Wi-Fi_7技术前瞻介绍_冯志芳.pdf

62022 年 12 月 第 6 期 通信管理与技术Industry Focus 产业聚焦 1增强型物理层1.1 采用更多的空间流，最多可支持 16 个相比于 Wi-Fi 6 给出的 8SS 理论空间流的 MU-MIMO 天线技术，Wi-Fi 7 可以将理论空间流上升到16SS，从而能将无线通信的理论峰值速率提升一倍；不过随着无线空间流的进一步增加，Wi-Fi 通信系统的信道侦听开销，尤其是在 MIMO 天线系统下收集 STA通信链路上的信道质量信息 CSI 所占据的时间开销将急速增加。这导致 Wi-Fi 7 技术用于信道探测的报文头部长达 10ms。如图 1 所示，这个时间长度已经使信道评估数据丧失了时效性，所以 Wi-Fi 7 技术如果要实现 16SS 的多空间留，那么必须要首先探求有效缩短信道探测开销的有效方法。图 1IEEE802.11be数据长度与信道侦测前导码长度对比1.2 采用更宽的带宽，最大支持 320MHz 带宽，频域允许非连续信道进行聚合使用随着北美 6GHz 的频域资源授权给 Wi-Fi 技术以来，使得 Wi-Fi 7 技术将拥有 320MHz 的可用频谱资源，可以支持 2.4GHz、5GHz、6GHz 的三频段通信。同时 Wi-Fi 技术支持 160MHz+160MHz 的非连续频域信道聚合使用，以及 240/160+80MHz 的非连续频谱信道聚合。大带宽通信带来的优势是不言而喻的，但是在同时考虑通信协议项下兼容的过程中也带来了新的负担。以 40MHz 带宽下主信道侦听和辅助信道侦听为例，如果一个正在使用 40MHz 带宽通信的设备，侦听到相邻网络中有其他的旧模式设备工作在相同的主信道下，那么基于 Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6 的信道退避机制，这个原本在 40MHz 带宽下通信的设备必须退避到辅助信道，即 20MHz 带宽模式下通信，那么这种机制会使得在组网复杂的现网环境中，大带宽通信基本上没有机会实施。那么 320MHz 的大带宽通信也只能是理论带宽。Wi-Fi 7 通过设计先到打孔的方式巧妙地化解了这个问题。以图 2 为例，假设 C 正在连续谱 320MHz 的带宽模式下工作，此时无线网络 B 在编号 0 和 1 的连续谱上以 80MHz 的带宽模式工作，而无线网络 C 在编号位 6 的 40MHz 带宽模式工作，当网Wi-Fi7 技术前瞻介绍 冯志芳1 彭斐1 肖雳1 马凡2/文1.深圳信息通信研究院 2.博鼎实华（北京）技术有限公司摘要：随着 IEEE802.11 家族第六代通信协议 Wi-Fi6 的推出，国际频谱资源史无前例地大幅向Wi-Fi 技术开放，Wi-Fi 技术迈向了多频协作的新进程。2019 年 3 月，IEEE802.11be 标准正式立项，第七代 Wi-Fi 技术拉开了新的征程。相比于前一代技术，Wi-Fi7 将继续提高通信空间流数量、提高传输带宽、传输数量与调制方式；并且在物理层和数据链路层进行了一系列优化以持续保证 Wi-Fi 技术良好的向下兼容能力，并探寻到有效的机制降低网络开销。本文将针对 IEEE802.11be 工作组正在热议的一部分创新技术点进行剖析，通过对这些方案的优缺点比较尽可能客观地概览和评价 Wi-Fi7的技术现状。关键词：Wi-Fi7；EHT（ExtremelyHighThroughput）；4096QAM；320MHz中图分类号：TN919.3文献标识码：B文章编号：1672-6200（2022）06-0006-03图 2 IEEE802.11be 频带打孔技术图示通信管理与技术 2022 年 12 月 第 6 期 7产业聚焦 Industry Focus络 A 中的组网设备在发现它的辅助信道上，存在干扰时可动态调节频谱使用模板，以频谱打孔的方式暂时跳过编号为0、1 和 6 的频域信道，这样依然能够尽可能充分地使用 Wi-Fi 7 的频谱资源。