0 引言

发展了二十年的Wi-Fi技术已经成为室内短距离数据通信的最普及的应用技术，手机、电脑及大量的家用电器都已经把Wi-Fi支持作为缺省的配置。平均每隔4到5年就会有新的Wi-Fi标准被IEEE发布，然后由Wi-Fi联盟完成测试认证标准的制定，各个厂家迅速推出认证后的商用化产品。Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g/n/ac等)技术标准迭代的主要方向是通过频宽拓展、调制与编码效率提升、输入输出方式增强、数据链路层改进等机制来提升Wi-Fi数据传输的吞吐量和性能，从最初的1 Mb/s到目前802.11ac的3 466.8 Mb/s峰值速率。

除了Wi-Fi性能提升以外，最新的Wi-Fi技术标准的演进开始关注Wi-Fi在场景应用中的用户体验。Wi-Fi终端和AP采用的信道访问的机制一直是载波侦听(Carrier Sense multiple Access，CSMA)和冲突避免(Collision Avoidance，CA)的方式，但当在用户密集的场景中使用传统Wi-Fi接入的时候，这种竞争信道的机制就会造成很大的网络拥塞和延迟。IEEE制定的最新的802.11ax(即Wi-Fi6)在物理层支持正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)技术来改善密集用户接入的问题^[1]。除了OFDMA技术以外，802.11ax通过提升频谱效率、提供更好的抗干扰能力、优化信道访问等措施来提升整体的Wi-Fi性能，它的最大物理速率理论上能达到9.6 Gb/s。在2020年及后面几年802.11ax将是市场中主流的Wi-Fi技术。

随着每年大量的设备通过Wi-Fi接到路由器或家庭网关，并且高清视频、AR/VR等高带宽的快速应用，展望后面5年的Wi-Fi应用前景，IEEE任务组已经开始在Wi-Fi6的OFDMA多址接入机制及其他相关技术基础上继续寻找提升性能的手段，在工作频率、信道带宽、频带或信道聚合等物理层上深入研究可以挖掘拓展的能力，该标准被IEEE定为IEEE802.11be。虽然Wi-Fi联盟还没有定义Wi-Fi7的名称，但从IEEE标准的技术演进来看，802.11be很可能是新Wi-Fi7的候选者。

无线通信所使用的频谱是其技术发展最重要的物理资源，频宽扩展是提高性能的关键手段。传统Wi-Fi所使用的2.4 GHz和5 GHz上的信道已经非常拥挤，为了能够支持Wi-Fi6的下一代版本及Wi-Fi 802.11be新标准的演进，根据最新的报告，北美将在2020年首先开放6 GHz的免授权频段，同时欧洲也在商议开放6 GHz的计划。6 GHz的引入不仅是频段的变化，也需要在Wi-Fi标准中有新的数据链路层的调整来适配6 GHz的频段扫描、信道选取等功能。

本文就Wi-Fi6之后的新Wi-Fi标准的技术演进趋势进行介绍和分析，以及6 GHz免授权工作的进展和相关Wi-Fi功能影响。

1 IEEE 802.11be的新技术

IEEE在2018年5月与7月，及2019年5月相继成立了兴趣组TIG(Top Interest Group)、学习组SG(Study Group)以及工作组TG(Task Group)，目的是为了制定新的高性能的Wi-Fi标准，即IEEE 802.11be Extreme High Throughput(EHT)^[2]。

802.11be的初始目标是支持最大30 Gb/s的吞吐量，比802.11ax的速率还要高4倍，频率范围从1 GHz到7.250 GHz，包括2.4 GHz、5 GHz及新的6 GHz未授权频段，但仍将与已有的支持各标准的802.11设备兼容。关于802.11be的关键技术的讨论内容参考表1^[3-4]，它们是目前活跃的重要技术话题，预计在2021年将发布802.11be的版本草稿。

