Wi-Fi 7來襲:坐等換路由了

摘 要

越來越多的設備需要大量數據傳輸,這對WiFi當前的功能提出了巨大挑戰。WiFi以802.11be(即WiFi 7)迎接這項挑戰。這項全新的修正案提出了我們所知的無許可無線連接的演變。

隨著802.11be標准化過程的鞏固,本文首先提供了802.11be基本功能的最新摘要,證明多AP協調是關鍵和延遲敏感應用程式的必備功能。

然後,我們深入到其最引人注目的實現之一——協調波束形成——的實質,我們的標准配合仿真證實,其最壞情況下的延遲減少了近十倍。

簡介

早在1943年,心理學家Abraham Maslow就發表了一份關於人類需求層次的研究報告,指出在充分利用一個人的才能和興趣之前,必須首先滿足人的四種需求。他的理論可以用金字塔來生動說明,自底而上分別是生理需求、安全、歸屬感和尊重。

如今,人們可以「挑釁」地在馬斯洛金字塔的底部增加一層:WiFi。除了食物、住所和干淨的水,無線連接在我們全球化的社會中也必不可少。雖然我們會說人類對網際網路的需求並不超過空氣,但WiFi的重要性是毋庸置疑的。

在不便遠行和隔離期間,許多人藉助WiFi與親人保持聯系,通過在線訂單維持小企業的運營,亦或通過在線瑜伽課程來保持健康。畢竟,如果沒有WiFi,這篇文章幾乎不可能寫出來,而且當你閱讀它時,你很可能也在使用WiFi。

每天都有幾十億人使用WiFi,WiFi在不斷擴展的各種應用中承載著全球大部分數據流量。到2023年,將有近6.28億個公共WiFi熱點,十分之一配備了基於IEEE 802.11ax規范的WiFi 6。

隨著WiFi的普及和功能的增長,對無線服務的需求也將隨之增長。除了8K顯示器和VR之外,越來越多的家庭將會使用智能家電,這將變成一個許多設備同時連接在一起的密集的環境。企業將大幅增加在其經營場所收集的數據量,從而改進位造流程和提高生產率。

重要的是,這種跨廠區通信能夠提供非常低的延遲,以實現機械同步和實時控制。實時視頻將占據全球IP流量的很大一部分,疫情大流行之後,高質量的視頻會議將在工作、教育和醫療等領域廣泛應用。

我們對高速率和高可靠性的要求推動了基於IEEE 802.11be極高吞吐量(EHT)的新一代WiFi 7的開發。自從802.11be引入我們的研究社區以來,監管、認證和標准化機構已經做了很多工作。

美國聯邦通信委員會(FCC)已將6GHz頻率的新頻譜用於無許可的用途。WiFi聯盟(WiFi Alliance)是一個由公司組成的全球網絡,通過認證推動WiFi的採用和發展,預計很快將為WiFi 6設備提供全球互操作性認證,以在這樣一個新頻段中運行。與此同時,主要專家正在進行線上IEEE會議,以確定802.11be標準的構建模塊。

本文中,我們將從WiFi現狀的更新開始,預測其未來如何發展。然後,我們詳細研究關於802.11be修正案將採用的技術特性的最新具體決定,以及新的預計開發時間表。

我們還將討論提高網絡效率、降低延遲和提高可靠性以補充提高峰值吞吐量的最吸引人的因素之一:多接入點(AP)協調波束形成(CBF)。特別地,我們闡明了其潛在實現的細節,並分享了符合標準的模擬結果,這些結果量化了它在現實的數字企業設置中獲得的延遲增益。

WIFI的簡要更新

應對高密度場景中更嚴格的要求是WiFi必須達到的最具挑戰性的目標之一。基於IEEE 802.11ax的最先進的WiFi 6通過正交頻分多址(OFDMA)和上行鏈路以及下行鏈路多用戶MIMO等功能提高網絡效率和電池消耗來解決擁堵。

由於推遲到2020年底802.11ax尚未獲得最終批准,WiFi的利益相關者已經開始關注對WiFi 6的兩個進一步的改進。第一個是WiFi 6E,目前世界各國政府都在為免許可的使用開辟新的頻段。第二個將是新的802.11be修正案,可能被認證為WiFi 7。

A. WiFi 6E:WiFi新賽道

20多年來,WiFi一直工作在2.4和5 GHz兩個頻段上。2020年4月,FCC為第三個頻段掃清了道路:5.925–7.125 GHz。這種增加的頻譜稱為6GHz頻段,幾乎是可用帶寬的四倍。

