WiFi 8，最新进展！

您无需精通技术即可了解 Wi-Fi。Wi-Fi 技术的设备数量是人口数量的两倍，承载着全球三分之二的移动流量，支撑着我们的数字经济。从社会、经济和安全的角度来看，这一代人不会轻易忘记，在没有 Wi-Fi 的情况下经历新冠疫情封锁意味着什么。即使现在再次可以外出旅行，我们中的许多人在抵达后第一件事就是获取 Wi-Fi 密码，因为这通常是订餐和向家里发送新闻的方式。

自上世纪九十年代末推出以来，Wi-Fi 已经取得了长足的进步。欣赏该技术改进的最简单方法是阅读商用 Wi-Fi 接入点 (AP：access point) 盒上的峰值数据速率规格。这些速率在两年半的时间里增长了大约四个数量级，从最初 802.11 标准的仅仅 1 Mbps 到最新 802.11be 产品（别名 Wi Fi 7）的近 30 Gbps。早在 2024 年，这一巨大飞跃让 Wi-Fi 超越了电子邮件和网页浏览，逐渐征服了拥挤的联合办公空间、机场，甚至赢得了许多父母的心，他们现在可以与孩子进行视频通话，而无需担心电话费。但我们中有多少人至少抱怨过一次 Wi-Fi 在我们最需要的时候却无法使用呢？对于任何旨在负担得起、普及且在免许可频段运行、受到不受控制干扰的技术来说，不可靠性将是其致命弱点，Wi-Fi 也不例外。

虽然只需要耐心来处理缓冲视频或在语音通话中重复我们的最后一句话，但新用户（机器）将无法容忍缺乏 Wi-Fi 可靠性。在未来的制造环境中，机器人、传感器和工业机械之间的 Gbps 通信将在数据传输和最大延迟方面要求至少三个（但有时更多）“9”的可靠性。请放心，对于涉及人类的用例，这些要求不会变得更宽松。我们中的许多人甚至可能不想考虑在不可靠的 Wi-Fi 连接下进行机器人辅助手术。但即使只是对于全息通信（即将到来的 Metaverse 的关键组成部分），仅 0.01% 的数据包经历的过度延迟也可能会引发恶心和用户痛苦。随着工业自动化、数字孪生和远程呈现的发展，下一代 Wi-Fi 势必会走出舒适区，将可靠性作为首要任务，从而承担起更具挑战性的任务。

在本文中，我们踏上了迈向 802.11 bn超高可靠性 (UHR:Ultra High Reliability ) 的旅程，这一修正案将构成 Wi-Fi 8 的基础。在介绍了推动 Wi-Fi 进一步发展的新兴应用之后，我们审查当前在标准化、认证和频谱分配方面的活动，并提供 UHR 研究组主要成果的摘要。随着研究社区转向瞄准新的用例和要求，我们介绍了 Wi-Fi 8 可能带来的一些新功能及其相关的研究挑战。在这些功能中，我们强调多 AP 协调框架(multi-AP coordination framework)是 Wi-Fi 游戏规则的改变者，可提高频谱利用效率并接近性能决定论。我们还展示了新颖的结果，展示了如何在 802.11be 多链路操作 (MLO:multi-link operation ) 的基础上实现此类颠覆性增强功能，以最大限度地发挥其影响，使 Wi-Fi 8 及其超可靠性目标更进一步。

随着 Wi-Fi 的不断发展，新的用例和应用不断涌现，它们不仅需要 Wi-Fi 7 所目标的更高的吞吐量和更少的延迟，而且还需要更高的可靠性。在本节中，我们将探讨 Wi-Fi 8 的一些新兴用例，以及影响其发展的标准化和监管活动。

预计 2030 年及以后室内连接的关键用例包括以下内容：

沉浸式通信：从增强/虚拟现实 (AR/VR) 眼镜转向全息远程呈现;

用于制造的数字孪生：在复杂系统或环境的数字表示与其现实世界对应物之间建立虚拟连接;

全民电子医疗：在缺乏医生和基础设施的地区提供远程医疗手术;

协作移动机器人：需要确定性通信来处理关键运动控制信息;

表 I 量化了上述用例的性能要求。为了满足这些延迟和可靠性要求，Wi-Fi 正在考虑进行范式转变，引入更多的性能确定性。这不是一件容易的事，因为与在许可频段运行的 5G 等 3GPP 技术不同，Wi-Fi 在非许可频段运行，容易受到信道访问争用和不受控制的干扰。为了应对未授权频谱中的不协调使用，而不是优先考虑确定性，Wi-Fi 的介质访问控制 (MAC:medium access control) 最初是根据具有冲突避免功能的载波侦听多路访问 (CSMA/CA:carrier sense multiple access with collision avoidance) 设计的。Wi-Fi 8 继承了这一传统，旨在通过协调和更有效地利用可用频谱来追求确定性。

