Wi-Fi 7关键创新技术

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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。

 

 

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。

原文链接:https://www.zte.com.cn/china/about/magazine/zte-technologies/2022/8-cn/4/9.html

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追风者
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