除了更多的可用信道外,新開放頻率的一個關鍵區別在於其較短的傳播范圍,這可能特別適合於在密集和具有挑戰性的環境(如交通樞紐、體育場館和商圈等)中提供基本服務集(BSS)隔離。

根據為保護現有服務而制定的規則,新的6GHz頻段將由面許可的設備接入。其中,室外使用將有一個基於競爭的強制性協議,對總發射功率和功率譜密度進行限制,以避免窄信道的低效使用。

雖然FCC的決定可能使美國在6GHz市場上處於領先地位,但包括歐洲和亞太地區在內的其他地區也在探索免許可進入該頻段。

與此同時,WiFi 6已准備好利用全球范圍內可用的6 GHz頻譜,配備在新頻段運行所需的晶片和無線電的設備將獲得「6E」標識,其中E代表「擴展」。WiFi聯盟計劃在2021年初推出WiFi 6E認證,預計超過3億個合規設備將在同一年上市。

值得注意的是,由於最初只有6E設備能夠在6GHz頻段內工作,因此它們至少在原始、低干擾設置時可用。

B. WiFi 7:(尚未發布)極高吞吐量(Not Just)

事實上,802.11be極高的吞吐量將遠遠超過高峰值數據速率。非常確定的是,WiFi 7預計每個AP至少支持30 Gbps,大約是WiFi 6的四倍,同時確保在2.4、5和6 GHz免許可的頻段中與傳統設備向後兼容和共存。然而,802.11be任務組(TG)也認識到需要並致力於降低延遲和提高可靠性,以實現時間敏感網絡(TSN)用例。前者被視為實時應用(包括增強現實和虛擬現實、遊戲和雲計算)的促成因素,要求延遲時間減少到5毫秒以下。後者對於下一代工廠和企業至關重要,WiFi可能需要保證更高的可靠性,以取代某些有線通信。

為了加快WiFi 7的開發和商業化(其時間表如圖1所示),802.11be TG偏離了傳統的單階段開發周期,並確定了兩個階段。第一個階段根據其增益/復雜度比、標准化和實施時間以及相關和市場需求,將重點放在一組高優先級的功能上。下一節將對此進行詳細介紹。

Wi-Fi 7來襲:坐等換路由了

未來WIFI 7 介紹

在撰寫本文時,802.11be TG正在積極定義將包含在標准中的基本功能操作,這些信息收集在規范框架文件(SFD)中,標準的草案將由此衍生。我們主要關注它後續的更新。

Wi-Fi 7來襲:坐等換路由了

A. 第一版特性

如圖1所示,預計第一版(R1)特徵在2021年5月到期時達到草案1.0中的成熟規范,到2022年3月的草案2發布,將有可能進一步對他們進行擴展和改進。這些措施包括:

(1)多鏈路操作:802.11be以所有可用頻段(即2.4、5和6 GHz)的高效操作為目標,用於負載平衡、多頻段聚合和同步下行鏈路/上行鏈路傳輸。

在802.11be中,多鏈路設備(MLD)被定義為具有多個附屬AP或STA以及到上述邏輯鏈路控制(LLC)層的單個MAC服務接入點(SAP)的設備。還引入了唯一標識MLD管理實體的MAC地址。多鏈路控制和操作的相關功能總結如下:

多鏈路發現和設置:MLD具有能夠動態更新其在每對鏈路上同時進行幀交換的能力。此外,每個單獨的AP/TA還可以提供關於同一MLD內其他附屬AP/TA的操作參數的信息。

流量鏈路映射:在多鏈路設置時,用於根據幀的服務質量(QoS)對幀進行分類的所有流量標識符(TID)都映射到所有設置鏈路。該映射的更新可隨後由任何相關MLD進行。此外,接收方MLD將利用單個重排序緩沖器用於通過多個鏈路傳輸的相同TID的QoS數據幀。

通道訪問和節能:MLD的每個AP/TA通過其鏈路執行獨立的通道訪問,並保持其自身的電源狀態。為了促進有效的STA功率管理,AP還可以利用啟用的鏈路來攜帶緩沖數據的指示以用在其他鏈路上傳輸。

(2)低復雜性AP協調:802.11be將支持多AP協調,AP在信標幀/管理幀中實現其功能。協調空間復用(CSR)是一種低復雜性的實現,可以包括在R1中。

在CSR中,已經獲得傳輸機會(TXOP)的共享AP可以觸發一個或多個其他共享AP以執行具有適當功率控制和鏈路自適應的同步傳輸。與802.11ax中可用的空間復用方案相比,這種協調將創造更多的空間復用機會並減少沖突數量。