IEEE 802.11 实时应用 (RTA：Real Time Applications) 主题兴趣小组 (TIG:Topic Interest Group)：早在 2019 年，RTA-TIG 就提供了一系列建议和指南，以支持未来 Wi-Fi 网络的低延迟和可靠性。这些建议已在 Wi-Fi 7 开发（例如 MLO）中得到考虑，但它们也影响着 Wi-Fi 8 的可靠性工作，例如通过时间敏感网络 (TSN:time-sensitive networking) 集成。

IEEE 802.11 AI/ML 主题兴趣小组 (TIG)：成立的目的是探索人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 直接在 Wi-Fi 协议中的应用。其目的是讨论相关用例，以及基于现有机制和预期实施工作的技术可行性。其中包括使用神经网络的信道状态信息 (CSI:channel state information) 反馈压缩、AI/ML 辅助的增强型漫游、基于深度强化学习的信道访问以及 AI/ML 驱动的增强型多 AP 协调方案。

IEEE 802.11 集成毫米波研究组 (IMMW SG：Integrated mmWave Study Group)：为了确保 Wi-Fi 的长期发展，下一代高端设备也有可能在所有三个 7 GHz 以下频段以及毫米波领域运行。事实上，人们越来越有兴趣更好地利用几乎全球范围内的 60 GHz 频段中高达 14 GHz 的免许可频谱或中国 45 GHz 频段中的 5.5 GHz 频谱。60 GHz 频段目前由多种现有技术使用，例如卫星、射电天文学和 IEEE 802.11ad/ay (WiGig)。然而，WiGig 的市场采用仅限于利基应用，监管机构可能会考虑将 60 GHz 频段重新用于其他需要带宽的技术，例如 5G 和 6G。在此背景下，经过关于扩展 UHR 范围的初步讨论，决定创建一个专用的 IMMW SG，为开发新的 802.11 修正案奠定基础，利用现有 Wi-Fi 7 和未来的 PHY/MAC 功能适用于 7 GHz 以下频段的 Wi-Fi 8 无线电接口，包括信道化（channelization）和多链路框架（multi-link framework），用于动态操作额外的毫米波链路。

IEEE 8021.1bn UHR：图 1 总结了 IEEE 正在进行的 8021.1bn 标准化工作（底部）以及即将完成的 802.11be 修正案（顶部）及其综合主要功能。UHR 研究组 (SG：Study Group) 成立于 2022 年 7 月，旨在讨论并制定新的项目授权请求 (PAR：Project Authorization Request)，定义 802.11be 之外需要考虑的一组目标、频段和技术。由此产生的UHR任务组（TG：Task Group）于2023年11月成立，传统的单一版本标准化周期将持续到2028年。这项活动将定义未来Wi-Fi 8产品的协议功能，主要集中在以下这些方面相对于 802.11be 进行改进：

1. 根据 MAC 数据服务 AP 的测量，吞吐量增加了 25%；

2. 即使在具有移动性和重叠基本服务集 (OBSS：overlapping basic service sets ) 的场景中，也可将第 95 个百分点的延迟减少 25%，并将 MAC 协议数据单元 (MPDU：MAC Protocol Data Unit) 丢失减少 25%；

3. 改进AP的省电机制并增强直接的点对点数据交换；

正在研究影响未经许可频谱可靠性的三个主要关键方面：无缝连接（seamless connectivity）、确定性（determinism）和受控的最坏情况延迟（ controlled worst-case delay）。图 2 描述了每种方法的示例，并在接下来的三个部分中分别讨论了它们的主要机遇和挑战。

IEEE 802.11be 中引入的多链路架构提供了高度的灵活性，在上层（多链路层）和下层（链路层）MAC 功能之间呈现出清晰的划分，并且可以使用多链路设备 (MLD：multi-link device) 被视为控制两个或多个传统 AP（或 STA）的实体，每个 AP 在单个链路上运行并位于同一硬件上。这种多链路框架已经允许多链路站以最小的信令开销和延迟来切换链路，隐式地在同一MLD实体的控制下实现AP之间的无缝转换，从而允许先通后断路径切换。

机会：为了改善移动性支持，Wi-Fi 不可靠的主要来源之一，802.11bn有可能将刚刚描述的多链路架构扩展到分布式框架，其中同一 MLD 实体控制下的 AP 不必要的必须位于相同的物理硬件上。这种方法创建了一个分布式虚拟单元，通过从不同的分布式 AP 同时激活多个链路，可以无缝地处理设备的移动性，从而确保游牧设备始终连接到至少一个链路，有效地将本地漫游支持嵌入到802.11bn用户中，并显著提高了连接的可靠性。

