《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Wi-Fi6之后的Wi-Fi技術(shù)趨勢
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
成 剛,,楊志杰
上海諾基亞貝爾股份有限公司,,上海200127
摘要: Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)將在2020年之后成為主流的Wi-Fi技術(shù),。但為了滿足日益增長的業(yè)務(wù)帶寬需求和用戶接入數(shù)量,,Wi-Fi技術(shù)及性能仍然需要得到進(jìn)一步的演進(jìn)和發(fā)展。就最新的IEEE 802.11be標(biāo)準(zhǔn)制定過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和討論,,闡述相關(guān)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)的發(fā)展趨勢,,并分析其中受到較多關(guān)注的多AP協(xié)作技術(shù),混合自動重傳請求機(jī)制和Wi-Fi全雙工模式,。另外對于802.11ax下一代版本和802.11be將采用的最新的免授權(quán)的6 GHz頻率開放的進(jìn)展及相關(guān)Wi-Fi功能的影響給予介紹,。
中圖分類號: TN926+.24
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191372
中文引用格式: 成剛,楊志杰. Wi-Fi6之后的Wi-Fi技術(shù)趨勢[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(4):19-23.
英文引用格式: Cheng Gang,Yang Zhijie. New Wi-Fi technology survey after Wi-Fi6[J]. Application of Electronic Technique,,2020,,46(4):19-23.
New Wi-Fi technology survey after Wi-Fi6
Cheng Gang,Yang Zhijie
Nokia Shanghai Bell Co.,,Ltd.,,Shanghai 200127,China
Abstract: Wi-Fi6 standard will be major Wi-Fi technology dominated for deployment after 2020. But to support increasing bandwidth requirements and number of access devices per year, Wi-Fi technology and throughput still need to be further developed and improved. This paper will introduce the key technology involved for latest IEEE802.11be standard discussion, describing the major changes on physical and MAC layer, particularly providing the analysis for multi-access point coordination, hybrid automatic repeat request and Wi-Fi full duplex mode. Finally, this paper will introduce the granted progress of latest 6 GHz applied by both new 802.11ax version and 802.11be with related Wi-Fi function impact.
Key words : 802.11ax,;Wi-Fi6,;802.11be;multi-access point coordination,;HARQ

0 引言

    發(fā)展了二十年的Wi-Fi技術(shù)已經(jīng)成為室內(nèi)短距離數(shù)據(jù)通信的最普及的應(yīng)用技術(shù),,手機(jī)、電腦及大量的家用電器都已經(jīng)把Wi-Fi支持作為缺省的配置,。平均每隔4到5年就會有新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)被IEEE發(fā)布,,然后由Wi-Fi聯(lián)盟完成測試認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的制定,各個廠家迅速推出認(rèn)證后的商用化產(chǎn)品,。Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g/n/ac等)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)迭代的主要方向是通過頻寬拓展,、調(diào)制與編碼效率提升、輸入輸出方式增強,、數(shù)據(jù)鏈路層改進(jìn)等機(jī)制來提升Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢托阅?,從最初? Mb/s到目前802.11ac的3 466.8 Mb/s峰值速率。

    除了Wi-Fi性能提升以外,,最新的Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)開始關(guān)注Wi-Fi在場景應(yīng)用中的用戶體驗,。Wi-Fi終端和AP采用的信道訪問的機(jī)制一直是載波偵聽(Carrier Sense multiple Access,CSMA)和沖突避免(Collision Avoidance,,CA)的方式,,但當(dāng)在用戶密集的場景中使用傳統(tǒng)Wi-Fi接入的時候,這種競爭信道的機(jī)制就會造成很大的網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲,。IEEE制定的最新的802.11ax(即Wi-Fi6)在物理層支持正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,,OFDMA)技術(shù)來改善密集用戶接入的問題[1],。除了OFDMA技術(shù)以外,802.11ax通過提升頻譜效率,、提供更好的抗干擾能力,、優(yōu)化信道訪問等措施來提升整體的Wi-Fi性能,它的最大物理速率理論上能達(dá)到9.6 Gb/s,。在2020年及后面幾年802.11ax將是市場中主流的Wi-Fi技術(shù),。