提高无线传输性能首先是从物理层的工作频率、频段或信道的宽度及工作方式、发送及接收的天线空口方式等方面进行讨论。以Wi-Fi技术为例，影响数据传输的吞吐量的因素主要包含了OFDMA的子载波数量、子载波传输的比特数、编码速率、空间流个数、帧间隔及每次传输物理帧所需时间。

支持新的6 GHz工作频率可以扩大频段带宽，能有效增加OFDMA的子载波数量；对信道或频段进行聚合绑定，支持频段或信道的全双工收发，能提高数据传输的效率和吞吐量；扩展多输入多输出(MU-MIMO)的空间流数量，可以支持更多的同时进行传输的通道。这些物理层的扩展在标准定义过程中可以较早形成共识，因为它们能够直接提高有效的数据传输速率，是否能进入最后的标准规范在于芯片厂家需要评估硬件的成本和可行性。

对于涉及数据链路层改变的多AP接入协作以及混合自动重传请求，因为技术方案较复杂，对性能的提升程度需要详细评估，目前无法确定在标准讨论过程中将会如何做技术方案选择或权衡。本文先就这两者技术的基本方案和研究方向进行介绍。另外，全双工收发的可行性研究在IEEE的兴趣组（TIG）已有初步的报告，在下面介绍中也包含在内。

1.1 多AP协作的机制

对于将来有更密集的多个Wi-Fi AP部署场景，AP相互之间无线信号重叠是典型的数据传输特征，除了尽可能减少相互干扰以外，如果能充分利用相邻的AP进行协作，则能最大化利用有限的时频域及空口资源，提高在多AP环境下的数据转发的系统效率和性能。在802.11be的技术讨论中，包含了OFDMA协作、空口协作、分布式MIMO协作三种方式^[2]，如图1所示。

(1)OFDMA协作(Coordinated OFDMA)

多个AP相互之间对正交的频域资源进行同步，可以减少AP相互之间竞争窗口的冲突。这种方式尽可能使不同的AP最大化利用数据所发送的信道资源，对于优化短数据包的延时非常有帮助。在802.11ax的OFDMA多址接入的技术基础上，不同的AP通过协商可以分别使用不同的频域资源RU(Resource Unit)同时进行数据传送。这种OFDMA协作是多AP协作机制中较简单的方式。

(2)空口协作

空口协作，称为零点指向协作(Coordinated Null Steering)，或波束赋形协作(Coordinated Beamforming)，协作的前提是AP有多对天线，多个AP在同一时刻利用空口复用技术向不同终端设备提供波束赋形的增益，同时AP向非关联的设备提供空口信号辐射的零点指向，这种方式有效利用空口资源来进行数据传送。具体实现是需要在多个AP之间通过消息进行协作，并且AP要从非关联的设备那里获得信道状态信息(Channel State Information)，然后根据辐射零点来调整天线方向。

(3)分布式MIMO协作(Distributed-MIMO，D-MIMO)^[5]

这是多AP协作中比较复杂的机制，通过把相邻的AP从干扰源变成数据传输的协作方，AP之间可以通过波束赋型的方式拓展空口复用和增加数据传输的覆盖范围。D-MIMO机制需要优化原先的冲突避让机制（CSMA/CA），使得多AP在信号重叠的区域能改进信道访问的处理方式。在具体实现中，可能需要建立主AP和从AP的架构，主AP协调频域资源及控制管理帧的传送等方式，从而实现多AP相互协作和数据传输。

1.2 混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat Request，Hybrid ARQ)

HARQ机制在蜂窝通信中已经采用，在Wi-Fi5和Wi-Fi6中也曾被讨论过，但还没有在802.11标准中被应用。目前802.11支持数据包的重传机制，当MAC层的数据单元(MPDU)没有被接收方正确解析的时候，或者发送方没有收到接收方的确认消息，发送方就会重新发送相同的数据包；对于当前解析失败的数据报文，接收方不会缓存，将直接抛弃。而在HARQ机制中^[6]，接收方保存上一个失败的报文，在处理后面重传过来的报文的时候将组合在一起检查是否能进行解析，从而提高链路层传输的可靠性和减少延时。在理想的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise)情况下，HARQ与ARQ相比，在信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)上提升了约4 dB^[2]。但在实际的干扰情况下能提升多少性能还需要进一步的分析。

