Wi-Fi 7重点特性——OFDMA与MLO详解

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随着VR/AR、4K/8K超清视频、云游戏、云计算等新兴产业和技术的发展,用户对无线网络的吞吐量、延时、并发、安全、可靠性和节能等方面有了更高的需求。针对现有协议已无法完全满足日新月异需求场景的情况,IEEE于2019年成立了802.11be EHT(Extremely High Throughput)工作组来对下一代Wi-Fi 7协议标准化,工作组的目标是在802.11ax基础上将吞吐量提高到30Gbps+,频谱在Wi-Fi6E的标准下进一步扩充并进一步降低复杂环境下的无线网络延时和抖动。工作组已于2022年3月发布D1.5协议草案,计划至2023年10月发布D5.0,最终的协议标准D5.0-Pub将于2024年5月发布。本文将基于D1.5中的相关内容对Wi-Fi 7的主要特性进行介绍,并对关注度较高的特性重点分析。

一、Wi-Fi 7新增特性概述

图1为Wi-Fi技术从Wi-Fi 6到Wi-Fi 7的技术演进示意图,为了达到EHT的关键目标,协议新增了许多新的特性。

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图1 Wi-Fi6到Wi-Fi7的技术演进

PHY层方面的主要特性如下:

最大带宽提升至320MHz,在Wi-Fi 6E中引入了更加干净的6GHz频段,Wi-Fi7沿用,目前我国计划将高频段的700MHz(6425~7125MHz)带宽给5G或6G使用,低频段的部分仍在讨论中。

调制方式采用4096-QAM,每个符号携带12bit信息。随着调制率的提高,增加调制速率MCS12-13,同时使用4K调制方式使得波束成形(Beam forming)必不可少,且对发送EVM(Error Vector Magnitude)要达到-38dB才能在发射功率和信号畸变中平衡。

最大空间流提升至16x16,实际上对AP而言这么多的空间流是针对MU-MIMO而非纯MIMO,因为终端考虑实用性和成本是不会增加那么多路天线。

OFDMA的改进包括MRU(MulTI Resource unit)的分配和前导穿刺。

其他的如前导码新增字段U-SIG,EHT-SIG等。

MAC层的主要特性为:

➢ 多AP协同涉及AP间的互相感知包括协同OFDMA,协同TDMA,协同空间流复用,协同波束成形,协同互补发送等技术。当前协议未明确详细方案,本文不做讨论。

➢ MLO(MulTI-Link OperaTIon),该特性需要MLD(MulTI-Link Device)硬件的支持,该特性是本文的重点。

二、OFDMA改进

正交分频多址OFDMA是Wi-Fi 6引入的新技术,可有效提高频谱资源利用率来提高WLAN性能。之前的Wi-Fi技术,用户是通过不同的时间片来使用信道,每个时间片内用户完整占用全部子载波来进行一次完整收发。为了复用信道,802.11ax标准仿效LTE将信道资源划分,将最小的子信道称为-资源单元RU(Resource Unit),每个RU至少包括26个子载波,用户的使用根据RU资源来分配。该模式下用户的数据承载在每个RU上,从总的时空域上看,每个时间片上允许多个用户使用不同的RU收发数据,如图2所示,其中不同的颜色代表不同的用户。

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图2 OFDM VS. OFDMA

在Wi-Fi 6中,每个终端只能被分配一个RU,这种分配方式虽然简化了分配机制,但带来如下几个使用限制:

当用户数比较少的时候,限制了频谱资源使用率。

当出现前导穿刺(Preamble Puncturing)时,如雷达信号检测,因为使用了信道捆绑,只有主信道20MHz带宽能被使用,其他带宽资源被浪费。

每个用户只能分配到特定的RU上,大大限制频谱资源的调度。

Wi-Fi 7在此基础上引入多RU分配机制,对单个终端的RU资源分配更加灵活,可在不同带宽下组合分配给终端使用,如图3所示,在160MHz带宽下,对不同的40MHz信道下的信道穿刺,MRU分配机制能重新分配996+484子载波RU资源组合(部分子载波用于DC保护),图4展示了802.11ax和802.11be的RU分配方式对比。

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图3 160MHz ETH PPDU发送MRU组合方式

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图4 802.11ax和802.11be RU分配方式对比

在上文中我们提到了前导穿刺的概念,该技术在Wi-Fi 6中被引入,其基于OFDMA传输方式,能够有效优化信道捆绑接入,Wi-Fi 7中由于频谱的扩展,该技术被用于辅助MRU分配,我们用图5来简单示例该技术细节。图5中四个信道52,56,60,64捆绑成一个80MHz信道,52信道为主信道其他为次信道。Wi-Fi 5(802.11ac)中,如果信道56检查到雷达信号,终端只可以在主信道52中传输,Wi-Fi 6中AP和终端可以将56信道频闭,利用剩余的三个信道通信,即便仍然工作在80MHz信道模式下,但实际传输时把52信道置为NULL,和52信道的其他无线电互不干扰。需要注意的是802.11ax中规定主信道不能被屏蔽,能屏蔽的信道802.11ax协议已做规范,802.11be对该规范有改动。