技术挑战：要在802.11bn中实现分布式多链路操作，需要解决几个关键方面：首先，分布式MLO方法需要在同一控制多链路实例下不同分布式AP之间的协调和通信；此外，考虑到当前的 802.11be 规范仅保证同一物理设备内激活的链路具有不同的标识符，不同的链路将需要唯一的寻址。

可能的实现：不同分布式AP之间的协调可以按照不同的方法来实现：一种选择是定义一个移动域，其中 AP（无论是否位于同一位置）都可以隶属于扩展的 MLD 实体；另一种可能的选择是考虑一种新颖的总体逻辑实体，该实体将在位于两个或多个 802.11be AP MLD 中的链路之间提供无缝漫游；此外，802.11bn分布式MLD架构应在协调实体（例如MLD上层MAC）和协调AP（例如MLD下层MAC）之间定义新颖、可靠且足够通用的接口，以允许使用有线和无线网络。同时，无线通信要确保不同供应商提供的实现之间的互操作性。

考虑流量特征（traffic characteristics）对于设计低延迟机制至关重要。虽然希望通过利用现有解决方案以可预测的到达模式来处理流量，但在适应意外的、事件驱动的、时间敏感的流量时，挑战会加剧。

机会：当意外的高优先级数据包到达设备时，可能会遇到两个主要的延迟来源：另一个正在进行的传输的剩余时间以及其自身传输的后续信道争用过程。IEEE 8021.1bn 可以通过以下方式解决这两方面问题：(i) 使用附加优先级类别和相关信道接入参数扩展增强型分布式信道接入 (EDCA：enhanced distributed channel access )，例如backoff;；(ii) 通过引入资源单元（RU：resource unit）预留和启用抢占来扩展 OFDMA 实施；(iii)当主信道被其他传输占用时，利用辅助信道中的信道接入机会。

提议的机制：针对后两个机会，802.11bn正在考虑引入两项 MAC 增强功能：资源预留（Resource Reservation）和信道抢占（Channel Preemption ）可能会为所有传输中的低延迟流量预留较小的 RU。

与预填充（pre-padding）相结合，这将使节点能够通过将传入的低延迟数据包分配给保留的 RU 来及时提供服务。然而，为了避免所有传输中的 RU 浪费，只要支持抢占，该 RU 也可以用于实际数据的传输（参见图 2，第二个示例）。值得注意的是，这种方法不会强行改变接收器设计，但它确实需要设计多维 PPDU 帧。

然而，如果旨在传输时间敏感帧（time-sensitive frame）的设备不是传输机会 (TXOP：the transmission opportunity) 持有者（holder），则有效的抢占机制（preemption mechanisms）必须利用传输的 PPDU 之间的短帧间间隔（short interframe spaces）来抢占信道（ seize the channel）。

此外，辅助信道接入（SCA：Secondary Channel Access）可以通过消除对主信道的依赖并更好地仅利用空闲辅助信道上的传输机会来扩展802.11be中的前导码打孔功能（preamble puncturing functionalities）。SCA 的引入预计将在中高负载场景中带来性能提升，而不会带来过多的复杂性。

随机接入过程（Random access procedures）使得在 Wi-Fi 中提供性能保证变得困难，这就是为什么在 802.11be 中引入 R-TWT，通过调度协调服务周期（scheduling coordinated service periods）来减少基本服务集 (BSS：basic service set ) 内的争用。然而，即使 AP 属于同一管理域，BSS 间的交互仍然受到竞争原则（contention principles）的约束，这使得最坏情况下的延迟难以预测。Wi-Fi 8 有望通过引入多 AP 协调来解决这个问题（ MAPC：multi AP coordination）以实现更高的可靠性并防止信道访问争用，特别是在密集和重负载的环境中。

信道状态信息获取（Channel state information acquisition）：多AP协调机制的实现依赖于OBSS CSI，即估计非关联相邻设备的信道（on estimating the channel for non-associated neighboring devices）。某个BSS AP可以通过指示OBSS中STA和AP的ID的触发帧（trigger frame）来发起OBSS信道探测过程。OBSS AP 随后传输用于探测的控制帧（control frames，例如 NDPA 和 NDP）。然后OBSS STA通过将测量的信道信息反馈给BSS AP和OBSS AP来做出响应。该过程可以执行多次以从多个OBSS获取信道状态信息。

利用此类信息对于管理频率资源、调整发射功率或设计特定的波束成形方法以避免 OBSS 干扰至关重要。如下文所述，每种不同的 AP 协调方案可能需要不同数量的信道状态信息（例如，整体信号强度与每个天线的小规模衰落估计），并且周期非常不同。由于产生的管理费用可能会抵消性能增益，因此有效的 CSI 获取对于其中一些方案将成为WiFi 8至关重要的一部分。