另外，支持HARQ机制，需要预留内存来存储前面发送的数据帧，预留多少内存能有效提高链路性能是需要研究的。同时这种对失败的数据帧进行组合解析也增加了对系统处理能力的要求和复杂程度。能否在802.11be标准中采纳这个技术需要分析和讨论。链路重传请求机制如图2所示。

1.3 新的Wi-Fi全双工模式

Wi-Fi的全双工模式(Full Duplex)指的是利用相同的时域和频域资源同时进行数据的发送和接收。全双工模式可以充分利用信道资源，从而大幅度提高系统处理容量和数据传输性能，并能够减少业务数据传输的往返时延。根据终端处理数据的能力，Wi-Fi全双工模式可以分为异步全双工和同步全双工。参考图3，异步全双工是在终端只能支持半双工模式的情况下，AP可以在接收一个终端数据的时候同时向另一个终端发送数据；而同步全双工是指AP与终端之间可以相互同时发送和接收数据。

全双工模式的支持需要802.11的物理层和MAC层的修改和适配^[7]。例如，物理层中将增加全双工的前导码(Preamble)，或者定义新的全双工下的训练帧(Training Frame)，用于全双工模式下AP与终端之间对工作模式的协商和确认；需要定义新的全双工模式下的初始化过程，例如AP通知终端开始进入全双工模式或退出全双工模式等；异步全双工模式包含多个终端同时与AP进行通信，终端之间的相互干扰将影响终端与AP之间的正常数据传送，所以需要定义相应的物理层和MAC层上的检测规程来减少这种干扰。

802.11be的兴趣组(TIG)在2018年12月完成了Wi-Fi全双工模式的初步可行性分析^[7]，结论是在802.11标准修改较小的情况下，全双工模式可以提高数据传输的吞吐量，减少延迟和传输冲突，在较密集终端连接的场景下能减少隐藏节点的影响等，所以全双工模式也是802.11be的候选技术方案之一。

1.4 IEEE 802.11be的初步的时间规划

根据前期会议关于时间表的讨论，预计在2020年9月完成新功能的选取和定义，在2021年5月有规范草稿，然后在2023年11月最终完成标准定义，接着是Wi-Fi联盟认证标准的制定和厂家产品的认证测试过程。支持802.11be的商业化设备预计在2024年推向市场^[2]。IEEE 802.11be的初步时间表如图4所示。

2 新的6 GHz免授权频段的支持

目前Wi-Fi使用的是2.4 GHz和5 GHz，北美和欧洲正在议定向下一代Wi-Fi设备开放未经授权的6 GHz频段，即北美可以拓展使用5 925 MHz与7 125 MHz之间的频段范围，共有1 200 MHz，而欧洲可以拓展使用5 925 MHz与6 425 MHz之间的频段范围，共有500 MHz。如图5所示。

2018年美国联邦通信委员会(FCC)投票决定了6 GHz拓展到Wi-Fi设备的规划。从时间来看，支持802.11ax Wave2的产品可能在2020年下半年在北美首先支持6 GHz。而欧洲预计在2020年可能提供对6 GHz频段的可行性研究。

如图5中的频谱图所示，支持6 GHz的工作频率，可以使下一代Wi-Fi设备具有更宽的频率范围和更多的信道来传输数据，从而提升了整体的Wi-Fi传输性能，这是802.11be把6 GHz看作是基本的规格要求的原因，同时Wi-Fi6也把6 GHz的支持作为下一阶段演进的计划。

