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導讀
隨著VR/AR、4K/8K超清視頻、云游戲、云計算等新興產業和技術的發展，用戶對無線網絡的吞吐量、延時、并發、安全、可靠性和節能等方面有了更高的需求。針對現有協議已無法完全滿足日新月異需求場景的情況，IEEE于2019年成立了802.11be EHT(Extremely High Throughput)工作組來對下一代Wi-Fi 7協議標準化，工作組的目標是在802.11ax基礎上將吞吐量提高到30Gbps+，頻譜在Wi-Fi6E的標準下進一步擴充并進一步降低復雜環境下的無線網絡延時和抖動。工作組已于2022年3月發布D1.5協議草案，計劃至2023年10月發布D5.0，最終的協議標準D5.0-Pub將于2024年5月發布。本文將基于D1.5中的相關內容對Wi-Fi 7的主要特性進行介紹，并對關注度較高的特性重點分析。
作者：吳仁凡
單位：中國移動智慧家庭運營中心
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Wi-Fi 7新增特性概述
圖1為Wi-Fi技術從Wi-Fi 6到Wi-Fi 7的技術演進示意圖，為了達到EHT的關鍵目標，協議新增了許多新的特性。
圖1 Wi-Fi6到Wi-Fi7的技術演進
PHY層方面的主要特性如下：
最大帶寬提升至320MHz，在Wi-Fi 6E中引入了更加干凈的6GHz頻段，Wi-Fi7沿用，目前我國計劃將高頻段的700MHz(6425~7125MHz)帶寬給5G或6G使用，低頻段的部分仍在討論中。
調制方式采用4096-QAM，每個符號攜帶12bit信息。隨著調制率的提高，增加調制速率MCS12-13，同時使用4K調制方式使得波束成形(Beam forming)必不可少，且對發送EVM(Error Vector Magnitude)要達到-38dB才能在發射功率和信號畸變中平衡。
最大空間流提升至16x16，實際上對AP而言這么多的空間流是針對MU-MIMO而非純MIMO，因為終端考慮實用性和成本是不會增加那么多路天線。
OFDMA的改進包括MRU(Multi Resource unit)的分配和前導穿刺。
其他的如前導碼新增字段U-SIG，EHT-SIG等。
MAC層的主要特性為：
? 多AP協同涉及AP間的互相感知包括協同OFDMA，協同TDMA，協同空間流復用，協同波束成形，協同互補發送等技術。當前協議未明確詳細方案，本文不做討論。
? MLO(Multi-Link Operation)，該特性需要MLD(Multi-Link Device)硬件的支持，該特性是本文的重點。
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OFDMA改進
正交分頻多址OFDMA是Wi-Fi 6引入的新技術，可有效提高頻譜資源利用率來提高WLAN性能。之前的Wi-Fi技術，用戶是通過不同的時間片來使用信道，每個時間片內用戶完整占用全部子載波來進行一次完整收發。為了復用信道，802.11ax標準仿效LTE將信道資源劃分，將最小的子信道稱為-資源單元RU(Resource Unit)，每個RU至少包括26個子載波，用戶的使用根據RU資源來分配。該模式下用戶的數據承載在每個RU上，從總的時空域上看，每個時間片上允許多個用戶使用不同的RU收發數據，如圖2所示，其中不同的顏色代表不同的用戶。
圖2 OFDM VS. OFDMA
在Wi-Fi 6中，每個終端只能被分配一個RU，這種分配方式雖然簡化了分配機制，但帶來如下幾個使用限制：
當用戶數比較少的時候，限制了頻譜資源使用率。
當出現前導穿刺(Preamble Puncturing)時，如雷達信號檢測，因為使用了信道捆綁，只有主信道20MHz帶寬能被使用，其他帶寬資源被浪費。
每個用戶只能分配到特定的RU上，大大限制頻譜資源的調度。
Wi-Fi 7在此基礎上引入多RU分配機制，對單個終端的RU資源分配更加靈活，可在不同帶寬下組合分配給終端使用，如圖3所示，在160MHz帶寬下，對不同的40MHz信道下的信道穿刺，MRU分配機制能重新分配996+484子載波RU資源組合（部分子載波用于DC保護），圖4展示了802.11ax和802.11be的RU分配方式對比。
圖3 160MHz ETH PPDU發送MRU組合方式
圖4 802.11ax和802.11be RU分配方式對比
在上文中我們提到了前導穿刺的概念，該技術在Wi-Fi 6中被引入，其基于OFDMA傳輸方式，能夠有效優化信道捆綁接入，Wi-Fi 7中由于頻譜的擴展，該技術被用于輔助MRU分配，我們用圖5來簡單示例該技術細節。圖5中四個信道52，56，60，64捆綁成一個80MHz信道，52信道為主信道其他為次信道。Wi-Fi 5(802.11ac)中，如果信道56檢查到雷達信號，終端只可以在主信道52中傳輸，Wi-Fi 6中AP和終端可以將56信道頻閉，利用剩余的三個信道通信，即便仍然工作在80MHz信道模式下，但實際傳輸時把52信道置為NULL，和52信道的其他無線電互不干擾。需要注意的是802.11ax中規定主信道不能被屏蔽，能屏蔽的信道802.11ax協議已做規范，802.11be對該規范有改動。
