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(huì)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(cè)試認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的制定，各個(gè)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(guò)頻寬拓展、調(diào)制與編碼效率提升、輸入輸出方式增強(qiáng)、數(shù)據(jù)鏈路層改進(jìn)等機(jī)制來(lái)提升Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢托阅埽瑥淖畛醯? 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(kāi)始關(guān)注Wi-Fi在場(chǎng)景應(yīng)用中的用戶體驗(yàn)。Wi-Fi終端和AP采用的信道訪問(wèn)的機(jī)制一直是載波偵聽(tīng)(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(chǎng)景中使用傳統(tǒng)Wi-Fi接入的時(shí)候，這種競(jìng)爭(zhēng)信道的機(jī)制就會(huì)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(lái)改善密集用戶接入的問(wèn)題^[1]。除了OFDMA技術(shù)以外，802.11ax通過(guò)提升頻譜效率、提供更好的抗干擾能力、優(yōu)化信道訪問(wèn)等措施來(lái)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(chǎng)中主流的Wi-Fi技術(shù)。

    隨著每年大量的設(shè)備通過(guò)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(kāi)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(méi)有定義Wi-Fi7的名稱，但從IEEE標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)演進(jìn)來(lái)看，802.11be很可能是新Wi-Fi7的候選者。

    無(wú)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(bào)告，北美將在2020年首先開(kāi)放6 GHz的免授權(quán)頻段，同時(shí)歐洲也在商議開(kāi)放6 GHz的計(jì)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(lái)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(shì)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(jì)在2021年將發(fā)布802.11be的版本草稿。

    提高無(wú)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(cái)?shù)、編碼速率、空間流個(gè)數(shù)、幀間隔及每次傳輸物理幀所需時(shí)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(duì)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?；擴(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(shí)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(guò)程中可以較早形成共識(shí)，因?yàn)樗鼈兡軌蛑苯犹岣哂行У臄?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(píng)估硬件的成本和可行性。

    對(duì)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(dòng)重傳請(qǐng)求，因?yàn)榧夹g(shù)方案較復(fù)雜，對(duì)性能的提升程度需要詳細(xì)評(píng)估，目前無(wú)法確定在標(biāo)準(zhǔn)討論過(guò)程中將會(huì)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(bào)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(duì)于將來(lái)有更密集的多個(gè)Wi-Fi AP部署場(chǎng)景，AP相互之間無(wú)線信號(hào)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(shí)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。

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

    多個(gè)AP相互之間對(duì)正交的頻域資源進(jìn)行同步，可以減少AP相互之間競(jìng)爭(zhēng)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(duì)于優(yōu)化短數(shù)據(jù)包的延時(shí)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(guò)協(xié)商可以分別使用不同的頻域資源RU(Resource Unit)同時(shí)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(jiǎn)單的方式。

    (2)空口協(xié)作

    空口協(xié)作，稱為零點(diǎn)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(duì)天線，多個(gè)AP在同一時(shí)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(shí)AP向非關(guān)聯(lián)的設(shè)備提供空口信號(hào)輻射的零點(diǎn)指向，這種方式有效利用空口資源來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。具體實(shí)現(xiàn)是需要在多個(gè)AP之間通過(guò)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(diǎn)來(lái)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(guò)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(guò)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(hào)重疊的區(qū)域能改進(jìn)信道訪問(wèn)的處理方式。在具體實(shí)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(shí)現(xiàn)多AP相互協(xié)作和數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 混合自動(dòng)重傳請(qǐng)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(guò)，但還沒(méi)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(méi)有被接收方正確解析的時(shí)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(huì)重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包；對(duì)于當(dāng)前解析失敗的數(shù)據(jù)報(bào)文，接收方不會(huì)緩存，將直接拋棄。而在HARQ機(jī)制中^[6]，接收方保存上一個(gè)失敗的報(bào)文，在處理后面重傳過(guò)來(lái)的報(bào)文的時(shí)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(shí)。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(hào)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(shí)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(lái)存儲(chǔ)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(shí)這種對(duì)失敗的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行組合解析也增加了對(duì)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(gè)技術(shù)需要分析和討論。鏈路重傳請(qǐng)求機(jī)制如圖2所示。

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(shí)域和頻域資源同時(shí)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(shí)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(gè)終端數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)向另一個(gè)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(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

    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(duì)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(guò)程，例如AP通知終端開(kāi)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(gè)終端同時(shí)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(cè)規(guī)程來(lái)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?，減少延遲和傳輸沖突，在較密集終端連接的場(chǎng)景下能減少隱藏節(jié)點(diǎn)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(shí)間規(guī)劃

    根據(jù)前期會(huì)議關(guān)于時(shí)間表的討論，預(yù)計(jì)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(cè)試過(guò)程。支持802.11be的商業(yè)化設(shè)備預(yù)計(jì)在2024年推向市場(chǎng)^[2]。IEEE 802.11be的初步時(shí)間表如圖4所示。

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(kāi)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。

    2018年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)投票決定了6 GHz拓展到Wi-Fi設(shè)備的規(guī)劃。從時(shí)間來(lái)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(jì)在2020年可能提供對(duì)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(lái)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(shí)Wi-Fi6也把6 GHz的支持作為下一階段演進(jìn)的計(jì)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(duì)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(shí)候一個(gè)頻段必須用于AP與AP之間的傳輸通道，同時(shí)這個(gè)頻段與另一個(gè)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(jí)，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(qiáng)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(lái)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(gè)基本功能^[1]：

    (1)快速被動(dòng)掃描

    工作在6 GHz的AP可以周期性地主動(dòng)廣播探測(cè)響應(yīng)(Unsolicited Probe Response)，這樣Wi-Fi終端不用在6 GHz發(fā)送探測(cè)消息的請(qǐng)求就可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)工作在6 GHz的AP，從而可以減少終端發(fā)送探測(cè)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(shí)間變長(zhǎng)。對(duì)于新的支持6 GHz的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，需要有機(jī)制來(lái)優(yōu)化掃描方式。對(duì)于在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同時(shí)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(cè)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(shí)候就選擇需要的BSS及相關(guān)信道，減少平均掃描時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

    從目前最新的市場(chǎng)反饋來(lái)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(shí)間內(nèi)就會(huì)成為市場(chǎng)主流的Wi-Fi技術(shù)。但Wi-Fi6的數(shù)據(jù)傳輸速率并沒(méi)有比Wi-Fi5(802.11ac)提升很多。對(duì)于日益增長(zhǎng)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)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(píng)估需要去完成，需要國(guó)內(nèi)國(guó)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(lái)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(gè)版本的Wi-Fi6以及802.11be都帶來(lái)非常重要的性能提升，也是中國(guó)將來(lái)免許可頻率管理計(jì)劃的參考。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

成  剛，楊志杰

(上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海200127)