(3)802.11ax的直接增強:802.11be TG還將指定對當前802.11ax標準的一些升級。這些措施包括:

支持320 MHz傳輸,使802.11ax的160 MHz傳輸倍增。

使用更高的調制階數,可以支持4096 QAM,而802.11ax中只支持1024-QAM,並且對發射機的誤差向量幅度(EVM)有嚴格的-38 dB要求。

每個STA分配多個資源單元,即OFMDA。其靈活性可以提高頻譜利用率。

B. 第二版特性

盡管R2特性將分別於2022年11月和2023年11月在草案3.0和草案4.0中正式確定,但802.11be TG已經開始了其相關工作,並在SFD中取得了顯著進展。主要特點如下:

1.MIMO增強:802.11be將支持的單用戶MIMO(SU-MIMO)和多用戶MIMO(MU-MIMO)空間流的最大數量增加一倍,達到了16個,從而增加容量。

在MUMIMO的情況下,802.11be TG同意將空間復用STA和每個STA的空間流的最大數量分別限制為8和4。上述限制有助於控制MIMO預編碼器復雜性和信道狀態信息(CSI)開銷。目前對於隱式CSI探測的研究正在進行中,它可以作為一種可選模式進一步抑制這種開銷。

2.混合自動重復請求(HARQ):R2可能會引入HARQ。設備不會丟棄錯誤信息,而是嘗試將其與重傳單元軟組合,以增加正確解碼的機率。雖然在撰寫本文時SFD不包括任何與HARQ相關的過程,但802.11be TG已經評估了不同的HARQ單元MAC協議數據單元(MPDU)或PHY碼字,並評估了性能/復雜性權衡。

3.低延遲操作:鑒於TSN的商業吸引力,SFD還將收集專門用於減少最壞情況下的延遲和可靠性大幅提升的協議增強功能。可以想像,這種解決方案可能依賴於多鏈路操作,提供每個鏈路的不同QoS,或者依賴於AP協調,以實現更積極的頻譜復用和更少的有害沖突。

4.高級AP協調:為了充分發揮多AP協調的潛力,802.11be TG同意支持以下三種方案:

協調OFDMA:在802.11be中,獲得TXOP的AP將能夠與一組相鄰的AP共享其20 MHz信道的倍數頻率資源。為了效率,共享AP可以請求相鄰AP報告其資源需求。

單用戶和多用戶聯合傳輸:向其連接的STA發送數據需要AP綁定其相位同步錯誤和定時偏移。在考慮這些偏差的合理范圍時,發現在有足夠的回程的前提下,聯合傳輸可帶來增益。由於協作AP需要來自相關和非相關STA的CSI,802.11be將定義聯合多AP探測方案。這樣,AP將同時發送其探測幀,並且尋址的STA將傳送所有AP的CSI反饋。

協調波束形成:該技術利用現代多天線AP在空間上多路復用其STA的能力,同時將輻射零點聯合放置到相鄰的非關聯STA或從相鄰STA放置輻射零點。雖然控制輻射零點所需的CSI可以通過上述聯合多AP探測方案獲得,但CBF也可以利用更簡單的順序探測程序,這將成為802.11be一部分。

此外,CBF不需要聯合數據處理,因為每個STA向單個AP發送或從單個AP接收數據,因此顯著減少了回程所需要的w.r.t.聯合傳輸,這是因為CBF可以在保持復雜性的同時提供顯著的吞吐量和延遲增強,我們將在下一節中進一步探討它。

在802.11ax的基礎上,可靠性和低延遲功能的建立能夠促進向後兼容性、產品認證和市場採用,這一事實上已經達成了某種共識。

為此,802.11ax中的參數化空間復用(PSR)是一個吸引人的模塊,因為它允許不同BSS的設備之間進行動態協作。接下來,我們將介紹PSR框架,討論其優缺點,並解釋如何通過多AP協調來擴展它,從而在802.11be中抑制延遲並提高可靠性。

A. 802.11ax中的參數化空間復用

在PSR中,需要執行上行鏈路接收的AP可通過觸發幀向重疊BSS(OBSS)提供TXOP。在其基本形式中,觸發幀可被視為調度授權,為後續上行鏈路傳輸提供信息和定時。當啟用PSR時,在它們滿足某些干擾條件下,AP可利用觸發幀邀請OBSS設備在其上行鏈路接收的同時復用頻譜。

