0 引言

    發展了二十年的Wi-Fi技術已經成為室內短距離數據通信的最普及的應用技術，手機、電腦及大量的家用電器都已經把Wi-Fi支持作為缺省的配置。平均每隔4到5年就會有新的Wi-Fi標準被IEEE發布，然后由Wi-Fi聯盟完成測試認證標準的制定，各個廠家迅速推出認證后的商用化產品。Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g/n/ac等)技術標準迭代的主要方向是通過頻寬拓展、調制與編碼效率提升、輸入輸出方式增強、數據鏈路層改進等機制來提升Wi-Fi數據傳輸的吞吐量和性能，從最初的1 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技術標準的演進開始關注Wi-Fi在場景應用中的用戶體驗。Wi-Fi終端和AP采用的信道訪問的機制一直是載波偵聽(Carrier Sense multiple Access，CSMA)和沖突避免(Collision Avoidance，CA)的方式，但當在用戶密集的場景中使用傳統Wi-Fi接入的時候，這種競爭信道的機制就會造成很大的網絡擁塞和延遲。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)技術來改善密集用戶接入的問題^[1]。除了OFDMA技術以外，802.11ax通過提升頻譜效率、提供更好的抗干擾能力、優化信道訪問等措施來提升整體的Wi-Fi性能，它的最大物理速率理論上能達到9.6 Gb/s。在2020年及后面幾年802.11ax將是市場中主流的Wi-Fi技術。

    隨著每年大量的設備通過Wi-Fi接到路由器或家庭網關，并且高清視頻、AR/VR等高帶寬的快速應用，展望后面5年的Wi-Fi應用前景，IEEE任務組已經開始在Wi-Fi6的OFDMA多址接入機制及其他相關技術基礎上繼續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，該標準被IEEE定為IEEE 802.11be。雖然Wi-Fi聯盟還沒有定義Wi-Fi7的名稱，但從IEEE標準的技術演進來看，802.11be很可能是新Wi-Fi7的候選者。

    無線通信所使用的頻譜是其技術發展最重要的物理資源，頻寬擴展是提高性能的關鍵手段。傳統Wi-Fi所使用的2.4 GHz和5 GHz上的信道已經非常擁擠，為了能夠支持Wi-Fi6的下一代版本及Wi-Fi 802.11be新標準的演進，根據最新的報告，北美將在2020年首先開放6 GHz的免授權頻段，同時歐洲也在商議開放6 GHz的計劃。6 GHz的引入不僅是頻段的變化，也需要在Wi-Fi標準中有新的數據鏈路層的調整來適配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標準的技術演進趨勢進行介紹和分析，以及6 GHz免授權工作的進展和相關Wi-Fi功能影響。

1 IEEE 802.11be的新技術

    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)、學習組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標準，即IEEE 802.11be Extreme High Throughput(EHT)^[2]。

    802.11be的初始目標是支持最大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未授權頻段，但仍將與已有的支持各標準的802.11設備兼容。關于802.11be的關鍵技術的討論內容參考表1^[3-4]，它們是目前活躍的重要技術話題，預計在2021年將發布802.11be的版本草稿。

    提高無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、發送及接收的天線空口方式等方面進行討論。以Wi-Fi技術為例，影響數據傳輸的吞吐量的因素主要包含了OFDMA的子載波數量、子載波傳輸的比特數、編碼速率、空間流個數、幀間隔及每次傳輸物理幀所需時間。

    支持新的6 GHz工作頻率可以擴大頻段帶寬，能有效增加OFDMA的子載波數量；對信道或頻段進行聚合綁定，支持頻段或信道的全雙工收發，能提高數據傳輸的效率和吞吐量；擴展多輸入多輸出(MU-MIMO)的空間流數量，可以支持更多的同時進行傳輸的通道。這些物理層的擴展在標準定義過程中可以較早形成共識，因為它們能夠直接提高有效的數據傳輸速率，是否能進入最后的標準規范在于芯片廠家需要評估硬件的成本和可行性。

    對于涉及數據鏈路層改變的多AP接入協作以及混合自動重傳請求，因為技術方案較復雜，對性能的提升程度需要詳細評估，目前無法確定在標準討論過程中將會如何做技術方案選擇或權衡。本文先就這兩者技術的基本方案和研究方向進行介紹。另外，全雙工收發的可行性研究在IEEE的興趣組（TIG）已有初步的報告，在下面介紹中也包含在內。

