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Wi-Fi 7极高吞吐量预计每个AP至少支持30 Gbps 约是WiFi 6四倍

来源:半导体行业观察  作者:整理  日期:2022-01-25 22:04:22

越来越多的设备需要大量数据传输,这对WiFi当前的功能提出了巨大挑战。WiFi以802.11be(即WiFi 7)迎接这项挑战。这项全新的修正案提出了我们所知的无许可无线连接的演变。

随着802.11be标准化过程的巩固,本文首先提供了802.11be基本功能的最新摘要,证明多AP协调是关键和延迟敏感应用程序的必备功能。然后,我们深入到其最引人注目的实现之一——协调波束形成——的实质,我们的标准配合仿真证实,其最坏情况下的延迟减少了近十倍。

简介

早在1943年,心理学家Abraham Maslow就发表了一份关于人类需求层次的研究报告,指出在充分利用一个人的才能和兴趣之前,必须首先满足人的四种需求。他的理论可以用金字塔来生动说明,自底而上分别是生理需求、安全、归属感和尊重。如今,人们可以“挑衅”地在马斯洛金字塔的底部增加一层:WiFi。除了食物、住所和干净的水,无线连接在我们全球化的社会中也必不可少。虽然我们会说人类对互联网的需求并不超过空气,但WiFi的重要性是毋庸置疑的。在不便远行和隔离期间,许多人借助WiFi与亲人保持联系,通过在线订单维持小企业的运营,亦或通过在线瑜伽课程来保持健康。毕竟,如果没有WiFi,这篇文章几乎不可能写出来,而且当你阅读它时,你很可能也在使用WiFi。每天都有几十亿人使用WiFi,WiFi在不断扩展的各种应用中承载着全球大部分数据流量。到2023年,将有近6.28亿个公共WiFi热点,十分之一配备了基于IEEE 802.11ax规范的WiFi 6。随着WiFi的普及和功能的增长,对无线服务的需求也将随之增长。除了8K显示器和VR之外,越来越多的家庭将会使用智能家电,这将变成一个许多设备同时连接在一起的密集的环境。企业将大幅增加在其经营场所收集的数据量,从而改进制造流程和提高生产率。重要的是,这种跨厂区通信能够提供非常低的延迟,以实现机械同步和实时控制。实时视频将占据全球IP流量的很大一部分,疫情大流行之后,高质量的视频会议将在工作、教育和医疗等领域广泛应用。我们对高速率和高可靠性的要求推动了基于IEEE 802.11be极高吞吐量(EHT)的新一代WiFi 7的开发。自从802.11be引入我们的研究社区以来,监管、认证和标准化机构已经做了很多工作。美国联邦通信委员会(FCC)已将6GHz频率的新频谱用于无许可的用途。WiFi联盟(WiFi Alliance)是一个由公司组成的全球网络,通过认证推动WiFi的采用和发展,预计很快将为WiFi 6设备提供全球互操作性认证,以在这样一个新频段中运行。与此同时,主要专家正在进行线上IEEE会议,以确定802.11be标准的构建模块。本文中,我们将从WiFi现状的更新开始,预测其未来如何发展。然后,我们详细研究关于802.11be修正案将采用的技术特性的最新具体决定,以及新的预计开发时间表。我们还将讨论提高网络效率、降低延迟和提高可靠性以补充提高峰值吞吐量的最吸引人的因素之一:多接入点(AP)协调波束形成(CBF)。特别地,我们阐明了其潜在实现的细节,并分享了符合标准的模拟结果,这些结果量化了它在现实的数字企业设置中获得的延迟增益。

WIFI的简要更新

应对高密度场景中更严格的要求是WiFi必须达到的最具挑战性的目标之一。基于IEEE 802.11ax的最先进的WiFi 6通过正交频分多址(OFDMA)和上行链路以及下行链路多用户MIMO等功能提高网络效率和电池消耗来解决拥堵。由于推迟到2020年底802.11ax尚未获得最终批准,WiFi的利益相关者已经开始关注对WiFi 6的两个进一步的改进。第一个是WiFi 6E,目前世界各国政府都在为免许可的使用开辟新的频段。第二个将是新的802.11be修正案,可能被认证为WiFi 7。