支持6 GHz的Wi-Fi6或802.11be设备可以缺省就支持3频段(2.4 GHz频段，5 GHz频段频以及6 GHz频段)，对于目前Wi-Fi联盟定义的组网标准(EasyMesh)的推广有着非常重要的帮助。通常家庭设备支持双频段(2.4 GHz和5 GHz)，在组网的时候一个频段必须用于AP与AP之间的传输通道，同时这个频段与另一个频段用于Wi-Fi终端的连接。AP与AP之间的传输通道要保证较高的带宽和优先级，但这种双频段组网方式影响了家庭中Wi-Fi终端所能利用的Wi-Fi连接资源。而如果支持3频段的新Wi-Fi设备，就可以使用具备更大带宽的6 GHz专门用于AP与AP之间的连接，不仅增强了AP之间的组网通道，也让家庭终端有更多的Wi-Fi连接的资源。

Wi-Fi标准要支持新的6 GHz频段，就要拓展原来的频段发现、优化信道扫描等功能，相关的MAC消息也要随之更新。下面是其中两个基本功能^[1]：

(1)快速被动扫描

工作在6 GHz的AP可以周期性地主动广播探测响应(Unsolicited Probe Response)，这样Wi-Fi终端不用在6 GHz发送探测消息的请求就可以主动发现工作在6 GHz的AP，从而可以减少终端发送探测消息的数量。

(2)6 GHz BSS的带外发现机制

支持6 GHz就意味着AP或者STA有更多的信道要扫描，从而使得扫描时间变长。对于新的支持6 GHz的标准来说，需要有机制来优化扫描方式。对于在无线网络环境下同时工作在2.4 G/5 GHz频段和6 GHz频段的AP，需要在Beacon消息和探测响应消息中包含RNR(Reduced Neighbor Report)字段。RNR字段中包含了6 GHz频段以上的BSS信息，例如SSID/BSSID信息、工作频道及带宽信息，这样可以在扫描的时候就选择需要的BSS及相关信道，减少平均扫描时间。

3 结束语

从目前最新的市场反馈来看，支持Wi-Fi6的路由器和终端数量在2020年将迅速上升，Wi-Fi6标准在较短的时间内就会成为市场主流的Wi-Fi技术。但Wi-Fi6的数据传输速率并没有比Wi-Fi5(802.11ac)提升很多。对于日益增长的AR/VR、视频应用等业务，Wi-Fi的性能需要有新的技术支撑推动标准的升级换代。

本文介绍的802.11be很有可能是下一代Wi-Fi7的候选，它在物理层和数据链路层的关键技术的演进决定了802.11be所能达到的性能指标。虽然目前还在技术标准讨论的前期，并且还有很多研究工作或者可行性评估需要去完成，需要国内国外研究机构或IEEE成员提供方案讨论，但已经可以看到新的技术将带来的Wi-Fi重大性能变化的前景。另外免授权的6 GHz的频谱资源的应用，将给下一个版本的Wi-Fi6以及802.11be都带来非常重要的性能提升，也是中国将来免许可频率管理计划的参考。

参考文献

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[2] LOPEZ-PEREZ D，GARCIA-RODRIGUEZ A，GALATIGIO-RDANO L，et al.IEEE 802.11be extremely high throughput:the next generation of Wi-Fi technology beyond 802.11ax[J].IEEE Communications Magazine，2019，57(9)：113-119.

[3] CARIOU L.802.11 EHT proposed PAR(IEEE 802.11-18/1231r6)[Z].2019.

[4] CHEN X，et al.Discussions on the PHY features for EHT(IEEE 802.11-18/1461r0)[Z].2018.

[5] LOPEZ-PEREZ D，et al.Distributed MU-MIMO architecture design considerations(IEEE 802.11-18/1190r0)[Z].2019.

[6] VERMA S，et al.HARQ Gain Studies(IEEE 802.11-18/2031r0)[Z].2018.

[7] XIN Y，et al.Technical report on full duplex for 802.11(IEEE 802.11-18/0498r6)[Z].2018.

作者信息:

成 刚，杨志杰

(上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海200127)