Wi-Fi 7技术白皮书-6W100

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2.1  物理层提升

2020423日,FCC宣布,考虑允许将 6GHz 频段中的 1200MHz 频谱开放给免许可应用,最终投票表决通过将 6GHz5925-7125MHz)的新频段开放给了免许可应用。欧盟随后也发布将6GHz 低频段的 500MHz5925-6425MHz)带宽放开授权使用,其它世界各国也已经放开或正在逐步放开中。目前我国计划将高频段的700MHz6425-7125MHz)带宽放开给5G6G移动通信,低频段部分待定。

新的 6GHz 频段共有 1200MHz 带宽,可以提供 5920MHz2940MHz1480MHz7160MHz 或者 3320MHz信道带宽。6GHz频段的带宽比之前 2.4GHz+5GHz 的总带宽还宽了一倍,Wi-Fi应用的可使用频宽变为了之前的三倍,极大地缓解了当前 Wi-Fi 频谱资源短缺的问题。Wi-Fi 6E作为 Wi-Fi 6 新频段的扩展,工作在 6GHz 频段,已批量落地应用。

目前 Wi-Fi 应用已授权频谱如下,黄色部分为当前国内授权可用信道。

图 1 Wi-Fi应用授权频谱

 

Wi-Fi 7作为新一代的通信标准,将工作在 2.4GHz5GHz6GHz三个频段上,最大带宽为 320MHz。同时,为了更加灵活应用频谱,也支持240MHz 带宽以及 160MHz+80MHz160MHz+160MHz 的带宽绑定。

从频谱角度,在相同流数和相同编码的情况下,相比 Wi-Fi 6160MHz带宽,峰值理论吞吐量直接提升了一倍。

表 2 802.11协议带宽

 

Wi-Fi 6采用最高 1024-QAM 调制,每个符号承载 10bit 信息;随着硬件调制解调能力的不断提升,Wi-Fi 7将采用最高 4096-QAM 调制,每个符号承载 12bit 信息,因此相对于 Wi-Fi 6 来说,Wi-Fi 7的信息承载量会提升20%

图 2 1024-QAM4096-QAM 星座对比图

 

Wi-Fi 6 相同,Wi-Fi 7也支持 800ns1600ns3200ns 三种 GI。如下表所示,在800ns GI 情况下,结合 320MHz 的带宽,单流理论最大传输速率从 1.2Gbps 提升到了2.88Gbps

表 3 单流传输速率表

 

Wi-Fi 6最多能够支持 MIMO 8×8Wi-Fi 7 将传输的空间流数进一步提升,支持 MIMO 16×16。提升后,Wi-Fi 7 理论传输数率相比 Wi-Fi 6 会直接翻倍,STA接入能力也翻倍。

图 3 MIMO 8×8MIMO 16×16 传输示意图

 

在物理层,Wi-Fi 7结合 320MHz 带宽、4096-QAM调制和 MIMO 16×16 三个特性,达成了工作组在成立之初 30Gbps 的速率目标。

将三个提升进行综合计算,理论速率的最大值达到了46.1Gbps,计算公式如下:

·     Wi-Fi 7技术白皮书-6W100插图11be协议数据传输速率。

·     Wi-Fi 7技术白皮书-6W100插图1:子载波比特位数 (Number of data bits per subcarrier)Wi-Fi 7技术白皮书-6W100插图1= 每个符号位数×码率×子载波个数

·     Wi-Fi 7技术白皮书-6W100插图2:空间流数量

·     Wi-Fi 7技术白皮书-6W100插图3:符号间隔

Wi-Fi 7MCS13MIMO 16×16320MHz带宽下的理论传输速率为46.1Gbps

 

2.2  多链 路设备(MLD)

随着技术迭代,Wi-Fi技术可用的频谱资源也在不断增加,目前可工作在 2.4GHz5GHz6GHz 三个频段。实际应用中,同一空口环境下,设备间传输很难做到同步,当 APSTA主信道被占用时,将会推迟报文的发送,而不是立刻利用其它闲置的信道资源。同时,不同频段间的干扰水平,频谱特征不一致,部分信道空口资源不佳,一直在该信道上传输报文就会出现较多的丢包与重传。为了更有效地整合利用频谱资源,Wi-Fi 7直接从协议侧定义多链路聚合的相关标准,包含多链路架构、信道接入、数据传输等。

多链路设备,典型特征为一个射频单元有至少两个以上的射频链路链接到空口,但对于 LLC 层仅只有一个 MAC 地址。相比于单链路设备,在射频链路上增加了冗余。设备根据使用场景与空口状态,进行不同链路的切换与协同,来保障数据能够更高效、更快速、低延迟地进行传输。

图 4 多链路设备

 

信道接入可以简单分为同步模式和异步模式。异步模式下,多个射频链路之间独立进行信道探测,侦听与数据收发,实现容易,自由度高,适用于链路之间隔离度足够不会产生设备内相互干扰的情况。如果多个射频链路之间共享天线,或天线之间的距离很小,单板走线隔离不理想,频谱间隔不是很大的时候,其中一个射频链路的发射信号功率会部分泄漏到其他射频链路上。此时,另一个射频链路接收到的泄漏信号可能强于底噪甚至强于接收信号,接收的效果就会恶化或无法收到有用信号。采用同步模式,多个射频链路同时进行信号的发送与接收,可以规避设备内的干扰。

