Wi-Fi 8關(guān)鍵技術(shù)綜述

摘要：在現(xiàn)階段大規(guī)模鋪設(shè)FTTR的背景下，Wi-Fi在釋放千兆級連接潛力方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著Wi-Fi 7標(biāo)準(zhǔn)的完善，為滿足新應(yīng)用的需求，2023年底，IEEE TGbn任務(wù)組正式成立并開始制定Wi-Fi 8標(biāo)準(zhǔn)。本文從空域、時域、頻域的Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)進化的角度導(dǎo)出Wi-Fi 8多AP協(xié)作關(guān)鍵技術(shù)，包括協(xié)作空間重用、協(xié)作波束賦形、協(xié)作正交頻分多址、協(xié)作時分多址、協(xié)作受限目標(biāo)喚醒時間等。Wi-Fi 7引入了多鏈路操作新技術(shù)，本文據(jù)此提出協(xié)作的多鏈路操作技術(shù)，從頻率和空間兩個維度破壞OBSS形成的空間和頻域約束，解決OBSS干擾問題，從而提升整網(wǎng)吞吐。

關(guān)鍵字：Wi-Fi 8、OBSS干擾、多AP協(xié)作、多鏈路操作

1. 介紹

Wireless Fidelity（Wi-Fi）為無線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）代名詞。Wi-Fi允許設(shè)備通過無線電波在局域網(wǎng)內(nèi)進行通信技術(shù)。Wi-Fi基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，如智能手機、平板、相機、電視、打印機、智能家居設(shè)備、筆記本電腦等。目前，超過90%的數(shù)據(jù)流量依賴固定網(wǎng)絡(luò)承載，而其中90%以上的流量通過Wi-Fi傳輸[1]。

IEEE 802.11工作組主要負(fù)責(zé)對WLAN技術(shù)的媒體訪問控制（media access control，MAC）層和物理（physical，PHY）層進行標(biāo)準(zhǔn)化。1997年，IEEE批準(zhǔn)通過了802.11原始標(biāo)準(zhǔn)，這一代Wi-Fi也被稱為Wi-Fi 1。2021年，TGax任務(wù)組發(fā)布了802.11ax-2021（Wi-Fi 6），采用基于基本服務(wù)集（basic service set，BSS）著色的空間重用，還采用目標(biāo)喚醒時間（target wake time，TWT）[2]，子載波由312.5kHz調(diào)制至78.125kHz，最高支持1024QAM。2023年11月，TGbn任務(wù)組成立，開始制定IEEE 802.11bn標(biāo)準(zhǔn)。2024年底，TGbe任務(wù)組將發(fā)布802.11be-2024，支持多鏈路操作（multi-link operation，MLO），在廣播TWT（broadcast TWT，bTWT）技術(shù)基礎(chǔ)上擴展出嚴(yán)格TWT（restricted TWT，rTWT）技術(shù)，帶寬擴展了320MHz，最高支持4096QAM。802.11be也就是我們常說的Wi-Fi 7[3-4]，主要新特性是MLO[5-6]。Wi-Fi 8 [7]主要包括IEEE 802.11bn標(biāo)準(zhǔn)。

2. Wi-Fi 8關(guān)鍵技術(shù)

為滿足諸如元宇宙、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用需求，TGbn開始制定802.11bn標(biāo)準(zhǔn)，也稱超高可靠性增強（ultra High reliability，UHR）。802.11bn 項目授權(quán)請求（PAR）[8]定義了3個25%技術(shù)指標(biāo)，以及802.11bn關(guān)注接入點（access point，AP）節(jié)能（power saving，PS）：在相同部署場景中，與現(xiàn)有IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)相比，802.11bn應(yīng)提高以平均功耗為衡量的AP（包括STA）功率效率。802.11bn PAR更關(guān)注協(xié)作，WLAN P2P通信與基礎(chǔ)設(shè)施WLAN會對相同介質(zhì)資源進行競爭，需相鄰AP之間以及P2P網(wǎng)絡(luò)之間更好地協(xié)作。

從技術(shù)進化來看，Wi-Fi 2至Wi-Fi 7的關(guān)鍵技術(shù)在碼域、頻域、空域?qū)蜛P可用資源利用接近極限。Wi-Fi 8將從單AP如何更多使用資源，過渡到多AP（multi-AP，MAP）如何高效利用資源，即多AP協(xié)作（MAP coordination，MAPC）技術(shù)。MAPC技術(shù)屬于干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，協(xié)調(diào)多個AP共同管控并降低彼此間的干擾，從而提升信號質(zhì)量與整網(wǎng)吞吐（或網(wǎng)絡(luò)的可靠性）。

