无线技术Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7技术演进

2024-05-30 17:53:26

        Wi-Fi技术自问世以来,为世界带来巨大的社会效益和经济效益,成为社会和经济发展的驱动力之一。尤其在疫期期间,Wi-Fi保持了用户的联系和娱乐,推动了教育模式变革,增强了医疗保健业务。Wi-Fi技术在弥合全球农村和偏远地区的数字鸿沟方面也做出突出贡献。据一项研究显示,2021年Wi-Fi全球经济价值估计为3.3万亿美元,并持续增长,到2025年预计增长至4.9万亿美元。

 

Wi-Fi技术演进概况

 

        将近20年来,Wi-Fi高效利用可用的非授权频谱,建立了一种分布式连接架构,使Wi-Fi进入了各种领域,同时使用安全技术保护了用户。Wi-Fi技术的主要优势包括:

- 价格适中的性能;

- 非授权频谱业务;

- 易用性;

- 自助部署;

- 长期兼容性。

        Wi-Fi技术演进了多代,为了易于理解,WFA(Wi-Fi Alliance)将基于不同PHY技术的802.11n(2009)、802.11ac(2013年)、802.11ax(2019年)分别命名为Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6。

        Wi-Fi技术提供的可靠性、安全性、互操作性,以及大容量、高速度、低延迟特性,使其能够支持下一代用例,包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、超高清(UHD)视频、多方游戏、物联网(IoT)等。Wi-Fi 6能提供更大容量和更高性能;WiGig(Wireless Gigabit)在60GHz频段提供极高速率;Wi-Fi  HaLow™(IEEE802.11ah标准的简称)可以在IoT等场景提供节能用例。因Wi-Fi 6能够满足下一代用例的需求,减轻了运营商部署昂贵蜂窝网络的压力和紧迫性。有研究报告认为,Wi-Fi减轻了60%的蜂窝网络流量。Wi-Fi 6和5G是互补技术,两者都有助于扩大无线网络的丰富性以及整个无线连接结构的强大功能。

 

Wi-Fi 6E扩展到6GHz频段,改善Wi-Fi频谱短缺问题

 

        过去20年来,对Wi-Fi网络的需求一直在稳步增长,但直到2020年,可用非授权频谱的数量却始终未变。工业界推动各国监管机构开放6GHz作为Wi-Fi新的非授权频段,美国FCC率先批准使用6GHz频段中的1200MHz频谱,这几乎使可用频谱增至原来的3倍。如图1所示,6GHz加入非授权频谱后,可用频谱和信道大为扩展。

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              图1  6GHz扩展了包括2.4GHz、5GHz在内的非授权频谱范围

如下3个因素使6GHz频段对于Wi-Fi技术的部署特别有吸引力:

- 连续频谱

目前考虑中的6GHz频率与现有5GHz Wi-Fi频率相邻,这有助于减少为已经支持5GHz频段的Wi-Fi设备增加6GHz功能的增量成本。6GHz频段无线电信号的传播特性与5GHz类似,因此现场升级现有设备更容易。类似的传播特性允许复用原5GHz网络覆盖图和指标。

- 更宽的频道

多达1200MHz的连续频谱允许使用更宽的频道,支持要求严格、需要高吞吐量和低延迟的应用,例如高清视频传送、AR/VR和遥现(Telepresence)。

- 干扰减少

6GHz频段相对不那么拥挤,未来将仅由Wi-Fi 6及后代Wi-Fi设备使用。把对性能要求严格的应用迁移到6GHz频段,将减轻2.4GHz和5GHz频段的拥挤问题,从而改善已经部署的Wi-Fi设备的总体容量和性能。

Wi-Fi 6E设备即运行在6GHz频段的Wi-Fi 6设备,天然具备采用6GHz频谱带来的优势。6GHz上述特色相结合,使Wi-Fi 6E设备能够提供10Gbps速率、极低的延迟和更大的网络容量。

虽然一些国家和地区(如美国和欧盟)已经批准6GHz中或宽或窄的频段用于Wi-Fi,但采用6GHz也需要考虑如下几种场景可能占用6GHz带来冲突:

- 5G NR-U(5G New Radio in Unlicensed Spectrum)在3GPP R16版本里定义,5G空中接口可工作于免许可频段。在一些地区,如美国,NR-U也将被用于部署在6GHz频段的服务。此外,基于NR-U Sidelink的C-V2X服务如果部署,也会占用6GHz部分频宽。

- 美国已经划分了5.9GHz的20MHz给5G C-V2X,部署需要考虑共存问题。

2023年世界无线大会WRC-23将会讨论是否将6GHz频谱授权给6G。

Wi-Fi 6E仍然提供以下Wi-Fi 6标准认证功能:

- 多用户多输入多输出(MU-MIMO):允许同时传送更多下行链路数据,并使接入点能够同时向大量设备发送数据;

- 160MHz频道:带宽增大,能够以低延迟提供更高的性能;

- 目标唤醒时间(TWT):显著延长物联网(IoT)设备等Wi-Fi设备的电池寿命;

- 1024正交幅度调制模式(1024-QAM):通过在相同数量的频谱中编码更多数据,提高 Wi-Fi设备的吞吐量;