    隨著每年大量的設(shè)備通過Wi-Fi接到路由器或家庭網(wǎng)關(guān),并且高清視頻,、AR/VR等高帶寬的快速應(yīng)用,,展望后面5年的Wi-Fi應(yīng)用前景,IEEE任務(wù)組已經(jīng)開始在Wi-Fi6的OFDMA多址接入機(jī)制及其他相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上繼續(xù)尋找提升性能的手段,,在工作頻率,、信道帶寬、頻帶或信道聚合等物理層上深入研究可以挖掘拓展的能力,,該標(biāo)準(zhǔn)被IEEE定為IEEE 802.11be,。雖然Wi-Fi聯(lián)盟還沒有定義Wi-Fi7的名稱,,但從IEEE標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)演進(jìn)來看,,802.11be很可能是新Wi-Fi7的候選者。

    無線通信所使用的頻譜是其技術(shù)發(fā)展最重要的物理資源,,頻寬擴(kuò)展是提高性能的關(guān)鍵手段,。傳統(tǒng)Wi-Fi所使用的2.4 GHz和5 GHz上的信道已經(jīng)非常擁擠,為了能夠支持Wi-Fi6的下一代版本及Wi-Fi 802.11be新標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),,根據(jù)最新的報告,,北美將在2020年首先開放6 GHz的免授權(quán)頻段,同時歐洲也在商議開放6 GHz的計劃,。6 GHz的引入不僅是頻段的變化,,也需要在Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中有新的數(shù)據(jù)鏈路層的調(diào)整來適配6 GHz的頻段掃描、信道選取等功能,。

本文就Wi-Fi6之后的新Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)演進(jìn)趨勢進(jìn)行介紹和分析,,以及6 GHz免授權(quán)工作的進(jìn)展和相關(guān)Wi-Fi功能影響。

1 IEEE 802.11be的新技術(shù)

    IEEE在2018年5月與7月,,及2019年5月相繼成立了興趣組TIG(Top Interest Group),、學(xué)習(xí)組SG(Study Group)以及工作組TG(Task Group),目的是為了制定新的高性能的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn),,即IEEE 802.11be Extreme High Throughput(EHT)[2],。

    802.11be的初始目標(biāo)是支持最大30 Gb/s的吞吐量,比802.11ax的速率還要高4倍,,頻率范圍從1 GHz到7.250 GHz,,包括2.4 GHz,、5 GHz及新的6 GHz未授權(quán)頻段,但仍將與已有的支持各標(biāo)準(zhǔn)的802.11設(shè)備兼容,。關(guān)于802.11be的關(guān)鍵技術(shù)的討論內(nèi)容參考表1[3-4],,它們是目前活躍的重要技術(shù)話題,預(yù)計在2021年將發(fā)布802.11be的版本草稿,。

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    提高無線傳輸性能首先是從物理層的工作頻率,、頻段或信道的寬度及工作方式、發(fā)送及接收的天線空口方式等方面進(jìn)行討論,。以Wi-Fi技術(shù)為例,,影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝康囊蛩刂饕薕FDMA的子載波數(shù)量、子載波傳輸?shù)谋忍財?shù),、編碼速率,、空間流個數(shù)、幀間隔及每次傳輸物理幀所需時間,。

    支持新的6 GHz工作頻率可以擴(kuò)大頻段帶寬,,能有效增加OFDMA的子載波數(shù)量;對信道或頻段進(jìn)行聚合綁定,,支持頻段或信道的全雙工收發(fā),,能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎屯掏铝浚粩U(kuò)展多輸入多輸出(MU-MIMO)的空間流數(shù)量,,可以支持更多的同時進(jìn)行傳輸?shù)耐ǖ?。這些物理層的擴(kuò)展在標(biāo)準(zhǔn)定義過程中可以較早形成共識,因為它們能夠直接提高有效的數(shù)據(jù)傳輸速率,,是否能進(jìn)入最后的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在于芯片廠家需要評估硬件的成本和可行性,。

