梁希圣 楊靜

國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，中國·北京 100041

1 引言

每天有數(shù)十億人依賴Wi-Fi，無線局域網(wǎng)技術(shù)在不斷擴(kuò)展的各種應(yīng)用中承載著全球大部分?jǐn)?shù)據(jù)流量。預(yù)計(jì)到2023年，將有近6.28億個公共Wi-Fi熱點(diǎn)，其中的十分之一的設(shè)備會基于IEEE 802.11ax技術(shù)。隨著Wi-Fi的普及和功能的增長，用戶對無線服務(wù)的需求也將繼續(xù)增加。越來越多的家庭除了更高分辨率的視頻設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備之外，還將容納智能家居設(shè)備，使得家庭空間變成同時有大量無線局域網(wǎng)設(shè)備連接的無線設(shè)備密集環(huán)境。此外，以優(yōu)化制造流程和提高生產(chǎn)力為目的，企業(yè)也正在大幅增加其工作場所收集的數(shù)據(jù)量。更重要的是，部分跨工廠車間通信需要無線局域網(wǎng)技術(shù)提供非常低的延遲，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步和實(shí)時控制。因此，在802.11ax技術(shù)在市場推進(jìn)的同時，電氣及電子工程師學(xué)會（IEEE）的技術(shù)專家們正在研究推進(jìn)下一代Wi-Fi技術(shù)——802.11be的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2 IEEE 802.11工作組中的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

IEEE的802.11工作組[1]是IEEE 802 LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)委員會[2]內(nèi)的一個工作組，制定與局域網(wǎng)和城域網(wǎng)相關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)，并負(fù)責(zé)無線局域網(wǎng)物理層和媒體訪問控制層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

IEEE 802.11工作組中有幾種類型的子組。任務(wù)組是負(fù)責(zé)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的子組。研究組是負(fù)責(zé)創(chuàng)建任務(wù)組用以討論用例、技術(shù)及可行性的籌備組。通常研究組會創(chuàng)建名為“項(xiàng)目授權(quán)請求和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)”的文件作為談?wù)摻Y(jié)果。此外還有一些討論特定主題的小組，稱為主題興趣小組，以及常設(shè)委員會和特設(shè)小組。

3 IEEE 802.11ax的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

現(xiàn)在可在家用電器商店中找到各品牌發(fā)布的標(biāo)記有“Wi-Fi 6”的最新無線局域網(wǎng)產(chǎn)品，都是基于IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。盡管該標(biāo)準(zhǔn)中的定義中支持最高達(dá)9.6Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，但實(shí)際家用產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)及售價的不同，支持的最大傳輸速度通常在1～5Gbit/s左右不等。IEEE 802.11ax的標(biāo)準(zhǔn)化工作將很快完成，提供互操作測試服務(wù)的Wi-Fi聯(lián)盟[3]已開始以品牌名稱“Wi-Fi 6”對支持802.11ax的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。

3.1 IEEE 802.11ax中使用的新技術(shù)

為了更好地利用無線電頻譜資源，IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中采用了一種名為正交頻分復(fù)用（OFDMA）的新的多用戶傳輸技術(shù)，該技術(shù)已在LTE和WiMax系統(tǒng)的上下行傳輸鏈路中應(yīng)用。在802.11ax中，最多可以在每個20MHz帶寬的信道中分配9個用戶，并且可以各自向無線接入點(diǎn)（AP）發(fā)送數(shù)據(jù)或從無線接入點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。OFDMA對于傳輸語音和傳輸控制協(xié)議確認(rèn)（TCP ACK）等短數(shù)據(jù)包非常有用。802.11ax還將最初由IEEE 802.11ac的標(biāo)準(zhǔn)針對下行鏈路指定的多用戶多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)擴(kuò)展到下行鏈路和上行鏈路均可使用。

