Wi-Fi 8关键技术综述

摘要：在现阶段大规模铺设FTTR的背景下，Wi-Fi在释放千兆级连接潜力方面发挥了至关重要的作用。随着Wi-Fi 7标准的完善，为满足新应用的需求，2023年底，IEEE TGbn任务组正式成立并开始制定Wi-Fi 8标准。本文从空域、时域、频域的Wi-Fi关键技术进化的角度导出Wi-Fi 8多AP协作关键技术，包括协作空间重用、协作波束赋形、协作正交频分多址、协作时分多址、协作受限目标唤醒时间等。Wi-Fi 7引入了多链路操作新技术，本文据此提出协作的多链路操作技术，从频率和空间两个维度破坏OBSS形成的空间和频域约束，解决OBSS干扰问题，从而提升整网吞吐。

关键字：Wi-Fi 8、OBSS干扰、多AP协作、多链路操作

1. 介绍

Wireless Fidelity（Wi-Fi）为无线局域网（wireless local area network，WLAN）代名词。Wi-Fi允许设备通过无线电波在局域网内进行通信技术。Wi-Fi基于IEEE 802.11标准，广泛应用于各种设备，如智能手机、平板、相机、电视、打印机、智能家居设备、笔记本电脑等。目前，超过90%的数据流量依赖固定网络承载，而其中90%以上的流量通过Wi-Fi传输[1]。

IEEE 802.11工作组主要负责对WLAN技术的媒体访问控制（media access control，MAC）层和物理（physical，PHY）层进行标准化。1997年，IEEE批准通过了802.11原始标准，这一代Wi-Fi也被称为Wi-Fi 1。2021年，TGax任务组发布了802.11ax-2021（Wi-Fi 6），采用基于基本服务集（basic service set，BSS）着色的空间重用，还采用目标唤醒时间（target wake time，TWT）[2]，子载波由312.5kHz调制至78.125kHz，最高支持1024QAM。2023年11月，TGbn任务组成立，开始制定IEEE 802.11bn标准。2024年底，TGbe任务组将发布802.11be-2024，支持多链路操作（multi-link operation，MLO），在广播TWT（broadcast TWT，bTWT）技术基础上扩展出严格TWT（restricted TWT，rTWT）技术，带宽扩展了320MHz，最高支持4096QAM。802.11be也就是我们常说的Wi-Fi 7[3-4]，主要新特性是MLO[5-6]。Wi-Fi 8 [7]主要包括IEEE 802.11bn标准。

2. Wi-Fi 8关键技术

为满足诸如元宇宙、增强现实和虚拟现实、工业互联网等新应用需求，TGbn开始制定802.11bn标准，也称超高可靠性增强（ultra High reliability，UHR）。802.11bn 项目授权请求（PAR）[8]定义了3个25%技术指标，以及802.11bn关注接入点（access point，AP）节能（power saving，PS）：在相同部署场景中，与现有IEEE 802.11标准相比，802.11bn应提高以平均功耗为衡量的AP（包括STA）功率效率。802.11bn PAR更关注协作，WLAN P2P通信与基础设施WLAN会对相同介质资源进行竞争，需相邻AP之间以及P2P网络之间更好地协作。

从技术进化来看，Wi-Fi 2至Wi-Fi 7的关键技术在码域、频域、空域将单AP可用资源利用接近极限。Wi-Fi 8将从单AP如何更多使用资源，过渡到多AP（multi-AP，MAP）如何高效利用资源，即多AP协作（MAP coordination，MAPC）技术。MAPC技术属于干扰协调技术，协调多个AP共同管控并降低彼此间的干扰，从而提升信号质量与整网吞吐（或网络的可靠性）。

在密集网络的MAP环境中，重叠基本服务集（overlapping basic bervice Set，OBSS）干扰会导致整网吞吐量显著下降或出现波动的状况。TGbn任务组期望通过解决OBSS干扰问题来提高吞吐量并降低时延。OBSS意味着在同一物理区域内（空域）的重叠或相同频率（频域）上同时（时域）存在多个BSS相互重叠的情形。MAPC技术通过打破 OBSS形成的条件来消除或者降低OBSS干扰问题。