    對于涉及數(shù)據(jù)鏈路層改變的多AP接入?yún)f(xié)作以及混合自動重傳請求,因為技術(shù)方案較復(fù)雜,,對性能的提升程度需要詳細(xì)評估,,目前無法確定在標(biāo)準(zhǔn)討論過程中將會如何做技術(shù)方案選擇或權(quán)衡。本文先就這兩者技術(shù)的基本方案和研究方向進(jìn)行介紹,。另外,,全雙工收發(fā)的可行性研究在IEEE的興趣組(TIG)已有初步的報告,在下面介紹中也包含在內(nèi),。

1.1 多AP協(xié)作的機(jī)制

    對于將來有更密集的多個Wi-Fi AP部署場景,,AP相互之間無線信號重疊是典型的數(shù)據(jù)傳輸特征,除了盡可能減少相互干擾以外,,如果能充分利用相鄰的AP進(jìn)行協(xié)作,,則能最大化利用有限的時頻域及空口資源,提高在多AP環(huán)境下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)效率和性能。在802.11be的技術(shù)討論中,,包含了OFDMA協(xié)作,、空口協(xié)作、分布式MIMO協(xié)作三種方式[2],,如圖1所示,。

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    (1)OFDMA協(xié)作(Coordinated OFDMA)

    多個AP相互之間對正交的頻域資源進(jìn)行同步,可以減少AP相互之間競爭窗口的沖突,。這種方式盡可能使不同的AP最大化利用數(shù)據(jù)所發(fā)送的信道資源,,對于優(yōu)化短數(shù)據(jù)包的延時非常有幫助。在802.11ax的OFDMA多址接入的技術(shù)基礎(chǔ)上,,不同的AP通過協(xié)商可以分別使用不同的頻域資源RU(Resource Unit)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,。這種OFDMA協(xié)作是多AP協(xié)作機(jī)制中較簡單的方式。

    (2)空口協(xié)作

    空口協(xié)作,,稱為零點指向協(xié)作(Coordinated Null Steering),,或波束賦形協(xié)作(Coordinated Beamforming),協(xié)作的前提是AP有多對天線,,多個AP在同一時刻利用空口復(fù)用技術(shù)向不同終端設(shè)備提供波束賦形的增益,,同時AP向非關(guān)聯(lián)的設(shè)備提供空口信號輻射的零點指向,這種方式有效利用空口資源來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,。具體實現(xiàn)是需要在多個AP之間通過消息進(jìn)行協(xié)作,,并且AP要從非關(guān)聯(lián)的設(shè)備那里獲得信道狀態(tài)信息(Channel State Information),然后根據(jù)輻射零點來調(diào)整天線方向,。

    (3)分布式MIMO協(xié)作(Distributed-MIMO,,D-MIMO)[5]

    這是多AP協(xié)作中比較復(fù)雜的機(jī)制,通過把相鄰的AP從干擾源變成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)作方,,AP之間可以通過波束賦型的方式拓展空口復(fù)用和增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)母采w范圍。D-MIMO機(jī)制需要優(yōu)化原先的沖突避讓機(jī)制(CSMA/CA),,使得多AP在信號重疊的區(qū)域能改進(jìn)信道訪問的處理方式,。在具體實現(xiàn)中,可能需要建立主AP和從AP的架構(gòu),,主AP協(xié)調(diào)頻域資源及控制管理幀的傳送等方式,,從而實現(xiàn)多AP相互協(xié)作和數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request,,Hybrid ARQ)

    HARQ機(jī)制在蜂窩通信中已經(jīng)采用,,在Wi-Fi5和Wi-Fi6中也曾被討論過,但還沒有在802.11標(biāo)準(zhǔn)中被應(yīng)用,。目前802.11支持?jǐn)?shù)據(jù)包的重傳機(jī)制,,當(dāng)MAC層的數(shù)據(jù)單元(MPDU)沒有被接收方正確解析的時候,或者發(fā)送方?jīng)]有收到接收方的確認(rèn)消息,發(fā)送方就會重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包,;對于當(dāng)前解析失敗的數(shù)據(jù)報文,,接收方不會緩存,將直接拋棄,。而在HARQ機(jī)制中[6],,接收方保存上一個失敗的報文,在處理后面重傳過來的報文的時候?qū)⒔M合在一起檢查是否能進(jìn)行解析,,從而提高鏈路層傳輸?shù)目煽啃院蜏p少延時,。在理想的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise)情況下,HARQ與ARQ相比,,在信號與干擾加噪聲比(Signal to Interference plus Noise Ratio,,SINR)上提升了約4 dB[2]。但在實際的干擾情況下能提升多少性能還需要進(jìn)一步的分析,。