IEEE 802.11ax技術(shù)觸發(fā)幀定義了上行多用戶傳輸數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議序列，如圖1所示。觸發(fā)幀使客戶端設(shè)備能夠?yàn)橹付蛻舳说暮罄m(xù)上行鏈路傳輸調(diào)整參數(shù)，例如傳輸時間和傳輸功率。此外802.11ax技術(shù)還定義了另一種機(jī)制，稱為空間復(fù)用，通過減輕來自其他設(shè)備的傳輸?shù)挠绊憗硖岣哳l率利用率[4]。

圖1 由觸發(fā)幀發(fā)起的上行鏈路多用戶傳輸序列

3.2 802.11ax技術(shù)對6 GHz頻段的支持

美國在2020年春季將從5.925～7.125GHz的1.2GHz頻段帶寬分配給包括無線局域網(wǎng)在內(nèi)的未經(jīng)授權(quán)無線通信系統(tǒng)。通過這種分配這種較寬的連續(xù)頻段，預(yù)計(jì)將明顯減少無線局域網(wǎng)設(shè)備之間的干擾。因此，無線局域網(wǎng)設(shè)備可以預(yù)見擁有更好的數(shù)據(jù)吞吐量和延遲性能，從而能夠適應(yīng)需要更高速率的新應(yīng)用程序，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等。

然而，在6GHz頻段中，有幾種現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)，無線局域網(wǎng)系統(tǒng)需要滿足特定要求才能與這些系統(tǒng)共存。在設(shè)備類型上定義了兩種無線局域網(wǎng)設(shè)備，室內(nèi)低功率設(shè)備（LPI）和標(biāo)準(zhǔn)功率設(shè)備（SP）。LPI設(shè)備可以使用6GHz頻段的任何頻段，但只被允許應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境。另一種SP設(shè)備允許更高的發(fā)射功率，但只允許在特定的頻率段中運(yùn)行，并且強(qiáng)制要求開啟自動頻率協(xié)調(diào)（AFC）功能來保護(hù)現(xiàn)有的無線電系統(tǒng)正常工作。另外，還有一種被稱為超低功耗（VLP）的設(shè)備類型定義正在討論中。在美國，6GHz頻段分為四段，并分別為每一個頻段定義了技術(shù)要求。在歐洲，開放了5925～6425GHz頻段給應(yīng)用802.11ax技術(shù)的無線局域網(wǎng)設(shè)備使用。在中國，目前沒有許可無線局域網(wǎng)設(shè)備使用6GHz頻段的相關(guān)信息。

4 有極高吞吐量的無線局域網(wǎng)技術(shù)——802.11be

為了在媒體訪問控制服務(wù)接入點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)超過30Gbit/s的最大吞吐量，于2019年5月創(chuàng)建了802.11be實(shí)驗(yàn)小組（TGbe）。IEEE 802.11be標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃將于2024年5月根據(jù)TGbe的討論結(jié)果發(fā)布。IEEE 802.11be將接替802.11ax成為主流無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，目前TGbe已經(jīng)發(fā)布了802.11be標(biāo)準(zhǔn)草案的Draft 1.0版本。

目前正在討論如下802.11be標(biāo)準(zhǔn)的如下幾方面內(nèi)容。

4.1 提高頻率利用率和更寬帶寬的利用率

IEEE 802.11ax采用高達(dá)1024正交幅度調(diào)制（QAM）的調(diào)制方案，最多同時支持8個MIMO空間流，以及最大160MHz的信道帶寬。TGbe正在考慮在802.11be中應(yīng)用最大4096QAM、16個空間流和320MHz信道帶寬，同時也將采用混合自動重傳請求，提高數(shù)據(jù)重傳效率[5]。

4.2 多鏈路傳輸

802.11be將多鏈路傳輸定義為一項(xiàng)新功能。在包括802.11ax在內(nèi)的傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中，每個客戶端（STA）通過其與關(guān)聯(lián)無線接入點(diǎn)（AP）之間的單個鏈路完成傳輸和接收數(shù)據(jù)的過程。在多鏈路傳輸中，假設(shè)無線局域網(wǎng)設(shè)備（MLD）由多個工作在不同信道的AP或STA和MLD之間的多條鏈路組成，由多個AP組成的MLD與由多個STA組成的MLD之間建立多條鏈路，如圖2所示。