其中，协作空间重用（coordinated spatial reuse，C-SR）在空域破坏OBSS干扰形成的条件，从而降低OBSS干扰。协作波束赋形（coordinated beamforming，C-BF）[9]在空域破坏OBSS干扰形成条件，从而消除OBSS干扰。协作正交频分多址（coordinated orthogonal frequency-division access，C-OFDMA）在频域破坏OBSS干扰形成条件，从而消除OBSS干扰。协作时分多址（coordinated time division multiple access，C-TDMA）和协作受限目标唤醒时间（coordinated restricted target wake time，C-rTWT）[10]在时域破坏OBSS干扰形成条件，从而消除OBSS干扰。C-rTWT用于保证低时延业务的可靠传输。协作多链路操作（coordinated MLO，C-MLO）在频域和空域同时破坏OBSS干扰形成条件，从而消除OBSS干扰。C-BF、C-MLO、C-OFDMA、C-TDMA、C-rTWT都可消除OBSS干扰，从而提升整网吞吐，而C-SR通过降低OBSS干扰提升整网吞吐。C-SR、C-BF、C-MLO使用空域资源，从而比其他协作技术具有更高的频谱效率。

MAPC常见的场景如图1所示，STA11、STA12、STA13与AP1关联，STA21、STA22、STA23与AP2关联，STA13和STA22处于交叠区。对于C-SR技术，AP1给处于交叠区的STA13发送数据，若AP2仍然以覆盖交叠区的功率发送数据，那么STA13将会受到严重OBSS干扰。C-SR技术在AP1与AP2协商发送的功率，假设协商结果：AP1仍以原来的功率发送数据给STA13，AP2以较低的功率发送数据给STA21（STA21距离AP2更远），此时STA13和STA21受到的OBSS干扰相对较小。相比于C-SR之间非功率控制的下行传输，C-SR让AP1和AP2同时下行传输，提升了整网吞吐。C-SR的关键在于协作调度，而协作调度的先决条件是协作信道测量。C-SR技术的关键研究点有C-SR流程设计、协作帧设计、协作调度测量设计、Sharing AP选择、协作集选择、Shared AP的MCS调整等。

C-BF技术，如图1所示，AP1和AP2分别发送数据给处于交叠区的STA13和STA22。此时，STA13和STA22处的接收信号分别为

（1）

（2）

其中，c1和c2分别表示AP1和AP2处的功率因子，H11表示AP1到STA13之间的数据信道，W1表示AP1的C-BF矩阵，x1表示AP1对应的发送信号，H21表示AP2到STA13的干扰信号，W2表示AP2的C-BF矩阵，x2表示AP2的发送信号，H22表示AP2到STA22的数据信道，H12表示AP1到STA22的干扰信道。

若通过C-BF能将（1）和（2）的干扰项I1 0（H21W2=0）和I2=0（H12W1=0）完成OBSS干扰消除，就能直接增加信噪比，提升系统性能。C-BF技术：针对STA13处的干扰，在AP2处设计W2让I1=0；针对STA22处的干扰，在AP1处设计W1让I2=0。C-BF研究热点为C-BF协作框架、OBSS CSI测量与获取、协作集同步、零陷波束设计等。在C-BF中，通常c1=1和c2=1；在C-SR中，通过降低功率因子c1或c2来降低接收信号中的OBSS干扰大小。可以看出，C-BF可以退化为C-SR。

C-OFMA技术，如图1所示，AP1和AP2分别发送数据给处于交叠区的STA13和STA22。C-OFDMA通过给AP1和AP2分配不重叠或不交叠的频率信道，让AP1（BSS1）和AP2（BSS2）运行在不同频率、实现频域正交传输，即多AP共享频率资源。

C-TDMA技术，如图1所示，AP1和AP2分别发送数据给处于交叠区的STA13和STA22。针对一次传输中共享时间资源，C-TDMA技术通过给BSS1和BSS2分配不同的时间段，从而实现多AP共享时间资源。C-TDMA技术研究热点为该协议的具体实现，包括MAC和PHY的实现方案。

C-rTWT技术，如图1所示，AP1和STA13之间交互低时延业务（假设处于rTWT时间），则AP2会干扰STA13的低时延业务。针对单BSS，802.11be采用rTWT技术，将整个服务周期分成多段，在某些特殊时间段内专门传输低时延业务数据。rTWT技术为这些特殊的时间段增加了静默时间等待窗口机制，为AP调度低时延业务提供了保护机制。但是，由于OBSS场景中AP之间rTWT 操作缺乏协作，rTWT的优势受到OBSS干扰的影响。C-rTWT将单个BSS中的rTWT扩展到OBSS中的rTWT，实现OBSS场景中对交叠区低时延业务的保护。