為了提供對PSR框架的更詳細的描述,讓我們來看圖2(a)與兩個BSS的例子,其中:

BSS1由AP1, STA11, 和STA12組成;其中BSS2  包含AP2, STA21, STA22和STA23。

此觸發器框架具有雙重功能:

傳送其相關聯的STA11和STA12的上行鏈路傳輸所需的同步和調度信息;以及向OBSS設備宣傳空間復用機會,該機會跨越AP1的後續上行鏈路數據來接收。

為了保證利用空間復用機會的傳輸不會影響AP1,的上行鏈路數據接收,觸發幀會包含PSR欄位。該欄位包含以下信息:

i)AP1,在不影響其上行鏈路接收的情況下可接收的最大幹擾電平;

ii)AP1,的發射功率,以便於干擾計算。在接收到觸發幀後,OBSS設備測量其接收的功率電平,並基於PSR欄位中提供的信息,確定它們是否可以訪問介質以及使用何種發射功率。

在圖2(b)的示例中,STA21, STA22 和STA23都具有要發送的上行鏈路數據。然而,只有STA21, STA22能夠獨立地確定它們可以競爭介質。

不幸的是,STA23無法競爭信道接入,因為它靠近AP1,無法滿足後者設置的干擾條件。最終的結果是,STA21首先訪問信道以發送其短包,確保在由AP1觸發的上行鏈路傳輸的持續時間內接收到相應的確認(ACK)幀。只要這種持續時間允許,STA22也將有機會重新爭奪信道並進行傳輸。

1.PSR的優點:總體而言,得益於PRS框架,AP和STA可以獲得通道訪問這提高了空間復用,進而:增加網絡吞吐量,因為它允許更多的並發傳輸;增加STA文件吞吐量,因為STA在競爭中花費的時間更少;

重要的是,減少延遲,因為具有時間敏感短文件流量的STA可能不需要等到寬帶STA終止其長時間傳輸。在圖2中,STA21, STA22的情況即是如此。

2.PSR的挑戰:雖然PSR框架允許更大的空間復用,但在802.11be的研究中發現了兩個挑戰:

利用空間復用機會的設備必須降低其發射功率以限制產生的干擾。在一些情況下,對於圖2中的STA21, STA22,這會轉化為吞吐量的降低。在其他情況下,對於STA23,設備甚至無法訪問空間復用機會,因為其最大允許發射功率不足以到達其接收器。

利用空間復用機會的設備不知道並且不能控制其各自接收機感知到的干擾。在圖2中,這意味著如果STA21, STA22靠近AP2,則從STA21, STA22到AP2的上行鏈路傳輸可能失敗,因為AP2將從STA21, STA22接收到不可忽略的干擾量。

上述兩個缺點妨礙了現有PSR框架在各種設置中的有效性。其中包括高密度場景,或者設備處理對延遲敏感的數據流量,無法承受傳輸故障或過多的通道訪問等待時間的場景。

B. 802.11be中的協調波束形成

802.11be旨在通過CBF將現有的空間復用能力提升到一個全新的水平,即通過讓協作AP抑制空間域中的傳入OBS干擾。最近的實驗研究表明,與單天線系統相比,服務於一個STA的四天線AP能夠抑制對相鄰鏈路的高達10 db的干擾。

基於這些結果,我們現在詳細介紹一個通過在PSR框架上順利構建來實現CBF的說明性協議。

讓我們來看圖3(a)的上行鏈路傳輸方案。該設置類似於圖2(a),但AP1 和AP2現在配備有八個天線。所提出的CBF協議有三個階段,其中前兩個階段對於目前在802.11be中討論的CBF和聯合傳輸實現是通用的,在圖3(b)中的展示和描述如下。

1.多AP協調:在此階段,兩個或多個協作AP交換控制幀有兩個目的:

協調集的建立和維護:為了使CBF有效,AP需要與OBSS STA通信,例如獲取必要的CSI,以便在特定空間位置放置輻射零點。

為此,在協作AP之間定義BSS間協調集,該協調集必須包含參與CBF傳輸的所有AP和STA的ID。這些ID可以由所有相關設備保存在記憶體中,而不會像傳統的那種丟棄由其協調集中包括的OBSS設備生成的相關幀。一旦定義,BSS間協調集能夠以半靜態方式更新(即在數十個或數百個TXOP之後)。

