IEEE 802.11工作組的下一代無線局域網技術標準化研究

梁希圣 楊靜

國家無線電監測中心檢測中心，中國·北京 100041

1 引言

每天有數十億人依賴Wi-Fi，無線局域網技術在不斷擴展的各種應用中承載著全球大部分數據流量。預計到2023年，將有近6.28億個公共Wi-Fi熱點，其中的十分之一的設備會基于IEEE 802.11ax技術。隨著Wi-Fi的普及和功能的增長，用戶對無線服務的需求也將繼續增加。越來越多的家庭除了更高分辨率的視頻設備和虛擬現實設備之外，還將容納智能家居設備，使得家庭空間變成同時有大量無線局域網設備連接的無線設備密集環境。此外，以優化制造流程和提高生產力為目的，企業也正在大幅增加其工作場所收集的數據量。更重要的是，部分跨工廠車間通信需要無線局域網技術提供非常低的延遲，以實現機械同步和實時控制。因此，在802.11ax技術在市場推進的同時，電氣及電子工程師學會（IEEE）的技術專家們正在研究推進下一代Wi-Fi技術——802.11be的標準化工作。

2 IEEE 802.11工作組中的標準化研究進展

IEEE的802.11工作組[1]是IEEE 802 LAN/MAN標準委員會[2]內的一個工作組，制定與局域網和城域網相關的各種標準，并負責無線局域網物理層和媒體訪問控制層技術的標準化。

IEEE 802.11工作組中有幾種類型的子組。任務組是負責制定技術標準或推進標準應用的子組。研究組是負責創建任務組用以討論用例、技術及可行性的籌備組。通常研究組會創建名為“項目授權請求和標準開發標準”的文件作為談論結果。此外還有一些討論特定主題的小組，稱為主題興趣小組，以及常設委員會和特設小組。

3 IEEE 802.11ax的標準化現狀

現在可在家用電器商店中找到各品牌發布的標記有“Wi-Fi 6”的最新無線局域網產品，都是基于IEEE 802.11ax標準設計生產的。盡管該標準中的定義中支持最高達9.6Gbit/s的數據傳輸速度，但實際家用產品由于設計及售價的不同，支持的最大傳輸速度通常在1～5Gbit/s左右不等。IEEE 802.11ax的標準化工作將很快完成，提供互操作測試服務的Wi-Fi聯盟[3]已開始以品牌名稱“Wi-Fi 6”對支持802.11ax的設備進行認證。

3.1 IEEE 802.11ax中使用的新技術

為了更好地利用無線電頻譜資源，IEEE 802.11ax標準中采用了一種名為正交頻分復用（OFDMA）的新的多用戶傳輸技術，該技術已在LTE和WiMax系統的上下行傳輸鏈路中應用。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（AP）發送數據或從無線接入點接收數據。OFDMA對于傳輸語音和傳輸控制協議確認（TCP ACK）等短數據包非常有用。802.11ax還將最初由IEEE 802.11ac的標準針對下行鏈路指定的多用戶多輸入多輸出（MIMO）技術擴展到下行鏈路和上行鏈路均可使用。

IEEE 802.11ax技術觸發幀定義了上行多用戶傳輸數據傳輸協議序列，如圖1所示。觸發幀使客戶端設備能夠為指定客戶端的后續上行鏈路傳輸調整參數，例如傳輸時間和傳輸功率。此外802.11ax技術還定義了另一種機制，稱為空間復用，通過減輕來自其他設備的傳輸的影響來提高頻率利用率[4]。

圖1 由觸發幀發起的上行鏈路多用戶傳輸序列

3.2 802.11ax技術對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在內的未經授權無線通信系統。通過這種分配這種較寬的連續頻段，預計將明顯減少無線局域網設備之間的干擾。因此，無線局域網設備可以預見擁有更好的數據吞吐量和延遲性能，從而能夠適應需要更高速率的新應用程序，例如增強現實和虛擬現實等。