圖5 信道穿刺示意圖
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MLO機制
在802.11be中，PHY的一個主要變化就是MLD即提供多鏈路物理層支持的硬件，MLD的MAC部分即為MLO。在MLD以前的IC（簡單理解為射頻radio）雖然支持多個頻段的連接，但是每次只能選擇一個頻段進行連接。對一個終端而言，一次只能和AP建立一個單獨的Wi-Fi連接，即不是連接在2.4GHz上，就是連接在5GHz上。而多個AP可以多個頻段同時工作，但是其實現方法是通過多個IC的方式進行處理，即不同頻段使用不同的IC進行隔離，從而允許多頻段并行工作互不影響。
之所以一塊IC只能提供一個頻段的連接，很大程度上與IC內部只提供單個基帶的設置有關。這樣的設計主要是為了節約成本，降低設計難度，且之前終端Wi-Fi主要關注網絡的穩定連接，而吞吐，時延和抖動并不那么關鍵。但如今網絡高速發展，吞吐和時延的需求擴大，從而多鏈路的工作方式也應運而生。
圖6 AP和STA多鏈路連接
上圖中，MLD指的是提供多個鏈路的設備，可以理解為AP1，AP2和AP3是同一個AP的中的一個或多個射頻IC（Radio），這個射頻IC包含了三個頻段，對應2.4GHz，5GHz和6GHz頻段。圖中的下半部分中對應的是終端STA，STA和AP一樣，也是一個射頻IC對應三個頻段。AP和STA之間可以建立多個連接，即圖中鏈路1，2，3。Wi-Fi 7的這種特性能夠將頻譜資源通過多條鏈路優化使用，帶來如下優勢：
吞吐量的增加：多條鏈路意味著可以同時進行數據傳輸，不考慮傳輸方式的情況下，吞吐量等價于各個鏈路之和。
降低延時：因為多個不同頻段鏈路的存在，相比之前單鏈路的信道競爭，多鏈路增加了設備獲取信道通信的概率，從而降低了通信延時。同時終端接入時的選擇性也大大提高。
增加數據傳輸可靠性：不同的鏈路可以傳輸相同的數據，鏈路間可以互補，減少數據幀的重傳，提高數據傳輸可靠性。
傳輸分流和隔離：不同的鏈路工作在不同的頻段上，同時多鏈路使用時支持同時雙向傳輸，即鏈路1發送，鏈路2接收同時進行。
3.1 MLO鏈路連接方式
根據鏈路連接的方式，MLO可以分為如下五類，如表格1所示：
表格1 MLO鏈路分類
圖7為單射頻多鏈路的MLO方式，在MLSR(Multi-Link Single Radio)工作方式中，STA只有一個radio但可以切換不同信道進行連接，在兩條鏈路中同一時間只能使用其中一條鏈路TX(transmit)/RX(Receive)。
圖7 單射頻多鏈路
圖8為單射頻多鏈路增強MLO方式，在EMLSR（Enhanced MLSR）工作方式中，STA只有一個radio，但其2x2的空間流模塊可以配置為1x1的工作方式分開工作，能同時對兩個信道進行跟蹤監聽，根據信道擁塞情況，切換到對應信道鏈路上進行TX/RX。
圖8 單射頻多鏈路增強
圖9為多射頻多鏈路MLO方式，在EMLMR（Enhanced Multi-Link Multi-Radio）工作方式中，STA的兩個radio的各自2x2空間流可以配置組合，Radio1的Tx/Rx工作在鏈路1上，Radio2的Tx/Rx工作在鏈路2上，也支持Radio1的Rx和Radio2的Rx工作在鏈路1而Radio1的Tx和Radio2的Tx工作在鏈路2的組合。最后根據鏈路所在信道擁塞在某條鏈路上進行數據傳輸。
圖9 多射頻多鏈路增強
圖10，圖11為多射頻多鏈路異步和同步方式，對于MLMR的多鏈路情況，因為存在多個Radio，其對應的鏈路的使用分為同步和異步兩種方式，即NSTR MLMR和STR MLMR。雖然不同鏈路工作頻段不同，但射頻模塊的間隔等問題會導致模塊間干擾（IDC:In-Device Coexistebce Interference）。兩類方式也將導致信道接入和使用機制有所不同，目前協議中關于兩種方式的介紹很少，本文簡單做介紹。
STR異步模式全稱是Simultaneous Tx and Rx，同時收發工作模式，但并不是全雙工方式，其含義是不同的鏈路允許同時工作，同一信道仍需競爭發送窗口。不同的鏈路工作在不同的信道上，互不干擾，獨立工作，所以使用時就會存在鏈路1發送，鏈路2接收的狀態，所以稱為異步模式。STR實際上是終端的不同的radio分別在不同的頻段上跑，但實現上仍需考慮如下問題：
IDC(In-Device Coexistence Interference)問題，不同頻段間的信道隔離度需要進行考慮，后續802.11be小組討論時可能會制定詳細信道隔離度劃分，2.4GHz和6GHz同時使用和5GHz和6GHz同時使用或者2.4+5+6GHz使用的情況均有不同。