1.1 多AP協作的機制

    對于將來有更密集的多個Wi-Fi AP部署場景，AP相互之間無線信號重疊是典型的數據傳輸特征，除了盡可能減少相互干擾以外，如果能充分利用相鄰的AP進行協作，則能最大化利用有限的時頻域及空口資源，提高在多AP環境下的數據轉發的系統效率和性能。在802.11be的技術討論中，包含了OFDMA協作、空口協作、分布式MIMO協作三種方式^[2]，如圖1所示。

    (1)OFDMA協作(Coordinated OFDMA)

    多個AP相互之間對正交的頻域資源進行同步，可以減少AP相互之間競爭窗口的沖突。這種方式盡可能使不同的AP最大化利用數據所發送的信道資源，對于優化短數據包的延時非常有幫助。在802.11ax的OFDMA多址接入的技術基礎上，不同的AP通過協商可以分別使用不同的頻域資源RU(Resource Unit)同時進行數據傳送。這種OFDMA協作是多AP協作機制中較簡單的方式。

    (2)空口協作

    空口協作，稱為零點指向協作(Coordinated Null Steering)，或波束賦形協作(Coordinated Beamforming)，協作的前提是AP有多對天線，多個AP在同一時刻利用空口復用技術向不同終端設備提供波束賦形的增益，同時AP向非關聯的設備提供空口信號輻射的零點指向，這種方式有效利用空口資源來進行數據傳送。具體實現是需要在多個AP之間通過消息進行協作，并且AP要從非關聯的設備那里獲得信道狀態信息(Channel State Information)，然后根據輻射零點來調整天線方向。

    (3)分布式MIMO協作(Distributed-MIMO，D-MIMO)^[5]

    這是多AP協作中比較復雜的機制，通過把相鄰的AP從干擾源變成數據傳輸的協作方，AP之間可以通過波束賦型的方式拓展空口復用和增加數據傳輸的覆蓋范圍。D-MIMO機制需要優化原先的沖突避讓機制（CSMA/CA），使得多AP在信號重疊的區域能改進信道訪問的處理方式。在具體實現中，可能需要建立主AP和從AP的架構，主AP協調頻域資源及控制管理幀的傳送等方式，從而實現多AP相互協作和數據傳輸。

1.2 混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request，Hybrid ARQ)

    HARQ機制在蜂窩通信中已經采用，在Wi-Fi5和Wi-Fi6中也曾被討論過，但還沒有在802.11標準中被應用。目前802.11支持數據包的重傳機制，當MAC層的數據單元(MPDU)沒有被接收方正確解析的時候，或者發送方沒有收到接收方的確認消息，發送方就會重新發送相同的數據包；對于當前解析失敗的數據報文，接收方不會緩存，將直接拋棄。而在HARQ機制中^[6]，接收方保存上一個失敗的報文，在處理后面重傳過來的報文的時候將組合在一起檢查是否能進行解析，從而提高鏈路層傳輸的可靠性和減少延時。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]。但在實際的干擾情況下能提升多少性能還需要進一步的分析。

    另外，支持HARQ機制，需要預留內存來存儲前面發送的數據幀，預留多少內存能有效提高鏈路性能是需要研究的。同時這種對失敗的數據幀進行組合解析也增加了對系統處理能力的要求和復雜程度。能否在802.11be標準中采納這個技術需要分析和討論。鏈路重傳請求機制如圖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域和頻域資源同時進行數據的發送和接收。全雙工模式可以充分利用信道資源，從而大幅度提高系統處理容量和數據傳輸性能，并能夠減少業務數據傳輸的往返時延。根據終端處理數據的能力，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可以在接收一個終端數據的時候同時向另一個終端發送數據；而同步全雙工是指AP與終端之間可以相互同時發送和接收數據。

    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碼(Preamble)，或者定義新的全雙工下的訓練幀(Training Frame)，用于全雙工模式下AP與終端之間對工作模式的協商和確認；需要定義新的全雙工模式下的初始化過程，例如AP通知終端開始進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終端同時與AP進行通信，終端之間的相互干擾將影響終端與AP之間的正常數據傳送，所以需要定義相應的物理層和MAC層上的檢測規程來減少這種干擾。

    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]，結論是在802.11標準修改較小的情況下，全雙工模式可以提高數據傳輸的吞吐量，減少延遲和傳輸沖突，在較密集終端連接的場景下能減少隱藏節點的影響等，所以全雙工模式也是802.11be的候選技術方案之一。

1.4 IEEE 802.11be的初步的時間規劃

    根據前期會議關于時間表的討論，預計在2020年9月完成新功能的選取和定義，在2021年5月有規范草稿，然后在2023年11月最終完成標準定義，接著是Wi-Fi聯盟認證標準的制定和廠家產品的認證測試過程。支持802.11be的商業化設備預計在2024年推向市場^[2]。IEEE 802.11be的初步時間表如圖4所示。