然而，在6GHz頻段中，有幾種現有的無線通信系統，無線局域網系統需要滿足特定要求才能與這些系統共存。在設備類型上定義了兩種無線局域網設備，室內低功率設備（LPI）和標準功率設備（SP）。LPI設備可以使用6GHz頻段的任何頻段，但只被允許應用于室內環境。另一種SP設備允許更高的發射功率，但只允許在特定的頻率段中運行，并且強制要求開啟自動頻率協調（AFC）功能來保護現有的無線電系統正常工作。另外，還有一種被稱為超低功耗（VLP）的設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要求。在歐洲，開放了5925～6425GHz頻段給應用802.11ax技術的無線局域網設備使用。在中國，目前沒有許可無線局域網設備使用6GHz頻段的相關信息。

4 有極高吞吐量的無線局域網技術——802.11be

為了在媒體訪問控制服務接入點上實現超過30Gbit/s的最大吞吐量，于2019年5月創建了802.11be實驗小組（TGbe）。IEEE 802.11be標準計劃將于2024年5月根據TGbe的討論結果發布。IEEE 802.11be將接替802.11ax成為主流無線局域網標準，目前TGbe已經發布了802.11be標準草案的Draft 1.0版本。

目前正在討論如下802.11be標準的如下幾方面內容。

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1024正交幅度調制（QAM）的調制方案，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，提高數據重傳效率[5]。

4.2 多鏈路傳輸

802.11be將多鏈路傳輸定義為一項新功能。在包括802.11ax在內的傳統無線局域網中，每個客戶端（STA）通過其與關聯無線接入點（AP）之間的單個鏈路完成傳輸和接收數據的過程。在多鏈路傳輸中，假設無線局域網設備（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

每個單獨的AP或STA都可以提供同一個MLD內其他附屬的AP或STA的工作狀態的信息。在進行多鏈路設置時，使用流量標識符（TID）根據幀的服務質量（QoS）對不同幀進行分類，而后將映射到所有鏈路，任何與之相關的MLD都可以對該映射進行更新。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的相同TID的QoS數據幀。MLD 的每個設備在其鏈路上都執行獨立的信道訪問，并保持自己的電源狀態。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送存在數據緩沖的指示，使STA更換到在其他鏈路上傳輸。

4.3 多AP協調

TGbe將多AP協調定義為另一個新功能。TGbe中正在討論此功能的以下功能，協調空間復用（Co-SR）技術優化了每個AP的發射功率等參數，協調波束成形（Co-BF）技術可實現多個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據時產生干擾，聯合傳輸（JT）技術使接收數據的STA能夠接收并組合來自多個AP的數據，協調正交頻分多址（Co-OFDMA）技術可以在多個AP之間靈活分配無線網絡資源。

4.4 低延遲特性

即使有許多競爭的STA同時傳輸數據或設備處在干擾環境中，802.11be設備也能實現低延遲和低抖動通信的特性。802.11be設備應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的機制，此外，TGbe正在討論將IEEE 802.1的時間敏感網絡和IEEE 802.11的訪問控制機制相結合的可能。

4.5 其他特性

TGbe還提議建立國家安全和應急準備機制，以確定應急通信的優先級，并在AP的協助下建立STA之間的直接通信機制。

5 Wi-Fi聯盟互操作測試

Wi-Fi聯盟是一個目的為促進無線局域網設備和技術在各個細分市場中發展的非營利性組織。它為基于IEEE 802.11標準的無線局域網產品提供互操作測試及認證服務。通過Wi-Fi聯盟互操作測試的無線局域網設備可以使用在設備上使用Wi-Fi聯盟認證標志。Wi-Fi聯盟已完成基于IEEE 802.11ax標準的Wi-Fi 6互操作測試計劃，并且對于可以支持工作在6 GHz頻段的802.11ax設備制定了Wi-Fi 6E互操作測試計劃，此外，Wi-Fi聯盟在近期根據IEEE 802.11ax標準制定完成并發布了Wi-Fi 6 R2互操作測試計劃。

6 結語

論文簡要介紹了IEEE 802.11ax和802.11be無線局域網技術的標準化研究進展。其中IEEE 802.11ax標準化已基本完成，基于該標準的產品目前已上市，并且Wi-Fi聯盟提供了基于802.11ax技術的互操作測試認證。IEEE 802.11be是繼802.11ax之后的下一個主流無線局域網標準。標準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。