WiFi 7的野心
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2022-01-26 17:34
导读
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。
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
B. WiFi 7:(尚未发布)极高吞吐量(Not Just)
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。
A. 第一版特性
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。
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
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。
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
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。
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。
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。
B. 802.11be中的协调波束形成
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。
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。
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: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。
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。
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