2 新的6 GHz免授權頻段的支持

    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設備開放未經授權的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年美國聯邦通信委員會(FCC)投票決定了6 GHz拓展到Wi-Fi設備的規劃。從時間來看，支持802.11ax Wave2的產品可能在2020年下半年在北美首先支持6 GHz。而歐洲預計在2020年可能提供對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設備具有更寬的頻率范圍和更多的信道來傳輸數據，從而提升了整體的Wi-Fi傳輸性能，這是802.11be把6 GHz看作是基本的規格要求的原因，同時Wi-Fi6也把6 GHz的支持作為下一階段演進的計劃。

    支持6 GHz的Wi-Fi6或802.11be設備可以缺省就支持3頻段(2.4 GHz頻段，5 GHz頻段頻以及6 GHz頻段)，對于目前Wi-Fi聯盟定義的組網標準(EasyMesh)的推廣有著非常重要的幫助。通常家庭設備支持雙頻段(2.4 GHz和5 GHz)，在組網的時候一個頻段必須用于AP與AP之間的傳輸通道，同時這個頻段與另一個頻段用于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先級，但這種雙頻段組網方式影響了家庭中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，不僅增強了AP之間的組網通道，也讓家庭終端有更多的Wi-Fi連接的資源。

    Wi-Fi標準要支持新的6 GHz頻段，就要拓展原來的頻段發現、優化信道掃描等功能，相關的MAC消息也要隨之更新。下面是其中兩個基本功能^[1]：

    (1)快速被動掃描

    工作在6 GHz的AP可以周期性地主動廣播探測響應(Unsolicited Probe Response)，這樣Wi-Fi終端不用在6 GHz發送探測消息的請求就可以主動發現工作在6 GHz的AP，從而可以減少終端發送探測消息的數量。

    (2)6 GHz BSS的帶外發現機制

    支持6 GHz就意味著AP或者STA有更多的信道要掃描，從而使得掃描時間變長。對于新的支持6 GHz的標準來說，需要有機制來優化掃描方式。對于在無線網絡環境下同時工作在2.4 G/5 GHz頻段和6 GHz頻段的AP，需要在Beacon消息和探測響應消息中包含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候就選擇需要的BSS及相關信道，減少平均掃描時間。

3 結束語

    從目前最新的市場反饋來看，支持Wi-Fi6的路由器和終端數量在2020年將迅速上升，Wi-Fi6標準在較短的時間內就會成為市場主流的Wi-Fi技術。但Wi-Fi6的數據傳輸速率并沒有比Wi-Fi5(802.11ac)提升很多。對于日益增長的AR/VR、視頻應用等業務，Wi-Fi的性能需要有新的技術支撐推動標準的升級換代。

    本文介紹的802.11be很有可能是下一代Wi-Fi7的候選，它在物理層和數據鏈路層的關鍵技術的演進決定了802.11be所能達到的性能指標。雖然目前還在技術標準討論的前期，并且還有很多研究工作或者可行性評估需要去完成，需要國內國外研究機構或IEEE成員提供方案討論，但已經可以看到新的技術將帶來的Wi-Fi重大性能變化的前景。另外免授權的6 GHz的頻譜資源的應用，將給下一個版本的Wi-Fi6以及802.11be都帶來非常重要的性能提升，也是中國將來免許可頻率管理計劃的參考。

參考文獻

[1] Draft standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks—specific requirements-part 11：wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications-amendment 6：enhancements for high efficiency WLAN. D4.0[S].IEEE Standard P802.11ax，2019.

[2] LOPEZ-PEREZ D，GARCIA-RODRIGUEZ A，GALATIGIO-RDANO L，et al.IEEE 802.11be extremely high throughput:the next generation of Wi-Fi technology beyond 802.11ax[J].IEEE Communications Magazine，2019，57(9)：113-119.

[3] CARIOU L.802.11 EHT proposed PAR(IEEE 802.11-18/1231r6)[Z].2019.

[4] CHEN X，et al.Discussions on the PHY features for EHT(IEEE 802.11-18/1461r0)[Z].2018.

[5] LOPEZ-PEREZ D，et al.Distributed MU-MIMO architecture design considerations(IEEE 802.11-18/1190r0)[Z].2019.

[6] VERMA S，et al.HARQ Gain Studies(IEEE 802.11-18/2031r0)[Z].2018.

[7] XIN Y，et al.Technical report on full duplex for 802.11(IEEE 802.11-18/0498r6)[Z].2018.

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)