù)據(jù)幀的接收狀態(tài)可以通過其他鏈路反饋。

Beacon中的TIM域包含整個(gè)鏈路的報(bào)文緩存情況，如圖18所示。

默認(rèn)模式下，各個(gè)鏈路中包含所有的TID映射關(guān)系?？蛇x模式下，各個(gè)鏈路可以單獨(dú)設(shè)置不同的TID映射關(guān)系，但一個(gè)鏈路狀態(tài)可用的情況下至少有一個(gè)TID映射，如圖19所示。

圖18 Beacon中的TIM域合集

圖19 MLO各個(gè)鏈路的TID映射

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結(jié)語

受限于篇幅和個(gè)人理解的程度，本文只對(duì)802.11be草案D1.5中的部分內(nèi)容進(jìn)行了簡單的介紹，當(dāng)前802.11be協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定仍在修訂中，文中的部分內(nèi)容可能會(huì)更新或修正。個(gè)人相信新Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)下的Wi-Fi 7將讓消費(fèi)者體驗(yàn)到無線性能的巨大飛躍。從8K流媒體視頻到身臨其境的VR體驗(yàn)，全球用戶將享受到空前卓越的超高速和超低延時(shí)體驗(yàn)，讓我們拭目以待。

編輯：黃飛

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