圖2 多鏈路傳輸

每個單獨(dú)的AP或STA都可以提供同一個MLD內(nèi)其他附屬的AP或STA的工作狀態(tài)的信息。在進(jìn)行多鏈路設(shè)置時，使用流量標(biāo)識符（TID）根據(jù)幀的服務(wù)質(zhì)量（QoS）對不同幀進(jìn)行分類，而后將映射到所有鏈路，任何與之相關(guān)的MLD都可以對該映射進(jìn)行更新。此外，接收方MLD將利用單個重排序緩沖器來處理通過多個鏈路傳輸?shù)南嗤琓ID的QoS數(shù)據(jù)幀。MLD 的每個設(shè)備在其鏈路上都執(zhí)行獨(dú)立的信道訪問，并保持自己的電源狀態(tài)。有時為了保持有效的能耗管理，AP可以利用已啟用的鏈路來發(fā)送存在數(shù)據(jù)緩沖的指示，使STA更換到在其他鏈路上傳輸。

4.3 多AP協(xié)調(diào)

TGbe將多AP協(xié)調(diào)定義為另一個新功能。TGbe中正在討論此功能的以下功能，協(xié)調(diào)空間復(fù)用（Co-SR）技術(shù)優(yōu)化了每個AP的發(fā)射功率等參數(shù)，協(xié)調(diào)波束成形（Co-BF）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多個AP的同時傳輸，同時可以避免在相同頻段和相同時間傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)生干擾，聯(lián)合傳輸（JT）技術(shù)使接收數(shù)據(jù)的STA能夠接收并組合來自多個AP的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)正交頻分多址（Co-OFDMA）技術(shù)可以在多個AP之間靈活分配無線網(wǎng)絡(luò)資源。

4.4 低延遲特性

即使有許多競爭的STA同時傳輸數(shù)據(jù)或設(shè)備處在干擾環(huán)境中，802.11be設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)低延遲和低抖動通信的特性。802.11be設(shè)備應(yīng)具有通知指定鏈路延遲的功能和可以確保重要的敏感流量可以周期性延遲傳輸?shù)臋C(jī)制，此外，TGbe正在討論將IEEE 802.1的時間敏感網(wǎng)絡(luò)和IEEE 802.11的訪問控制機(jī)制相結(jié)合的可能。

4.5 其他特性

TGbe還提議建立國家安全和應(yīng)急準(zhǔn)備機(jī)制，以確定應(yīng)急通信的優(yōu)先級，并在AP的協(xié)助下建立STA之間的直接通信機(jī)制。

5 Wi-Fi聯(lián)盟互操作測試

Wi-Fi聯(lián)盟是一個目的為促進(jìn)無線局域網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)在各個細(xì)分市場中發(fā)展的非營利性組織。它為基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品提供互操作測試及認(rèn)證服務(wù)。通過Wi-Fi聯(lián)盟互操作測試的無線局域網(wǎng)設(shè)備可以使用在設(shè)備上使用Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證標(biāo)志。Wi-Fi聯(lián)盟已完成基于IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi 6互操作測試計(jì)劃，并且對于可以支持工作在6 GHz頻段的802.11ax設(shè)備制定了Wi-Fi 6E互操作測試計(jì)劃，此外，Wi-Fi聯(lián)盟在近期根據(jù)IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)制定完成并發(fā)布了Wi-Fi 6 R2互操作測試計(jì)劃。

6 結(jié)語

論文簡要介紹了IEEE 802.11ax和802.11be無線局域網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展。其中IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)化已基本完成，基于該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品目前已上市，并且Wi-Fi聯(lián)盟提供了基于802.11ax技術(shù)的互操作測試認(rèn)證。IEEE 802.11be是繼802.11ax之后的下一個主流無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化工作仍處于早期階段，IEEE 802.11工作組中的TGbe正在積極討論其特性和技術(shù)。