Wi-Fi 7引入了MLO，但是现有的协作技术尚未扩展到MLO。如图2所示，以AP MLD拥有两种相异的链路为例（更多链路同样适用），分别将其命名为A和B。针对AP MLD，C-MLD借由不同链路所覆盖的范围各异，比如AP MLD1的两个链路A和B借助功率控制各自覆盖的区域。相邻的AP MLD，相同的链路（或者频段或者频率）的覆盖区域不存在重叠，不同的链路（或者频段或者频率）的覆盖区域能够重叠以用于覆盖OBSS 区域。例如，AP MLD1的A覆盖区域和AP MLD2的A覆盖区域不重合；AP MLD1的B覆盖区域与AP MLD2的B覆盖区域不重合；AP MLD1的B覆盖区域与AP MLD2的A覆盖区域存在重叠，覆盖原本单链路AP的OBSS交叠区。通过MAP协作的形式达成相邻AP MLD之间的链路参数协商。C-MLO从频率和空间两个维度破坏OBSS形成的空间和频域约束，解决OBSS干扰问题，从而提升整网吞吐并降低波动。

Wi-Fi 8除了关注MAPC技术外，针对单BSS内的主要改进技术有非主信道接入NPCA、分布资源单元dRU、AP PS、预抢占（preemption）等。

结语

Wi-Fi 8将从AP如何更多使用资源，过渡到MAPC技术。本文对C-SR、C-BF、C-OFDMA、C-TDMA、C-rTWT等MAPC技术进行研究和分析。在此基础上提出了C-MLO技术，从频率和空间两个维度破坏OBSS形成的空间和频域约束，解决OBSS干扰问题，从而提升整网吞吐并降低波动。

参考文献：

[1]Dynamic Spectrum Alliance （DSA）.How do Europeans connect to the internet？[R/OL].[2024-11-14].https：//dynamicspectrumalliance.org/wp-content/uploads/2022/06/DSA-WhitePaper-How-do-Europeans-connect-to-the-Internet.pdf.

[2]赵春林.下一代WLAN中多链路关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2023.

[3]IEEE 802.11 Working Group.IEEE P802.11beTM/D7.0. Amendment 2： Enhancements for extremely high throughput （EHT）[S/OL].（2024-08-01）[2024-11-14].https：//www.ieee802.org/11/private/Draft_Standards/11be/Draft%20P802.11be_D7.0.pdf.

[4]陈桂茹.IEEE 802.11be多频段协作通信MAC协议设计[D].武汉：华中科技大学，2020.

[5]张凡.下一代短距通信网络中的多链路技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2022.

[6]López-Raventós A，Bellalta B.Multi-Link Operation in IEEE 802.11be WLANs[J].IEEE Wireless Communications，2022，29（4）：94-100.

[7]王果信，方旭明，何蓉.同步多链路Wi-Fi网络基于DDQN的资源分配和优化[J/OL].重庆邮电大学学报（自然科学版），1-10[2024-10-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1181.n.20240401.1723.006.html.

[8]IEEE 802.11 Working Group.UHR proposed PAR[R/OL]（2023-07-13）[2024-11-14].https：//mentor.ieee.org/802.11/dcn/23/11-23-0480-03-0uhr-uhr-proposed-par.pdf..

[9]Jung IS，ParkES，Lim DG，et al.Coordinated Beamforming for 11bn -Follow Up[R].（2024-9-10）[2024-11-14].https：//mentor.ieee.org/802.11/dcn/24/11-24-1515-01-00bn-coordinated-beamforming-for-11bn-follow-up.pptx.

[10]Gu XX，Quan YQ，Zhou L.R-TWT protection in 11bn[R/OL].（2023-12-20）[2024-11-14].https：//mentor.ieee.org/802.11/dcn/23/11-23-2212-01-00bn-r-twt-protection-in-11bn.pptx.

作者简介：车慧，博士研究生，工程师，xmutch@163.com，研究方向：Wi-Fi关键技术、毫米波通信、编码调制、超奈奎斯特传输。