1.3 采用 4096QAM，进一步提高通信速率Wi-Fi 6 技术中可实现 1024QAM的高阶调制技术，每个传输符号携带信息量为 Wi-Fi 7 技术将正交幅度相位调制的模式上升为 4096QAM，每个传输符号携带信息量为，从而进一步将数据速率提升 20%；但是更高阶的调制方式带来的弊端是，RF 接收机所能接受的信噪比 SNR 将提升到 40dB。对于 Wi-Fi 通信设备要达到如此高的信噪比是比较困难的，在不提高发射功率的前提下目前最有效的方法就是靠波束赋型，但这种方式仅适用于具备多条空间流的 Wi-Fi 设备，对于众多单天线的无线 STA 而言是无法做到的；如果通过提高发射功率来满足如此高的信噪比，对于发射机的考验将变得极为苛刻。同时 4096QAM 的调制方式也必将造成无线设备 RF 的峰均比（Peak to Average Power Ratio）继续增大，这增大了发射的功率放大器和接收机的滤波器非线性失真的风险；这对芯片设计和产品测试都将带来较大挑战。图 3IEEE802.11be 与 IEEE802.11ax 调制级对比2增强型链路层2.1 充分向下兼容的帧结构随着 Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6 技术的相继问世，Wi-Fi 通信的向下兼容性也成为越来越复杂的问题，对于报文头的设计要充分考虑老旧设备支持的调制解调模式，以及对于报文的可识别性，能够有效触发网络的碰撞退避机制；为了向后兼容，EHT 帧格式从传统字段开始，如图 4 所示，即 L-STF 字段、L-LTF 字段和 L-SIG 字段和 RLSIG 字段用于帧检测、同步，携带必要的信息（例如，MCSs 和帧长度）。在 U-SIG领域，版本无关字段包括 PHY 版本标识符、UL/DL 标志、BSS 颜色、TXOP 持续时间等。U-SIG 中的版本相关字段该字段由 HE-SIG-A 中包含的类似信息和新EHT 特征的其他信息组成。EHT-SIG 字段中的公共字段包含关于多 RU 分配、MCS、编码等的信息。EHT-SIG 字段中的用户特定字段包含多个 RU 的单独专用信息用户。EHT-STF 场和 EHT-LTF 场用于 MIMO/OFDMA 传输中的信道估计。表 1 IEEE802.11be 报文头字段名与功能描述2.2 组合 RU 与增强型 OFDMAWi-Fi 6 技术首次引入 OFDMA 的概念，在OFDMA 多址技术中将频谱资源重新划分为多个最小频谱单元，AP 可以为不同的 STA 分配一个或者多个上下行链路中的 RU（Resource Unit），而 RU 的带宽可以是 26、52、106、242、484、996 以及 996X2 个最小频谱单元集群中的一个；在 Wi-Fi 6 技术中 AP 为某一个STA只能分配一种尺寸的RU，这导致在大带宽，多用户模式下将造成不同程度的信道资源浪费。以图 5为例，在一个连续 160MHz 频谱资源中以 8 用户场景编号字段名含义功能1L-STFLegacy 的短训练序列接收机同步和初步的频率同步2L-LTFLegacy 的长训练序列细致的频率同步和信道估计3L-SIGLegacy 部分的信令字段标明码片速率和报文预计传输时长4RL-SIGLegacy 部分的信令重复字段IEEE802.11ax 的标明字段5U-SIG通用信令字段承载 PPDU 通用和 ETH 版本信令信息6ETH-SIGETH 部分的信令字段承载 ETH 特征数据，与MU 多用户信息7HE-STF HE 的短训练序列MIMO 传输中功率控制计算8HE-LTFHE 的长训练序列信道估计和想为跟踪图 4 IEEE802.11be 向下兼容的帧结构82022 年 12 月 第 6 期 通信管理与技术Industry Focus 产业聚焦 为例，Wi-Fi 6 的 OFDMA 策略下，信道资源分配的最优方式应为，每个 STA 分配一个 106 尺寸的 RU，而这样会使得每两个相邻的 RU 之间将有一个 RU26 尺寸的频谱资源浪费，那么整个 8 用户的频谱利用率为90%；为了解决频谱资源浪费的问题，Wi-Fi 7 推出了混合 RU 的机制（MRU），即 AP 可以为同一个 STA分配不同尺寸的 RU 或者可以是某一些 RU 尺寸模式的集合。