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图5 信道穿刺示意图

三、MLO机制

在802.11be中,PHY的一个主要变化就是MLD即提供多链路物理层支持的硬件,MLD的MAC部分即为MLO。在MLD以前的IC(简单理解为射频radio)虽然支持多个频段的连接,但是每次只能选择一个频段进行连接。对一个终端而言,一次只能和AP建立一个单独的Wi-Fi连接,即不是连接在2.4GHz上,就是连接在5GHz上。而多个AP可以多个频段同时工作,但是其实现方法是通过多个IC的方式进行处理,即不同频段使用不同的IC进行隔离,从而允许多频段并行工作互不影响。

之所以一块IC只能提供一个频段的连接,很大程度上与IC内部只提供单个基带的设置有关。这样的设计主要是为了节约成本,降低设计难度,且之前终端Wi-Fi主要关注网络的稳定连接,而吞吐,时延和抖动并不那么关键。但如今网络高速发展,吞吐和时延的需求扩大,从而多链路的工作方式也应运而生。

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图6 AP和STA多链路连接

上图中,MLD指的是提供多个链路的设备,可以理解为AP1,AP2和AP3是同一个AP的中的一个或多个射频IC(Radio),这个射频IC包含了三个频段,对应2.4GHz,5GHz和6GHz频段。图中的下半部分中对应的是终端STA,STA和AP一样,也是一个射频IC对应三个频段。AP和STA之间可以建立多个连接,即图中链路1,2,3。Wi-Fi 7的这种特性能够将频谱资源通过多条链路优化使用,带来如下优势:

  • 吞吐量的增加:多条链路意味着可以同时进行数据传输,不考虑传输方式的情况下,吞吐量等价于各个链路之和。

  • 降低延时:因为多个不同频段链路的存在,相比之前单链路的信道竞争,多链路增加了设备获取信道通信的概率,从而降低了通信延时。同时终端接入时的选择性也大大提高。

  • 增加数据传输可靠性:不同的链路可以传输相同的数据,链路间可以互补,减少数据帧的重传,提高数据传输可靠性。

  • 传输分流和隔离:不同的链路工作在不同的频段上,同时多链路使用时支持同时双向传输,即链路1发送,链路2接收同时进行。

1.MLO链路连接方式

根据链路连接的方式,MLO可以分为如下五类,如表格1所示:

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表格1 MLO链路分类

图7为单射频多链路的MLO方式,在MLSR(Multi-Link Single Radio)工作方式中,STA只有一个radio但可以切换不同信道进行连接,在两条链路中同一时间只能使用其中一条链路TX(transmit)/RX(Receive)。

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图7 单射频多链路

图8为单射频多链路增强MLO方式,在EMLSR(Enhanced MLSR)工作方式中,STA只有一个radio,但其2x2的空间流模块可以配置为1x1的工作方式分开工作,能同时对两个信道进行跟踪监听,根据信道拥塞情况,切换到对应信道链路上进行TX/RX。

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图8 单射频多链路增强

图9为多射频多链路MLO方式,在EMLMR(Enhanced Multi-Link Multi-Radio)工作方式中,STA的两个radio的各自2x2空间流可以配置组合,Radio1的Tx/Rx工作在链路1上,Radio2的Tx/Rx工作在链路2上,也支持Radio1的Rx和Radio2的Rx工作在链路1而Radio1的Tx和Radio2的Tx工作在链路2的组合。最后根据链路所在信道拥塞在某条链路上进行数据传输。

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图9 多射频多链路增强

图10,图11为多射频多链路异步和同步方式,对于MLMR的多链路情况,因为存在多个Radio,其对应的链路的使用分为同步和异步两种方式,即NSTR MLMR和STR MLMR。虽然不同链路工作频段不同,但射频模块的间隔等问题会导致模块间干扰(IDC:In-Device Coexistebce Interference)。两类方式也将导致信道接入和使用机制有所不同,目前协议中关于两种方式的介绍很少,本文简单做介绍。

STR异步模式全称是Simultaneous Tx and Rx,同时收发工作模式,但并不是全双工方式,其含义是不同的链路允许同时工作,同一信道仍需竞争发送窗口。不同的链路工作在不同的信道上,互不干扰,独立工作,所以使用时就会存在链路1发送,链路2接收的状态,所以称为异步模式。STR实际上是终端的不同的radio分别在不同的频段上跑,但实现上仍需考虑如下问题:

IDC(In-Device Coexistence Interference)问题,不同频段间的信道隔离度需要进行考虑,后续802.11be小组讨论时可能会制定详细信道隔离度划分,2.4GHz和6GHz同时使用和5GHz和6GHz同时使用或者2.4+5+6GHz使用的情况均有不同。

异步情况下的多链路使用场景扩展,比如增加传输可靠性的重传方式,让链路1给链路2进行重传,这可以有效避免一个信道的干扰,或者用一个链路做控制信道之类的工作。

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图10 异步多射频多链路,允许多链路双向同时工作

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图11 同步多射频链路,不支持多链路独立工作

NSTR同步模式要求传输过程同时开始,同时结束,这样的规则主要考虑到ACK的反馈机制是直接反馈而非交互式反馈(BAR和BA为典型交互式反馈)。ACK的反馈方式会造成两方面问题,一是如果传输不是同时结束会出现一个链路已反馈ACK,另一个链路还在传输中;二是ACK的超时机制,如果两个链路不是同时结束,那么各自链路的超时时间就会不一致。对于传输同时开始的问题,当前主要参考802.11be小组的几篇讨论文档。在《11-20-0993-04-00be-sync-ml-operations-of-non-str-device》中提到几种同步MLO的实现方式,如图12,13,14所示。本人目前也处于浅显理解状态,只能讨论内容做简单解释。

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图12 NSTR方案1 - PIFS

方案1中采用了信道竞争中的PIFS机制,双链路均做信道竞争,优先竞争到的触发另一个链路的传输流程,前提是未竞争到信道的链路需要做PIFS检查是否空闲,省略了该链路信道竞争中的退避(Back-off)流程。

方案2为ePIFS(enhanced PIFS)机制,为方案1的增强方式,为未竞争到信道的链路在加上一定的退避时隙,但也不设置该链路信道NAV值,等待优先竞争的链路同步触发直接使用信道。

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图13 NSTR方案2 - ePIFS

方案3中增加链路等待时隙,方案对非Wi-Fi 7终端和Wi-Fi 7终端均相对公平。两条链路都正常竞争信道,但是同时发送的时间以后竞争到的链路为准,先竞争到的链路增加退避时间来等待同时发送。

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图14 NTSR方案3 - Wait Slot

当前方案1,2,3均存在各种意外的问题,按照小组讨论的结论,标准选择方案1的概率较大。

2. MLO服务发现

无线服务发现包括主动扫描和被动扫描,MLO机制下的服务发现方式变化在于需要STA在不同链路信道中进行扫描,这会导致扫描时间成倍增加,所以需要引入一些机制来简化该流程。

每个支持MLD的AP在其各个Radio发送的Beacon或Probe Rsp帧中需要携带其他Radio的基础连接信息RNR(Reduced Neighbor Report),包括国家码,BSSID,SSID,BSS参数等。同时STA会发送ML Probe Req帧来获取AP所有Radio的完整连接信息,当AP接收到后会回复对应的ML Probe Rsp帧,该帧包含了该AP中多链路信息集。整体简化流程如图15所示。

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图15 MLO服务发现流程

3.MLO的关联和认证

在STA服务发现后,接下来是关联和认证,之前的关联方式只支持一条链路的关联处理,所以3条链路则需要3次的关联流程处理。当前使用的重关联请求和重关联响应需要在原帧结构基础上加入新的字段,主要包括:通用信息段(Common Info Field)和各个Radio的信息(Per-STA profile),如图16示意。

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图16 MLO的关联方式

MLO的认证方式如图17所示,和正常四次握手密钥交换基本一致,额外增加新的密钥。PMK和PTK正常获取;PMK,PTK和PN空间由PTKSA填充,不同的链路使用不同的GTK,IGTK和BIGTK。

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图17 MLO的认证方式

4. MLO其他特性变化

MLO的其他主要特性还包括:

  • BA在各个链路都被使用。

  • Qos数据帧的接收状态可以通过其他链路反馈。

  • Beacon中的TIM域包含整个链路的报文缓存情况,如图18所示。

默认模式下,各个链路中包含所有的TID映射关系。可选模式下,各个链路可以单独设置不同的TID映射关系,但一个链路状态可用的情况下至少有一个TID映射,如图19所示。

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图18 Beacon中的TIM域合集

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图19 MLO各个链路的TID映射

结语

受限于篇幅和个人理解的程度,本文只对802.11be草案D1.5中的部分内容进行了简单的介绍,当前802.11be协议标准的制定仍在修订中,文中的部分内容可能会更新或修正。个人相信新Wi-Fi标准下的Wi-Fi 7将让消费者体验到无线性能的巨大飞跃。从8K流媒体视频到身临其境的VR体验,全球用户将享受到空前卓越的超高速和超低延时体验,让我们拭目以待。

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