在密集網(wǎng)絡(luò)的MAP環(huán)境中，重疊基本服務(wù)集（overlapping basic bervice Set，OBSS）干擾會導(dǎo)致整網(wǎng)吞吐量顯著下降或出現(xiàn)波動的狀況。TGbn任務(wù)組期望通過解決OBSS干擾問題來提高吞吐量并降低時延。OBSS意味著在同一物理區(qū)域內(nèi)（空域）的重疊或相同頻率（頻域）上同時（時域）存在多個BSS相互重疊的情形。MAPC技術(shù)通過打破 OBSS形成的條件來消除或者降低OBSS干擾問題。

其中，協(xié)作空間重用（coordinated spatial reuse，C-SR）在空域破壞OBSS干擾形成的條件，從而降低OBSS干擾。協(xié)作波束賦形（coordinated beamforming，C-BF）[9]在空域破壞OBSS干擾形成條件，從而消除OBSS干擾。協(xié)作正交頻分多址（coordinated orthogonal frequency-division access，C-OFDMA）在頻域破壞OBSS干擾形成條件，從而消除OBSS干擾。協(xié)作時分多址（coordinated time division multiple access，C-TDMA）和協(xié)作受限目標(biāo)喚醒時間（coordinated restricted target wake time，C-rTWT）[10]在時域破壞OBSS干擾形成條件，從而消除OBSS干擾。C-rTWT用于保證低時延業(yè)務(wù)的可靠傳輸。協(xié)作多鏈路操作（coordinated MLO，C-MLO）在頻域和空域同時破壞OBSS干擾形成條件，從而消除OBSS干擾。C-BF、C-MLO、C-OFDMA、C-TDMA、C-rTWT都可消除OBSS干擾，從而提升整網(wǎng)吞吐，而C-SR通過降低OBSS干擾提升整網(wǎng)吞吐。C-SR、C-BF、C-MLO使用空域資源，從而比其他協(xié)作技術(shù)具有更高的頻譜效率。

MAPC常見的場景如圖1所示，STA11、STA12、STA13與AP1關(guān)聯(lián)，STA21、STA22、STA23與AP2關(guān)聯(lián)，STA13和STA22處于交疊區(qū)。對于C-SR技術(shù)，AP1給處于交疊區(qū)的STA13發(fā)送數(shù)據(jù)，若AP2仍然以覆蓋交疊區(qū)的功率發(fā)送數(shù)據(jù)，那么STA13將會受到嚴(yán)重OBSS干擾。C-SR技術(shù)在AP1與AP2協(xié)商發(fā)送的功率，假設(shè)協(xié)商結(jié)果：AP1仍以原來的功率發(fā)送數(shù)據(jù)給STA13，AP2以較低的功率發(fā)送數(shù)據(jù)給STA21（STA21距離AP2更遠），此時STA13和STA21受到的OBSS干擾相對較小。相比于C-SR之間非功率控制的下行傳輸，C-SR讓AP1和AP2同時下行傳輸，提升了整網(wǎng)吞吐。C-SR的關(guān)鍵在于協(xié)作調(diào)度，而協(xié)作調(diào)度的先決條件是協(xié)作信道測量。C-SR技術(shù)的關(guān)鍵研究點有C-SR流程設(shè)計、協(xié)作幀設(shè)計、協(xié)作調(diào)度測量設(shè)計、Sharing AP選擇、協(xié)作集選擇、Shared AP的MCS調(diào)整等。

C-BF技術(shù)，如圖1所示，AP1和AP2分別發(fā)送數(shù)據(jù)給處于交疊區(qū)的STA13和STA22。此時，STA13和STA22處的接收信號分別為

（1）

（2）

其中，c1和c2分別表示AP1和AP2處的功率因子，H11表示AP1到STA13之間的數(shù)據(jù)信道，W1表示AP1的C-BF矩陣，x1表示AP1對應(yīng)的發(fā)送信號，H21表示AP2到STA13的干擾信號，W2表示AP2的C-BF矩陣，x2表示AP2的發(fā)送信號，H22表示AP2到STA22的數(shù)據(jù)信道，H12表示AP1到STA22的干擾信道。