    另外,,支持HARQ機(jī)制,需要預(yù)留內(nèi)存來存儲前面發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,,預(yù)留多少內(nèi)存能有效提高鏈路性能是需要研究的,。同時這種對失敗的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行組合解析也增加了對系統(tǒng)處理能力的要求和復(fù)雜程度。能否在802.11be標(biāo)準(zhǔn)中采納這個技術(shù)需要分析和討論,。鏈路重傳請求機(jī)制如圖2所示,。

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1.3 新的Wi-Fi全雙工模式

    Wi-Fi的全雙工模式(Full Duplex)指的是利用相同的時域和頻域資源同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。全雙工模式可以充分利用信道資源,,從而大幅度提高系統(tǒng)處理容量和數(shù)據(jù)傳輸性能,,并能夠減少業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r延。根據(jù)終端處理數(shù)據(jù)的能力,,Wi-Fi全雙工模式可以分為異步全雙工和同步全雙工,。參考圖3,異步全雙工是在終端只能支持半雙工模式的情況下,,AP可以在接收一個終端數(shù)據(jù)的時候同時向另一個終端發(fā)送數(shù)據(jù),;而同步全雙工是指AP與終端之間可以相互同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

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    全雙工模式的支持需要802.11的物理層和MAC層的修改和適配[7],。例如,,物理層中將增加全雙工的前導(dǎo)碼(Preamble),或者定義新的全雙工下的訓(xùn)練幀(Training Frame),,用于全雙工模式下AP與終端之間對工作模式的協(xié)商和確認(rèn),;需要定義新的全雙工模式下的初始化過程,例如AP通知終端開始進(jìn)入全雙工模式或退出全雙工模式等,;異步全雙工模式包含多個終端同時與AP進(jìn)行通信,,終端之間的相互干擾將影響終端與AP之間的正常數(shù)據(jù)傳送,,所以需要定義相應(yīng)的物理層和MAC層上的檢測規(guī)程來減少這種干擾。

    802.11be的興趣組(TIG)在2018年12月完成了Wi-Fi全雙工模式的初步可行性分析[7],,結(jié)論是在802.11標(biāo)準(zhǔn)修改較小的情況下,,全雙工模式可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝浚瑴p少延遲和傳輸沖突,,在較密集終端連接的場景下能減少隱藏節(jié)點的影響等,,所以全雙工模式也是802.11be的候選技術(shù)方案之一。

1.4 IEEE 802.11be的初步的時間規(guī)劃

    根據(jù)前期會議關(guān)于時間表的討論,,預(yù)計在2020年9月完成新功能的選取和定義,,在2021年5月有規(guī)范草稿,然后在2023年11月最終完成標(biāo)準(zhǔn)定義,,接著是Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的制定和廠家產(chǎn)品的認(rèn)證測試過程,。支持802.11be的商業(yè)化設(shè)備預(yù)計在2024年推向市場[2]。IEEE 802.11be的初步時間表如圖4所示,。

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2 新的6 GHz免授權(quán)頻段的支持

    目前Wi-Fi使用的是2.4 GHz和5 GHz,,北美和歐洲正在議定向下一代Wi-Fi設(shè)備開放未經(jīng)授權(quán)的6 GHz頻段,即北美可以拓展使用5 925 MHz與7 125 MHz之間的頻段范圍,,共有1 200 MHz,,而歐洲可以拓展使用5 925 MHz與6 425 MHz之間的頻段范圍,共有500 MHz,。如圖5所示,。

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    2018年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)投票決定了6 GHz拓展到Wi-Fi設(shè)備的規(guī)劃。從時間來看,,支持802.11ax Wave2的產(chǎn)品可能在2020年下半年在北美首先支持6 GHz,。而歐洲預(yù)計在2020年可能提供對6 GHz頻段的可行性研究,。