再套用上面的用户模型，在 Wi-Fi 7 模式中，AP 可以给某一些 STA 分配 MRU=RU106+RU26 的频谱资源，而对其他的 STA 分配 RU106 的频谱资源，在这种分配方式下，网络的频谱利用率能达到 100%。图 5 MRU8 用户 OFDMA 信道分配示例2.3 采用增强的链路混合自动重传请求（HARQ（hybridautomaticrepeatrequest）混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术，简而言之，HARQ 的主要思想就是如果有一个数据包在传输时发生了解码错误，那么需要确认该数据包是解码错误的，然后进行重传。在接收端将重传的码片与上次错误码片进行合并重组，提高码片增益而试图最后形成一个正确的数据包。在 IEEE802.11be 工作组中讨论的HARQ 方案大致可以分为两类，第一种为 Chase 合并（Chase Combining），即重传方案与上次传输内容完全一致，第二种为删余编码（Punctured encoding）的重传机制，删余编码是利用本身冗余编码的性质，也就是编码后的数据，初始是有冗余的，但是为了提升速率，把冗余的内容进行部分删除，类似于打孔删除，然后进行发送，删余编码可以进行增量重传。虽然 HARQ 在 LTE 技术中心已经得到使用，但是 Wi-Fi 技术领域使用 HARQ 技术有一些协议上并不是很适配的问题，比如在 Wi-Fi 通信机制中目前没有NACK 的机制，如何处罚 HARQ 的重传机制本身就是一个问题；另外，在 Wi-Fi 过往的重传机制中，每个MPDU 本身是有会设计 CRC 校验位以及扰码，所以不同的 MPDU 报文携带的这些信息也都是不同的，直接实施码片合并并不可取，只对码片的净荷合并又会导致延时增加；此外，在 Wi-Fi 的 A-MPDU 聚合协议中往往会使用 LDCP 编码，这意味着在接收端进行 LDPC解码器案的合并也将丧失意义。也有学者提出在 IEEE 802.11be 协议中采用分层的 HARQ 重传机制，但是它所需要的内存和信令开销很大。协议的选择需要根据实际情况综合考量实践难度、成本等因素。3总结尽管 Wi-Fi 7 还提出了多 AP 协调机制、直连通信机制、多链路合并机制、增强型的链路接入机制中等创新方案，基于本文篇幅考虑和对应极限高技术在IEEE802.11 标准家族的创新程度的考虑，在本文中将不再一一展开论述。目前 IEEE 802.11be 标准还未完成最终的修订，不过也不妨碍我们大胆想象在未来40Gbps 的无线通信技术加持下视频流、视频/语音会议、在线游戏、实时协作、云/边缘计算、工业物联网、沉浸式增强现实/虚拟现实、交互式远程医疗这些新兴应用的广阔前景。最后，衷心期待第七代 Wi-Fi 通信技术可以早日完成标准冻结和产业落地。参考文献：1 EVGENYKHOROV,ILYALEVITSKY,ANDIANF.AKYILDIZ,CurrentStatusandDirectionsofIEEE802.11be,theFutureWi-Fi7,IEEEAccess,May8,2020:88664-88688.2 EdwardAu,IEEE802.11be:ExtremelyHighThroughput,IEEEVEHICULARTECHNOLOGYMAGAZINE,SEPTEMBER2019:138-140.3 CailianDeng,XumingFang,XiaoHan,XianbinWang,LiYan,RongHe,YanLong，Yuc