若通過C-BF能將（1）和（2）的干擾項I1 0（H21W2=0）和I2=0（H12W1=0）完成OBSS干擾消除，就能直接增加信噪比，提升系統(tǒng)性能。C-BF技術(shù)：針對STA13處的干擾，在AP2處設(shè)計W2讓I1=0；針對STA22處的干擾，在AP1處設(shè)計W1讓I2=0。C-BF研究熱點為C-BF協(xié)作框架、OBSS CSI測量與獲取、協(xié)作集同步、零陷波束設(shè)計等。在C-BF中，通常c1=1和c2=1；在C-SR中，通過降低功率因子c1或c2來降低接收信號中的OBSS干擾大小。可以看出，C-BF可以退化為C-SR。

C-OFMA技術(shù)，如圖1所示，AP1和AP2分別發(fā)送數(shù)據(jù)給處于交疊區(qū)的STA13和STA22。C-OFDMA通過給AP1和AP2分配不重疊或不交疊的頻率信道，讓AP1（BSS1）和AP2（BSS2）運行在不同頻率、實現(xiàn)頻域正交傳輸，即多AP共享頻率資源。

C-TDMA技術(shù)，如圖1所示，AP1和AP2分別發(fā)送數(shù)據(jù)給處于交疊區(qū)的STA13和STA22。針對一次傳輸中共享時間資源，C-TDMA技術(shù)通過給BSS1和BSS2分配不同的時間段，從而實現(xiàn)多AP共享時間資源。C-TDMA技術(shù)研究熱點為該協(xié)議的具體實現(xiàn)，包括MAC和PHY的實現(xiàn)方案。

C-rTWT技術(shù)，如圖1所示，AP1和STA13之間交互低時延業(yè)務(wù)（假設(shè)處于rTWT時間），則AP2會干擾STA13的低時延業(yè)務(wù)。針對單BSS，802.11be采用rTWT技術(shù)，將整個服務(wù)周期分成多段，在某些特殊時間段內(nèi)專門傳輸?shù)蜁r延業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。rTWT技術(shù)為這些特殊的時間段增加了靜默時間等待窗口機制，為AP調(diào)度低時延業(yè)務(wù)提供了保護機制。但是，由于OBSS場景中AP之間rTWT 操作缺乏協(xié)作，rTWT的優(yōu)勢受到OBSS干擾的影響。C-rTWT將單個BSS中的rTWT擴展到OBSS中的rTWT，實現(xiàn)OBSS場景中對交疊區(qū)低時延業(yè)務(wù)的保護。

Wi-Fi 7引入了MLO，但是現(xiàn)有的協(xié)作技術(shù)尚未擴展到MLO。如圖2所示，以AP MLD擁有兩種相異的鏈路為例（更多鏈路同樣適用），分別將其命名為A和B。針對AP MLD，C-MLD借由不同鏈路所覆蓋的范圍各異，比如AP MLD1的兩個鏈路A和B借助功率控制各自覆蓋的區(qū)域。相鄰的AP MLD，相同的鏈路（或者頻段或者頻率）的覆蓋區(qū)域不存在重疊，不同的鏈路（或者頻段或者頻率）的覆蓋區(qū)域能夠重疊以用于覆蓋OBSS 區(qū)域。例如，AP MLD1的A覆蓋區(qū)域和AP MLD2的A覆蓋區(qū)域不重合；AP MLD1的B覆蓋區(qū)域與AP MLD2的B覆蓋區(qū)域不重合；AP MLD1的B覆蓋區(qū)域與AP MLD2的A覆蓋區(qū)域存在重疊，覆蓋原本單鏈路AP的OBSS交疊區(qū)。通過MAP協(xié)作的形式達成相鄰AP MLD之間的鏈路參數(shù)協(xié)商。C-MLO從頻率和空間兩個維度破壞OBSS形成的空間和頻域約束，解決OBSS干擾問題，從而提升整網(wǎng)吞吐并降低波動。

Wi-Fi 8除了關(guān)注MAPC技術(shù)外，針對單BSS內(nèi)的主要改進技術(shù)有非主信道接入NPCA、分布資源單元dRU、AP PS、預(yù)搶占（preemption）等。

結(jié)語

Wi-Fi 8將從AP如何更多使用資源，過渡到MAPC技術(shù)。本文對C-SR、C-BF、C-OFDMA、C-TDMA、C-rTWT等MAPC技術(shù)進行研究和分析。在此基礎(chǔ)上提出了C-MLO技術(shù)，從頻率和空間兩個維度破壞OBSS形成的空間和頻域約束，解決OBSS干擾問題，從而提升整網(wǎng)吞吐并降低波動。

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作者簡介：車慧，博士研究生，工程師，xmutch@163.com，研究方向：Wi-Fi關(guān)鍵技術(shù)、毫米波通信、編碼調(diào)制、超奈奎斯特傳輸。