    如圖5中的頻譜圖所示,,支持6 GHz的工作頻率,可以使下一代Wi-Fi設(shè)備具有更寬的頻率范圍和更多的信道來傳輸數(shù)據(jù),,從而提升了整體的Wi-Fi傳輸性能,,這是802.11be把6 GHz看作是基本的規(guī)格要求的原因,,同時Wi-Fi6也把6 GHz的支持作為下一階段演進(jìn)的計劃。

    支持6 GHz的Wi-Fi6或802.11be設(shè)備可以缺省就支持3頻段(2.4 GHz頻段,,5 GHz頻段頻以及6 GHz頻段),對于目前Wi-Fi聯(lián)盟定義的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(EasyMesh)的推廣有著非常重要的幫助,。通常家庭設(shè)備支持雙頻段(2.4 GHz和5 GHz),,在組網(wǎng)的時候一個頻段必須用于AP與AP之間的傳輸通道,同時這個頻段與另一個頻段用于Wi-Fi終端的連接,。AP與AP之間的傳輸通道要保證較高的帶寬和優(yōu)先級,,但這種雙頻段組網(wǎng)方式影響了家庭中Wi-Fi終端所能利用的Wi-Fi連接資源,。而如果支持3頻段的新Wi-Fi設(shè)備,就可以使用具備更大帶寬的6 GHz專門用于AP與AP之間的連接,,不僅增強了AP之間的組網(wǎng)通道,,也讓家庭終端有更多的Wi-Fi連接的資源。

    Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)要支持新的6 GHz頻段,,就要拓展原來的頻段發(fā)現(xiàn),、優(yōu)化信道掃描等功能,相關(guān)的MAC消息也要隨之更新,。下面是其中兩個基本功能[1]

    (1)快速被動掃描

    工作在6 GHz的AP可以周期性地主動廣播探測響應(yīng)(Unsolicited Probe Response),,這樣Wi-Fi終端不用在6 GHz發(fā)送探測消息的請求就可以主動發(fā)現(xiàn)工作在6 GHz的AP,從而可以減少終端發(fā)送探測消息的數(shù)量,。

    (2)6 GHz BSS的帶外發(fā)現(xiàn)機(jī)制

    支持6 GHz就意味著AP或者STA有更多的信道要掃描,,從而使得掃描時間變長。對于新的支持6 GHz的標(biāo)準(zhǔn)來說,,需要有機(jī)制來優(yōu)化掃描方式,。對于在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同時工作在2.4 G/5 GHz頻段和6 GHz頻段的AP,需要在Beacon消息和探測響應(yīng)消息中包含RNR(Reduced Neighbor Report)字段,。RNR字段中包含了6 GHz頻段以上的BSS信息,,例如SSID/BSSID信息、工作頻道及帶寬信息,,這樣可以在掃描的時候就選擇需要的BSS及相關(guān)信道,,減少平均掃描時間。

3 結(jié)束語

    從目前最新的市場反饋來看,,支持Wi-Fi6的路由器和終端數(shù)量在2020年將迅速上升,,Wi-Fi6標(biāo)準(zhǔn)在較短的時間內(nèi)就會成為市場主流的Wi-Fi技術(shù)。但Wi-Fi6的數(shù)據(jù)傳輸速率并沒有比Wi-Fi5(802.11ac)提升很多,。對于日益增長的AR/VR,、視頻應(yīng)用等業(yè)務(wù),Wi-Fi的性能需要有新的技術(shù)支撐推動標(biāo)準(zhǔn)的升級換代,。

    本文介紹的802.11be很有可能是下一代Wi-Fi7的候選,,它在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)決定了802.11be所能達(dá)到的性能指標(biāo)。雖然目前還在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)討論的前期,,并且還有很多研究工作或者可行性評估需要去完成,,需要國內(nèi)國外研究機(jī)構(gòu)或IEEE成員提供方案討論,但已經(jīng)可以看到新的技術(shù)將帶來的Wi-Fi重大性能變化的前景,。另外免授權(quán)的6 GHz的頻譜資源的應(yīng)用,,將給下一個版本的Wi-Fi6以及802.11be都帶來非常重要的性能提升,也是中國將來免許可頻率管理計劃的參考,。

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成  剛,,楊志杰

(上海諾基亞貝爾股份有限公司,上海200127)

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