A. WiFi 6E:WiFi新赛道

20多年来,WiFi一直工作在2.4和5 GHz两个频段上。2020年4月,FCC为第三个频段扫清了道路:5.925–7.125 GHz。这种增加的频谱称为6GHz频段,几乎是可用带宽的四倍。除了更多的可用信道外,新开放频率的一个关键区别在于其较短的传播范围,这可能特别适合于在密集和具有挑战性的环境(如交通枢纽、体育场馆和商圈等)中提供基本服务集(BSS)隔离。根据为保护现有服务而制定的规则,新的6GHz频段将由面许可的设备接入。其中,室外使用将有一个基于竞争的强制性协议,对总发射功率和功率谱密度进行限制,以避免窄信道的低效使用。虽然FCC的决定可能使美国在6GHz市场上处于领先地位,但包括欧洲和亚太地区在内的其他地区也在探索免许可进入该频段。与此同时,WiFi 6已准备好利用全球范围内可用的6 GHz频谱,配备在新频段运行所需的芯片和无线电的设备将获得“6E”标识,其中E代表“扩展”。WiFi联盟计划在2021年初推出WiFi 6E认证,预计超过3亿个合规设备将在同一年上市。值得注意的是,由于最初只有6E设备能够在6GHz频段内工作,因此它们至少在原始、低干扰设置时可用。

B. WiFi 7:(尚未发布)极高吞吐量(Not Just)

事实上,802.11be极高的吞吐量将远远超过高峰值数据速率。非常确定的是,WiFi 7预计每个AP至少支持30 Gbps,大约是WiFi 6的四倍,同时确保在2.4、5和6 GHz免许可的频段中与传统设备向后兼容和共存。然而,802.11be任务组(TG)也认识到需要并致力于降低延迟和提高可靠性,以实现时间敏感网络(TSN)用例。前者被视为实时应用(包括增强现实和虚拟现实、游戏和云计算)的促成因素,要求延迟时间减少到5毫秒以下。后者对于下一代工厂和企业至关重要,WiFi可能需要保证更高的可靠性,以取代某些有线通信。为了加快WiFi 7的开发和商业化(其时间表如图1所示),802.11be TG偏离了传统的单阶段开发周期,并确定了两个阶段。第一个阶段根据其增益/复杂度比、标准化和实施时间以及相关和市场需求,将重点放在一组高优先级的功能上。下一节将对此进行详细介绍。

图1:当前WiFi 7标准化、认证和商业化时间表的图示

未来WIFI 7 介绍

在撰写本文时,802.11be TG正在积极定义将包含在标准中的基本功能操作,这些信息收集在规范框架文件(SFD)中,标准的草案将由此衍生。我们主要关注它后续的更新。

图2:PSR框架的图示

A. 第一版特性

如图1所示,预计第一版(R1)特征在2021年5月到期时达到草案1.0中的成熟规范,到2022年3月的草案2发布,将有可能进一步对他们进行扩展和改进。这些措施包括:(1)多链路操作: 802.11be以所有可用频段(即2.4、5和6 GHz)的高效操作为目标,用于负载平衡、多频段聚合和同步下行链路/上行链路传输。在802.11be中,多链路设备(MLD)被定义为具有多个附属AP或STA以及到上述逻辑链路控制(LLC)层的单个MAC服务接入点(SAP)的设备。还引入了唯一标识MLD管理实体的MAC地址。多链路控制和操作的相关功能总结如下:

多链路发现和设置:MLD具有能够动态更新其在每对链路上同时进行帧交换的能力。此外,每个单独的AP/STA还可以提供关于同一MLD内其他附属AP/STA的操作参数的信息。

流量链路映射:在多链路设置时,用于根据帧的服务质量(QoS)对帧进行分类的所有流量标识符(TID)都映射到所有设置链路。该映射的更新可随后由任何相关MLD进行。此外,接收方MLD将利用单个重排序缓冲器用于通过多个链路传输的相同TID的QoS数据帧。

通道访问和节能:MLD的每个AP/STA通过其链路执行独立的通道访问,并保持其自身的电源状态。为了促进有效的STA功率管理,AP还可以利用启用的链路来携带缓冲数据的指示以用在其他链路上传输。

(2)低复杂性AP协调: 802.11be将支持多AP协调,AP在信标帧/管理帧中实现其功能。协调空间复用(CSR)是一种低复杂性的实现,可以包括在R1中。在CSR中,已经获得传输机会(TXOP)的共享AP可以触发一个或多个其他共享AP以执行具有适当功率控制和链路自适应的同步传输。与802.11ax中可用的空间复用方案相比,这种协调将创造更多的空间复用机会并减少冲突数量。(3)802.11ax的直接增强: 802.11be TG还将指定对当前802.11ax标准的一些升级。这些措施包括:

支持320 MHz传输,使802.11ax的160 MHz传输倍增。

使用更高的调制阶数,可以支持4096 QAM,而802.11ax中只支持1024-QAM,并且对发射机的误差向量幅度(EVM)有严格的-38 dB要求。

每个STA分配多个资源单元,即OFMDA。其灵活性可以提高频谱利用率。

B. 第二版特性

尽管R2特性将分别于2022年11月和2023年11月在草案3.0和草案4.0中正式确定,但802.11be TG已经开始了其相关工作,并在SFD中取得了显著进展。主要特点如下:

1.MIMO增强:

802.11be将支持的单用户MIMO(SU-MIMO)和多用户MIMO(MU-MIMO)空间流的最大数量增加一倍,达到了16个,从而增加容量。在MUMIMO的情况下,802.11be TG同意将空间复用STA和每个STA的空间流的最大数量分别限制为8和4。上述限制有助于控制MIMO预编码器复杂性和信道状态信息(CSI)开销。目前对于隐式CSI探测的研究正在进行中,它可以作为一种可选模式进一步抑制这种开销。

2.混合自动重复请求(HARQ):

R2可能会引入HARQ。设备不会丢弃错误信息,而是尝试将其与重传单元软组合,以增加正确解码的概率。虽然在撰写本文时SFD不包括任何与HARQ相关的过程,但802.11be TG已经评估了不同的HARQ单元MAC协议数据单元(MPDU)或PHY码字,并评估了性能/复杂性权衡。

3.低延迟操作:

鉴于TSN的商业吸引力,SFD还将收集专门用于减少最坏情况下的延迟和可靠性大幅提升的协议增强功能。可以想象,这种解决方案可能依赖于多链路操作,提供每个链路的不同QoS,或者依赖于AP协调,以实现更积极的频谱复用和更少的有害冲突。

4.高级AP协调 :

为了充分发挥多AP协调的潜力,802.11be TG同意支持以下三种方案:

协调OFDMA:在802.11be中,获得TXOP的AP将能够与一组相邻的AP共享其20 MHz信道的倍数频率资源。为了效率,共享AP可以请求相邻AP报告其资源需求。

单用户和多用户联合传输:向其连接的STA发送数据需要AP绑定其相位同步错误和定时偏移。在考虑这些偏差的合理范围时,发现在有足够的回程的前提下,联合传输可带来增益。由于协作AP需要来自相关和非相关STA的CSI,802.11be将定义联合多AP探测方案。这样,AP将同时发送其探测帧,并且寻址的STA将传送所有AP的CSI反馈。

协调波束形成:该技术利用现代多天线AP在空间上多路复用其STA的能力,同时将辐射零点联合放置到相邻的非关联STA或从相邻STA放置辐射零点。虽然控制辐射零点所需的CSI可以通过上述联合多AP探测方案获得,但CBF也可以利用更简单的顺序探测程序,这将成为802.11be一部分。此外,CBF不需要联合数据处理,因为每个STA向单个AP发送或从单个AP接收数据,因此显著减少了回程所需要的w.r.t.联合传输,这是因为CBF可以在保持复杂性的同时提供显著的吞吐量和延迟增强,我们将在下一节中进一步探讨它。

通过多AP协调波束形成增强空间复用

在802.11ax的基础上,可靠性和低延迟功能的建立能够促进向后兼容性、产品认证和市场采用,这一事实上已经达成了某种共识。为此,802.11ax中的参数化空间复用(PSR)是一个吸引人的模块,因为它允许不同BSS的设备之间进行动态协作。接下来,我们将介绍PSR框架,讨论其优缺点,并解释如何通过多AP协调来扩展它,从而在802.11be中抑制延迟并提高可靠性。A. 802.11ax中的参数化空间复用在PSR中,需要执行上行链路接收的AP可通过触发帧向重叠BSS(OBSS)提供TXOP。在其基本形式中,触发帧可被视为调度授权,为后续上行链路传输提供信息和定时。当启用PSR时,在它们满足某些干扰条件下,AP可利用触发帧邀请OBSS设备在其上行链路接收的同时复用频谱。为了提供对PSR框架的更详细的描述,让我们来看图2(a)与两个BSS的例子,其中:

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

图2(b)展示了在获得信道接入之后,AP1如何通过发送触发帧来启动PSR处理。此触发器框架具有双重功能:

传送其相关联的STA11和STA12的上行链路传输所需的同步和调度信息;以及

向OBSS设备宣传空间复用机会,该机会跨越AP1的后续上行链路数据来接收。

为了保证利用空间复用机会的传输不会影响AP1,的上行链路数据接收,触发帧会包含PSR字段。该字段包含以下信息:i)AP1,在不影响其上行链路接收的情况下可接收的最大干扰电平;ii)AP1,的发射功率,以便于干扰计算。在接收到触发帧后,OBSS设备测量其接收的功率电平,并基于PSR字段中提供的信息,确定它们是否可以访问介质以及使用何种发射功率。在图2(b)的示例中,STA21, STA22 和STA23都具有要发送的上行链路数据。然而,只有STA21, STA22能够独立地确定它们可以竞争介质。不幸的是,STA23无法竞争信道接入,因为它靠近AP1,无法满足后者设置的干扰条件。最终的结果是,STA21首先访问信道以发送其短包,确保在由AP1触发的上行链路传输的持续时间内接收到相应的确认(ACK)帧。只要这种持续时间允许,STA22也将有机会重新争夺信道并进行传输。

1.PSR的优点:

总体而言,得益于PRS框架,AP和STA可以获得通道访问这提高了空间复用,进而:

增加网络吞吐量,因为它允许更多的并发传输;

增加STA文件吞吐量,因为STA在竞争中花费的时间更少;重要的是,

减少延迟,因为具有时间敏感短文件流量的STA可能不需要等到宽带STA终止其长时间传输。在图2中,STA21, STA22的情况即是如此。

2.PSR的挑战:

虽然PSR框架允许更大的空间复用,但在802.11be的研究中发现了两个挑战:

利用空间复用机会的设备必须降低其发射功率以限制产生的干扰。在一些情况下,对于图2中的STA21, STA22,这会转化为吞吐量的降低。在其他情况下,对于STA23,设备甚至无法访问空间复用机会,因为其最大允许发射功率不足以到达其接收器。

利用空间复用机会的设备不知道并且不能控制其各自接收机感知到的干扰。在图2中,这意味着如果STA21, STA22靠近AP2,则从STA21, STA22到AP2的上行链路传输可能失败,因为AP2将从STA21, STA22接收到不可忽略的干扰量。

上述两个缺点妨碍了现有PSR框架在各种设置中的有效性。其中包括高密度场景,或者设备处理对延迟敏感的数据流量,无法承受传输故障或过多的通道访问等待时间的场景。

图3:协调波束形成协议的图示

B. 802.11be中的协调波束形成

802.11be旨在通过CBF将现有的空间复用能力提升到一个全新的水平,即通过让协作AP抑制空间域中的传入OBS干扰。最近的实验研究表明,与单天线系统相比,服务于一个STA的四天线AP能够抑制对相邻链路的高达10 db的干扰。基于这些结果,我们现在详细介绍一个通过在PSR框架上顺利构建来实现CBF的说明性协议。

让我们来看图3(a)的上行链路传输方案。该设置类似于图2(a),但AP1 和AP2现在配备有八个天线。所提出的CBF协议有三个阶段,其中前两个阶段对于目前在802.11be中讨论的CBF和联合传输实现是通用的,在图3(b)中的展示和描述如下。

1.多AP协调:

在此阶段,两个或多个协作AP交换控制帧有两个目的:

协调集的建立和维护:为了使CBF有效,AP需要与OBSS STA通信,例如获取必要的CSI,以便在特定空间位置放置辐射零点。为此,在协作AP之间定义BSS间协调集,该协调集必须包含参与CBF传输的所有AP和STA的ID。这些ID可以由所有相关设备保存在内存中,而不会像传统的那种丢弃由其协调集中包括的OBSS设备生成的相关帧。一旦定义,BSS间协调集能够以半静态方式更新(即在数十个或数百个TXOP之后)。后续空间重用机会的动态协调:一旦AP1获得TXOP,它需要通告传入的上行链路触发传输,并与其协调集中的设备一起,确定哪些STA将参与后续CSI采集和数据通信阶段。在图3(b)的示例中,AP2回复由AP1发送的动态协调帧,指示其哪个STA将最受益于被授予安全的空间复用机会,例如STA21 和STA22。

2.CSI获取:

在此阶段,由于之前的协调,AP1和AP2都只从相关的BSS内部和OBS设备获取CSI。为了在随后的通信阶段设计用于空间复用和双向干扰抑制的滤波器,这种CSI是必要的。重要的是,随着OBSS设备被寻址以获取CSI,它们意识到OBSS AP将很快为它们提供具有更有利信道接入条件的空间复用机会。由于不需要新的特定信令来触发数据通信,因此802.11ax触发帧可用于此目的。这给传统的STA带来了明显的好处,它可以以无缝的方式继续应用802.11ax的传统PSR框架。

3.数据通信:

前两个阶段的实施解决了前一节中强调的802.11ax PSR框架的两个基本挑战,使得来自STA21, STA22 和STA23的空间复用传输更有可能在不利条件下成功。这是因为:

STA21, STA22甚至STA23更有可能找到空间复用机会并使用其最大传输功率。这要归功于由AP1执行的空间干扰抑制,其有助于发布关于相关OBSS设备的信道接入条件的宽松消息。

AP2现在能够抑制由STA11 和STA12产生的传入干扰,同时接收来自STA21, STA22和STA2的上行链路传输。

802.11BE协调波束形成的性能

现在,我们对上一节中描述的CBF方案提供的延迟增强进行量化。有了这个目标,我们考虑部署2个顶置式的AP,每个配备8个天线和24个STA,它们均匀分布35m*20m*3m的室内。在这24个STA中,16个STA生成上行宽带流量,其余8个STA生成上行延迟敏感的增强现实流量。由于我们的主要目标是保证增强现实业务的按时交付,因此授予空间复用机会的AP将抑制来自相邻增强现实STA的干扰,这些STA产生的干扰最强,通常与位于最近位置的STA相对应。本节中的结果是复杂的标准中的系统级模拟的结果,表1详细列出了其基本设置。感兴趣的读者可以在其中找到全套模拟参数。图4表示增强现实STA在三种不同设置下经历的中值:5%、1%和0:01%最差MAC层延迟:

表一:系统级仿真参数

图4:增强现实STA经历的中值和最坏情况延迟(ms)。评估了三个系统:1)无空间重用的IEEE 802.11ax,2)具有PSR功能的IEEE 802.11ax,以及3)具有CBF功能的IEEE 802.11be系统。 不具备空间复用能力的IEEE 802.11ax设备设置:图4的结果表明,基于IEEE 802.11的系统可能能够提供低延迟,但在最坏的情况下难以保持一致的性能。事实上,我们可以观察到,在所考虑的场景中,大约50%的时间延迟保持在3ms以下,但在0.01%的最坏情况下,延迟会显著增加到200ms以上。这主要是由于随机信道访问机制的综合影响以及导致重传的冲突。

具有支持PSR的IEEE 802.11ax设备的设置:图4说明了PSR的实现无益于大幅减少最坏情况下的延迟。这是因为,与图2中的STA23类似,在所考虑的密集场景中,增强现实STA与其相邻AP的距离不够远。这会阻止这些对延迟敏感的STA发现空间复用机会,因为它们为防止有害干扰而需要遵守的信道访问条件过于严格,详见第4.2节。

实现前一节中描述的IEEE 802.11be CBF方案的设备设置:图4的结果说明了与其他IEEE 802.11ax系统相比,所提出的方案如何大幅降低了最坏情况下的延迟。事实上,我们可以观察到,具有多AP协调能力的系统相对于具有PSR能力的系统将0.01%的最坏情况延迟降低了9倍。这种显著的性能增强是i)增强现实STA由于其宽松的信道接入条件而发现的大量空间复用机会,以及ii)在空间域中提供的OBSS干扰缓解的直接结果,它最大限度地提高了执行成功数据传输的机会。

应注意,对于评估中的三个系统,宽带STA的吞吐量大致保持不变。

结论

下一代WiFi将开启对千兆、高可靠性和低延迟通信的访问,通过数字增强重塑制造业和社会互联。在本文中,我们详细介绍了IEEE 802.11be为实现WIFI 7所采取的步骤、其技术特性的最新协议以及最新的时间表。我们通过多AP协调波束形成、共享实现细节和符合标准的模拟来说明空间复用的重要性。未来,还需要进一步研究,将这些技术融入对时间敏感的网络协议,使无线成为我们家庭和工业的新型有线网络。

备注:本文原文《IEEE 802.11be: Wi-Fi 7 Strikes Back》,原作者:Adrian Garcia-Rodriguez, David Lopez-P ´ ´erez, Lorenzo Galati-Giordano, and Giovanni Geraci,特此感谢!

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