图 5 多链路设备同步 / 异步模式(Ref.802.11be draft1.3,Fig35-14

 

在多链路设备上进行数据传输的典型模式有复制传输和联合传输。复制传输,其中一个信道环境存在干扰时,接收端根据先到先得原则,可以有效地降低传输时延。联合传输,顾名思义就是将数据报文进行合理地拆分,同时在两个射频链路上进行数据传输,可以有效地提升传输效率。此外,多链路设备可以通过其中一个链路交换其它链路的工作状态和电源管理信息,使其仅在需要的时候进入工作状态,剩余时间休眠,更有效地节能。

图 6 多链路设备复制传输与联合传输

 

2.3  OFDMA增强

Wi-Fi 6之前的协议标准主要采用的是正交频分复用(OFDM)调制方式,将信道切分为多个子载波,提升速率的同时有较强的抗干扰能力,但单一信道同一时间内只能为同一用户服务。Wi-Fi 6引入了正交频分多址(OFDMA)这一成熟的 4G 蜂窝技术,子载波带宽更窄,增加了 RU 的概念,单一信道同一时间内可以为多用户服务。

Wi-Fi 6中单个 STA 只能使用单个 RU 资源,缺乏一些灵活性,Wi-Fi 7突破了这一限制,允许单个 STA 同时占用多 RU,并且不同尺寸的RU 可以进行组合。基于实现复杂度和频谱资源利用效率的均衡,也会做一些限制,小型 RU<20MHz)只能与小型RU 组合,大型 RU(20MHz) 只能与大型 RU 组合,不能将小型 RU 与大型 RU 进行组合。

图 7 20MHz带宽 Multi-RU 举例

 

图 8 大带宽 Multi-RU 举例

 

Multi-RU 技术外,另一个比较重要的是 Preamble Puncturing 技术扩展。Preamble PuncturingWi-Fi 6 中作为可选特性引入,能够让宽带信号利用不连续的频谱进行数据传输,提升频谱利用效率。在 Wi-Fi 6Preamble Puncturing可用情况仅有较少的几种,Wi-Fi 7一方面将其扩展到 240MHz/320MHz 带宽;另一方面打孔机制更加灵活。

图 9 Preamble Puncturing技术

 

2.4  AP 协同

在现有已发布的 Wi-Fi 协议中,更多涉及的都是单个 AP 本身如何达到更高的吞吐,更多的接入,对于多个 AP 之间进行组网协同传输研究较少。Wi-Fi 7不仅聚焦 AP 本身性能与可靠性的提升,同时也关注多个 AP 间进行更合理的资源配置,以达到整个网络的性能最优。

目前多 AP 间的协同调度的方式主要有四个,分别为CSRCoordinated Spatial Reuse,协同空间重用)、JXTJoint Transmission,联合传输)、C-OFDMACoordinated Orthogonal Frequency-Division Multiple Access,协同正交频分多址)和CBFCoordinated Beamforming,协同波束赋形)。

Wi-Fi 5 及之前,对于同频信道间的干扰,通常是通过动态调整 CCA 门限进行控制。识别干扰信号强度后,调节 CCA 门限,忽略同频弱干扰信号来并发传输。Wi-Fi 6引入了 BSS Coloring 机制,在 PHY 头中添加 BSS color 字段来对不同 BSS 进行着色。STA可以及时识别干扰停止传输,也能忽略非本 BSS 干扰进行并发传输。以上的方法都属于针对单 AP 的操作,Wi-Fi 7更进一步,不局限于单个 AP,整体协调多个AP 间的发射功率和 BSS 范围,从而降低干扰,使得覆盖更加均衡,提升了整个网络的总吞吐量。

图 10 协同空间重用(CSR)

 

可以视为多个 AP 和多个 STA 组成的虚拟 MIMO 系统,STA可由多个分布式 AP 联合服务。以此来实现 APSTA间快速关联,提升用户移动时的重连速度。

图 11 联合传输(JXT)

 

OFDMA将同一个带宽下的所有子载波划分成若干个子载波组,每一个组被称作一个 RUResource Unit,资源单元),可以分配给不同的用户使用。RU 的划分只在单 AP 上独立进行,当临近 AP 有干扰时,依然会发生冲突。Wi-Fi 7OFDMA 从单 AP 扩展到多 AP,临近范围下,多个AP 与多个接入 STA 共享 RU 资源。通过 C-OFDMA 调度,同一时刻让 APSTA建立的 RU 在频谱上不会出现干扰,并行工作,有效地提升了频谱资源利用效率。

图 12 协同正交频分多址(C-OFDMA)

 

以往 WLAN 系统中波束赋形,是由每个 AP 独立进行的,幅相调节仅以与直接传输数据的 STA 信噪比最优为目标,导致了 AP 间干扰不可控。EHT建议在向传输的 STA 形成波束的同时,消除其对特定领域 STA 的干扰,避免网络之间的相互干扰。

图 13 协同波束赋形(CBF)

 

原文链接:https://www.h3c.com/cn/Service/Document_Software/Document_Center/Home/Wlan/00-Public/Learn_Technologies/White_Paper/Wi_Fi_7_Long/?CHID=691295

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追风者
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