- 发送波束成形:在给定范围内支持更高的数据速率,从而提供更大的网络容量;

- 正交频分多址(OFDMA):有效共享频道,以在要求严格的环境中提高网络效率,降低上行链路和下行链路流量的延迟;

- 增大的符号持续时间支持可靠的室外性能;

- 改善的MAC信令,提高效率;

- WPA3更高的安全性;

- 空间复用(Spatial Reuse),通过BSS Coloring技术,提高高密场景效率;

- 4×longer OFDM符号(Symbol),子载波从Wi-Fi 5的312.5kHz降到78.125kHz,提高效率。

 

Wi-Fi 7,重点提升速率

 

Wi-Fi 6协议组的名称为IEEE 802.11axHEW(High Efficiency WLAN),主要目标是提升效率;而Wi-Fi 7协议组名称为IEEE 802.11be EHT(Extremely High Throughput),一个重要的目标就是提升速率。特别地,视频流量仍是许多WLAN部署中的主要流量类型。由于出现4K和8K视频(20Gbps的未压缩速率),对吞吐量的要求在不断提升。新的高吞吐量、低延迟应用将大量涌现,如虚拟现实或增强现实、游戏、远程办公室和云计算。由此,Wi-Fi 7(802.11be)标准制定的目标是:

- 至少配置一种能够支持至少30Gbps的最大吞吐量的工作模式;

- 支持1GHz~7.125GHz频段(2.4GHz/ 5GHz/6GHzbands);

- 向下兼容11a/b/g/n/ac/ax,定义了至少一种能够改进最坏情况延迟和抖动的操作模式。

- Wi-Fi 7标准工作2019年启动,成立了TGbe(Task Group be),计划2024年发布标准,标准推进里程碑如图2所示。

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                图2  Wi-Fi7标准推进里程碑

Wi-Fi 5、6、7三代Wi-Fi主要的技术特征对比如表1所示。

Wi-Fi 7(802.11be)中,主要候选技术特征包括:

- 最多可以支持16个空间流,总速率比Wi-Fi 6提1倍,并且对于MIMO工作机制进行增强;

- 带宽最大支持320MHz,单条流速率比Wi-Fi 6提升1倍,并且允许非连续信道进行聚合使用;

- 支持4096QAM,相比Wi-Fi 6 1024QAM性能提升20%,并且对于MIMO工作机制进行增强;

- MLO(Multi-Link Operation)和Multi-RU(Preamble Puncturing),允许不同的频带、信道间进行链路层面上的聚合和协作;在多频带/信道下进行流量切换(traffic steering)和负载均衡(load balancing),利用多频带/信道进行并发传输,以及重复传输增加可靠性;

- Multi-AP Coordination,采用多AP间的协调和联合传输技术,通过避免BSS之间干扰和碰撞、多AP发送同一数据帧、AP收集非关联STA的CSI信息等手段,明显改善多AP环境中的网络性能,尤其是用来改善家用或者商业部署中越来越多的Mesh APs;

- 采用增强的链路自适应和传输协议,比如采用HARQ(hybrid automatic repeat request)技术;

- 增强低时延能力,为了支持RTA(Real-time Application),TGbe分析了IEEE802 TSN的主要发现,并讨论了如何改进EDCA、Enhanced UORA等;标准委员会正在进行的讨论涉及backoff procedure、AC(Access Categories),以及报文服务策略等。

              表1   三代Wi-Fi技术的特征对比

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        802.11be是Wi-Fi下一代重要的里程碑,它的目标是提供极高的吞吐量和支持低时延业务,目前标准还处在很初级的阶段。以上介绍了若干项创新,理论上来说,高吞吐和低时延的目标通过EHT PHY(4096 QAM,320MHz,16×16 MU-MIMO,EHT Preamble)就可以实现,然而实践中,由于未授权的频谱、干扰和巨大的开销,仅EHT PHY不能为最终用户提供显著的输出和延迟增益。这就是为何TGbe也探讨了其他重要创新的原因,如改进的EDCA、灵活的OFDMA、多链路、降低信道探测(channel sounding)。最后,TGbe讨论了可以提高频谱效率的高级PHY方法,如混合自动重传请求HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)、非正交多址技术(NOMA)和全双工FD(Full Deplex),以及各种Multi-AP协作方法。在这一组建议中,我们看到了另一种范式的转变,即从通过在时间/频率/空间或功率上分离传输来减轻干扰,转变为在分布式大规模天线系统中进行联合传输。尽管TGbe可能会推迟下一个Wi-Fi版本的许多Advanced PHY和Multi-AP协作功能,但这些技术为我们指明了Wi-Fi 7之后的进一步发展方向。

         中兴通讯积极参与Wi-Fi 7技术规范的制定,在OFDMA操作性能、RU分配机理、MAC对RU分配的支持技术、Multi-Link中低时延支持技术、信道访问机制、MLD之间的协调操作、低时延的时延统计指标测量及优化等方面,提供了理论支持、工程验证。

 

        随着Wi-Fi技术不断创新,持续提供各种解决方案以满足日益增长的用户需求并随时随地保持用户的高质量连接,Wi-Fi对全世界的社会和经济价值将不断增加。


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