後續空間重用機會的動態協調:一旦AP1獲得TXOP,它需要通告傳入的上行鏈路觸發傳輸,並與其協調集中的設備一起,確定哪些STA將參與後續CSI採集和數據通信階段。在圖3(b)的示例中,AP2回復由AP1發送的動態協調幀,指示其哪個STA將最受益於被授予安全的空間復用機會,例如STA21  和STA22。

2.CSI獲取:在此階段,由於之前的協調,AP1和AP2都只從相關的BSS內部和OBS設備獲取CSI。為了在隨後的通信階段設計用於空間復用和雙向干擾抑制的濾波器,這種CSI是必要的。

重要的是,隨著OBSS設備被尋址以獲取CSI,它們意識到OBSS AP將很快為它們提供具有更有利信道接入條件的空間復用機會。由於不需要新的特定信令來觸發數據通信,因此802.11ax觸發幀可用於此目的。這給傳統的STA帶來了明顯的好處,它可以以無縫的方式繼續應用802.11ax的傳統PSR框架。

3.數據通信:前兩個階段的實施解決了前一節中強調的802.11ax PSR框架的兩個基本挑戰,使得來自STA21, STA22 和STA23的空間復用傳輸更有可能在不利條件下成功。這是因為:

STA21, STA22甚至STA23更有可能找到空間復用機會並使用其最大傳輸功率。這要歸功於由AP1執行的空間干擾抑制,其有助於發布關於相關OBSS設備的信道接入條件的寬松消息。

AP2現在能夠抑制由STA11 和STA12產生的傳入干擾,同時接收來自STA21, STA22和STA2的上行鏈路傳輸。

現在,我們對上一節中描述的CBF方案提供的延遲增強進行量化。有了這個目標,我們考慮部署2個頂置式的AP,每個配備8個天線和24個STA,它們均勻分布35m*20m*3m的室內。在這24個STA中,16個STA生成上行寬帶流量,其餘8個STA生成上行延遲敏感的增強現實流量。

由於我們的主要目標是保證增強現實業務的按時交付,因此授予空間復用機會的AP將抑制來自相鄰增強現實STA的干擾,這些STA產生的干擾最強,通常與位於最近位置的STA相對應。本節中的結果是復雜的標准中的系統級模擬的結果,表1詳細列出了其基本設置。感興趣的讀者可以在其中找到全套模擬參數

不具備空間復用能力的IEEE 802.11ax設備設置:圖4的結果表明,基於IEEE 802.11的系統可能能夠提供低延遲,但在最壞的情況下難以保持一致的性能。

事實上,我們可以觀察到,在所考慮的場景中,大約50%的時間延遲保持在3ms以下,但在0.01%的最壞情況下,延遲會顯著增加到200ms以上。這主要是由於隨機信道訪問機制的綜合影響以及導致重傳的沖突。

具有支持PSR的IEEE 802.11ax設備的設置:圖4說明了PSR的實現無益於大幅減少最壞情況下的延遲。這是因為,與圖2中的STA23類似,在所考慮的密集場景中,增強現實STA與其相鄰AP的距離不夠遠。這會阻止這些對延遲敏感的STA發現空間復用機會,因為它們為防止有害干擾而需要遵守的信道訪問條件過於嚴格,詳見第4.2節。

實現前一節中描述的IEEE 802.11be CBF方案的設備設置:圖4的結果說明了與其他IEEE 802.11ax系統相比,所提出的方案如何大幅降低了最壞情況下的延遲。

事實上,我們可以觀察到,具有多AP協調能力的系統相對於具有PSR能力的系統將0.01%的最壞情況延遲降低了9倍。這種顯著的性能增強是i)增強現實STA由於其寬松的信道接入條件而發現的大量空間復用機會,以及ii)在空間域中提供的OBSS干擾緩解的直接結果,它最大限度地提高了執行成功數據傳輸的機會。

應注意,對於評估中的三個系統,寬帶STA的吞吐量大致保持不變。

結論

下一代WiFi將開啟對千兆、高可靠性和低延遲通信的訪問,通過數字增強重塑製造業和社會互聯。在本文中,我們詳細介紹了IEEE 802.11be為實現WIFI 7所採取的步驟、其技術特性的最新協議以及最新的時間表。

我們通過多AP協調波束形成、共享實現細節和符合標準的模擬來說明空間復用的重要性。未來,還需要進一步研究,將這些技術融入對時間敏感的網絡協議,使無線成為我們家庭和工業的新型有線網絡。

Wi-Fi 7來襲:坐等換路由了

來源:快科技