Wi-Fi 7关键创新技术

Posted 2022-09-16 边缘计算社区

内容来源：《中兴通讯技术（简讯）》2022年第8期，边缘计算社区经过授权发布文章。

作者：中兴通讯 张志刚

随着4K和8K视频、AR/VR、实时游戏、远程办公室和云计算等业务的广泛应用，用户对Wi-Fi技术的高吞吐量和低延迟提出了更高要求。Wi-Fi 7通过设计高效的PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制子层协议），进一步提升吞吐量和降低延迟，为实时业务提供技术支持。

为满足高带宽和低时延应用场景需求，802.11be Work Group探讨了多种关键创新技术，为提高吞吐量，EHT（Extremely High Throughput）PHY采纳了320MHz、16SS MU-MIMO、4096QAM技术，以及Multi-Link架构；为降低时延，从频谱利用率、抗干扰、实时业务针对性调整技术等不同角度着手。

在频谱利用率方面，探讨了Multi-RU、HARQ等技术；在抗干扰方面，探讨了Co-OFDMA、CSR等技术；在实时业务针对性调整技术方面，探讨了借鉴IEEE 802 TSN（Time Sensitive Network）的适用性成果等技术。

PHY技术提升

Wi-Fi 7在PHY技术上的提升，是其提升吞吐率和降低时延的决定性因素。

宽达320MHz的带宽

由于2.4GHz和5GHz的无许可频谱有限且拥挤，EHT添加了新的带宽模式，并可工作在6GHz频段，包括连续320MHz、160+160MHz、240MHz、160+80MHz等配置。EHT设计有效的方法来提高宽带和非连续带宽的频谱利用率，非连续带宽有利于邻居网络的共存，在没有连续频谱的情况下可以提供较高的带宽。Task Group 11be（TGbe）还考虑了频带聚合，即在不同频率建立多个链路的联合使用。

4096-QAM

在AP和唯一STA的天线数相同的场景，由于不能使用MU传输，此时提高提升带宽的唯一有效方法是提高QAM调制星座。不过调制星座每增加一次，得到的增益就越小。1024-QAM比256-QAM仅增加了25%的名义数据率，而4096-QAM比1024-QAM只提高20%。

更有效的Preamble Puncturing格式和机制

在EHT中，改进了对MU PPDU的穿刺设计，并增加对SU PPDU的穿刺设计，这种增强提高了通道利用率，TGbe将前导穿刺扩展到320MHz频带。

Multi-RU

每个STA只分配一个RU会降低多样性，而多样性对实时业务RTA来说是很有效果的。802.11be支持为每个STA分配多个RU。多RU分配的主要缺点是实现和调度的复杂性，所以TGbe限制RU的组合种类。频率分集提供增益比较小，所以RU组合尽量按大RU和小RU分别组合，以提高利用率。

Advanced PHY

TGbe还讨论了自动重复请求（HARQ）、全双工操作（FD）和非正交多址（NOMA）等多种Advanced PHY技术，在传输重试和在双向同时传输的情况下，将显著提高频谱效率，但对应的代价是高昂的，是否会纳入标准，尚需进一步评判。

MAC技术改进

Wi-Fi 7在MAC技术上的改进，进一步优化了Wi-Fi 7 PHY的提升效果。Wi-Fi 7的革命性变化之一是对多链路操作（Multi-link Operation）的本地支持，这有利于巨大的数据速率和极低的延迟，是满足EHT高带宽、低时延PAR（Project Authorization Request）要求的重要手段，能够有效利用信道资源，并且在密集的部署中不会受到干扰。

Multi-link架构

802.11be引入了多链路设备的概念，它由几个附属Wi-Fi设备组成，每个设备都有一个到无线媒体的PHY接口，但有一个到LLC（Logical Link Control）层的单一接口。该解决方案简化了分片和数据包的重组、重复检测和动态链路切换。802.11be推荐了两种Multi-band MAC架构，即独立式MAC和分布式MAC。它将MAC分为Upper和Lower MAC层，前者支持大多数MAC操作（例如A-MSDU聚合/去聚合、序列/包号分配），后者支持少量的MAC操作（如MPDU报头和循环冗余检查注册/验证和MPDU聚合/去聚合），实现单流量ID和多流量ID的切换而不引起较大MAC开销。 

多链路信道访问

多链路信道访问通过多个链路异步访问和传输数据，在2.4/5/6GHz不同的频段内同时进行传输和接收。由于附属设备的信道越近，传输附属设备向其他设备的功率泄漏越强，这种干扰使同时的传输和接收能力复杂化，为此提出了同步传输方案，代价是信道访问占比会下降并降低了吞吐量。跨附属设备干扰的另一个方案是在预期接收机的传输过程中禁止传输。

多链路RTA（Real-Time Application）业务传输

由于信道的多样性，多链路操作被认为是提高可靠性和降低延迟的一种有效方法。多链路操作的两种模式：复制模式和联合模式。在复制模式中，发射机通过多个链路发送每一帧的副本，一旦接收器获得了一个帧，它就会丢弃以后交付的所有副本，显著地提高了传输的鲁棒性。在联合模式下，发射机将数据帧分在多条链路上发送，不产生任何副本，这种模式减少了传输延迟。

Multi-AP

TGbe的目标是通过MAC层协议严格协调信道接入、传输调度和同一数据的联合传输来提高网络性能，考虑了协调（Coordinated）和联合（Joint）两种类型的Multi-AP系统。Coordinated系统通过单个AP发送/接收数据的每个部分，而Joint系统通过多个AP发送和接受数据。Multi-AP中重点讨论的方案包括协调空间复用CSR（Coordinated Spatial Reuse）、协调OFDMA（Co-OFDMA）、协调波束成形CBF（Coordinated Beamforming）、联合发送和接收JTR（Joint Transmission and Reception）等。

上述Multi-AP之间所需的同步级别有所不同，CSR可以在粗糙的帧级同步下运行，CBF和Co-OFDMA需要符号级同步，而JTR需要紧密的时间和相位同步，实现最困难。

MAC EDCA QoS改进

TGbe借鉴了以太网络中的IEEE 802 TSN的成果，用以改进EDCA（Enhanced Distributed Channel Access），就其退避程序、AC（Access Category）以及分组策略进行了分析。但是，很多基于有线的802 TSN解决方案并不直接适用于无线Wi-Fi，需要有选择地应用或者改进。比较现实的一个场景是视频流和联网游戏并发的情况，这种情况需要升级EDCA，将游戏流置于语音（A-VO）AC队列或者引入新的AC。如果RTA帧即将超时则可以调快backoff计数。最坏的情况下，可以采用长久性信道分配。Wi-Fi 7还允许TXOP（Transmission Opportunity）规则改变。

小结

802.11be修正案核心功能是提供极高的吞吐量和支持实时应用程序。802.11be首先改进了EHT PHY技术，能够实现超高的速率和更低的延迟，但仅靠EHT PHY无法为最终用户提供高吞吐量和延迟增益，这是TGbe也引入了其他许多MAC改进技术的原因；当然，引入的高级PHY、MAC方法和Multi-AP中部分方法由于代价巨大，有可能会推到Wi-Fi 8实现。

中兴通讯标准专家长期积极参与IEEE 802.11系列标准的开发，担任IEEE 802.11 TGbd和AMP TIG的主席，全程参与IEEE 802.11be的开发，并对其中PHY层和MAC层关键接口和关键参数的定义做出了重要贡献。

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