異步情況下的多鏈路使用場景擴展，比如增加傳輸可靠性的重傳方式，讓鏈路1給鏈路2進行重傳，這可以有效避免一個信道的干擾，或者用一個鏈路做控制信道之類的工作。
圖10 異步多射頻多鏈路，允許多鏈路雙向同時工作
圖11 同步多射頻鏈路，不支持多鏈路獨立工作
NSTR同步模式要求傳輸過程同時開始，同時結束，這樣的規則主要考慮到ACK的反饋機制是直接反饋而非交互式反饋（BAR和BA為典型交互式反饋）。ACK的反饋方式會造成兩方面問題，一是如果傳輸不是同時結束會出現一個鏈路已反饋ACK，另一個鏈路還在傳輸中；二是ACK的超時機制，如果兩個鏈路不是同時結束，那么各自鏈路的超時時間就會不一致。對于傳輸同時開始的問題，當前主要參考802.11be小組的幾篇討論文檔。在《11-20-0993-04-00be-sync-ml-operations-of-non-str-device》中提到幾種同步MLO的實現方式，如圖12，13，14所示。本人目前也處于淺顯理解狀態，只能討論內容做簡單解釋。
圖12 NSTR方案1 - PIFS
方案1中采用了信道競爭中的PIFS機制，雙鏈路均做信道競爭，優先競爭到的觸發另一個鏈路的傳輸流程，前提是未競爭到信道的鏈路需要做PIFS檢查是否空閑，省略了該鏈路信道競爭中的退避(Back-off)流程。
方案2為ePIFS(enhanced PIFS)機制，為方案1的增強方式，為未競爭到信道的鏈路在加上一定的退避時隙，但也不設置該鏈路信道NAV值，等待優先競爭的鏈路同步觸發直接使用信道。
圖13 NSTR方案2 - ePIFS
方案3中增加鏈路等待時隙，方案對非Wi-Fi 7終端和Wi-Fi 7終端均相對公平。兩條鏈路都正常競爭信道，但是同時發送的時間以后競爭到的鏈路為準，先競爭到的鏈路增加退避時間來等待同時發送。
圖14 NTSR方案3 - Wait Slot
當前方案1，2，3均存在各種意外的問題，按照小組討論的結論，標準選擇方案1的概率較大。
3.2 MLO服務發現
無線服務發現包括主動掃描和被動掃描，MLO機制下的服務發現方式變化在于需要STA在不同鏈路信道中進行掃描，這會導致掃描時間成倍增加，所以需要引入一些機制來簡化該流程。
每個支持MLD的AP在其各個Radio發送的Beacon或Probe Rsp幀中需要攜帶其他Radio的基礎連接信息RNR（Reduced Neighbor Report），包括國家碼，BSSID，SSID，BSS參數等。同時STA會發送ML Probe Req幀來獲取AP所有Radio的完整連接信息，當AP接收到后會回復對應的ML Probe Rsp幀，該幀包含了該AP中多鏈路信息集。整體簡化流程如圖15所示。
圖15 MLO服務發現流程
3.3 MLO的關聯和認證
在STA服務發現后，接下來是關聯和認證，之前的關聯方式只支持一條鏈路的關聯處理，所以3條鏈路則需要3次的關聯流程處理。當前使用的重關聯請求和重關聯響應需要在原幀結構基礎上加入新的字段，主要包括：通用信息段（Common Info Field）和各個Radio的信息（Per-STA profile），如圖16示意。
圖16 MLO的關聯方式
MLO的認證方式如圖17所示，和正常四次握手密鑰交換基本一致，額外增加新的密鑰。PMK和PTK正常獲取；PMK，PTK和PN空間由PTKSA填充，不同的鏈路使用不同的GTK，IGTK和BIGTK。
圖17 MLO的認證方式
3.4 MLO其他特性變化
MLO的其他主要特性還包括：
BA在各個鏈路都被使用。
Qos數據幀的接收狀態可以通過其他鏈路反饋。
Beacon中的TIM域包含整個鏈路的報文緩存情況，如圖18所示。
默認模式下，各個鏈路中包含所有的TID映射關系。可選模式下，各個鏈路可以單獨設置不同的TID映射關系，但一個鏈路狀態可用的情況下至少有一個TID映射，如圖19所示。
圖18 Beacon中的TIM域合集
圖19 MLO各個鏈路的TID映射
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結語
受限于篇幅和個人理解的程度，本文只對802.11be草案D1.5中的部分內容進行了簡單的介紹，當前802.11be協議標準的制定仍在修訂中，文中的部分內容可能會更新或修正。個人相信新Wi-Fi標準下的Wi-Fi 7將讓消費者體驗到無線性能的巨大飛躍。從8K流媒體視頻到身臨其境的VR體驗，全球用戶將享受到空前卓越的超高速和超低延時體驗，讓我們拭目以待。
編輯：黃飛
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工商網監
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