协议升级（Protocol upgrades）：新的帧（New frames）对于发现和管理multi-AP组、在 AP 之间共享信道和缓冲区状态数据以及触发协调的多 AP 传输以最大限度地减少 BSS 间冲突并实现更高效和动态的频谱使用而言是必需的。Wi-Fi 8 中的 AP 协调方案预计将利用无线和有线信号。这些方案的范围从基本到高级，具体取决于接入点之间必须交换的数据量及其实现复杂性。虽然标准将规定协调机制的哪些方面以及哪些方面将留待实施仍有待决定，但主要方案可能包括本节其余部分中描述的一些方案。

这是分别利用时域和频域的两种基本方法。在C-TDMA中，TXOP被划分为slots并且顺序地分配给不同的AP。在C-OFDMA中，频带的不同部分被分配给不同的AP。

例如，利用 C-OFDMA，获得 TXOP 的 AP 能够与一组相邻 AP 共享其频率资源。目前正在讨论要采用的最小资源单元，较小的单元 (20 MHz) 比较大的单元 (80 MHz) 提供更大的灵活性和调度增益，但也可能需要 PHY 格式更改。

一方面，C-OFDMA可以通过减少信道争用来实现延迟降低。另一方面，共享AP面临计算负担和开销，因为它必须首先请求相邻AP报告其信道和缓冲区状态，然后相应地调度和分配资源。

在协调空间复用 (C-SR：coordinated spatial reuse ) 中，AP 协同控制其发射功率，允许并发传输，从而提高总区域吞吐量。

机会：这种结合了合作的方法代表了对现在的 802.11ax 空间复用的升级，其中一个 AP 以最大功率进行传输，而所有其他 AP 必须相应地降低其功率，有时降低到不能产生SINR（signal-to-interference plus-noise ratio）。相反，协调 AP 之间的发射功率可以保证所有接收 STA 具有足够的 SINR，并创造额外的空间复用（extra spatial reuse ）机会。此外，与 C-TDMA/OFDMA 不同的是，C-SR 允许在相同的时间/频率资源上并行传输，从而有可能实现更高的吞吐量并减少排队延迟。

技术挑战：C-SR 需要测量干扰链路的接收信号强度信息 (RSSIreceive signal strength information )，以便计算适当的发射功率。然而，由于 RSSI 相对静态，因此可以通过信标测量来获取此类信息，仅产生有限的开销。在 RSSI（以及发射功率）的计算中考虑波束成形可能会产生更好的性能，但也会增加复杂性和开销。

可能的实现：在测量阶段，共享 AP 可以请求 BSS 内的 STA 测量并报告来自其他 AP 的 RSSI。一旦共享 AP 获得对 TXOP 的访问权限，它就会从其他 AP 收集信息，包括这些 AP 打算向哪些 STA 发送数据以及它们的目标 SINR。基于此知识，共享 AP 可以计算其他每个 AP 的适当发射功率。然后，该信息与共享 AP 的发射功率一起通过触发帧进行传送，从而允许其他 AP 设置其最佳调制和编码方案。

联合传输 (JT：Joint transmission) 是一种先进的方法，也称为分布式 MIMO，它利用空间域并涉及非共址 AP，这些 AP 联合向/从多个 STA 发送/接收数据。

机会：值得注意的是，JT 将邻近的接入点从潜在的干扰者转变为服务器。这种方法有可能同时实现高吞吐量和低延迟，因为可以在不牺牲空间流数量的情况下抑制干扰。

技术挑战：JT 的成功可能取决于设计新的分布式 CSMA/CA 协议并确保协作 AP 之间在时间、频率和相位上的紧密同步。而且，该功能要求所有涉及的AP共享要传输的数据。为了限制随之而来的开销并防止排队延迟不必要的增加，联合传输可能需要带外回程链路来连接 AP，例如 10 Gbps 以太网电缆。

可能的实现：某个AP（AP1）与另一个AP（AP2）交换协调请求/响应，以决定是否应该开始协调以及联合发送哪些数据包。然后，AP1 例如通过有线回程向 AP2 发送协调集以开始数据共享。一旦数据共享完成，AP1向AP2发送协调触发以开始协调传输，最后两个AP都收到来自接收STA的块确认。限制数据共享带来的开销的可能解决方案可以是：(i) 尽可能提前完成数据共享，而不是在传输之前；(ii)在有线数据共享期间向其他STA进行无线分组传输以提高效率。

协调波束成形 (CBF：Coordinated Beamforming) 也利用空间域，是一种协作 AP 抑制传入 OBSS 干扰的方法（参见图 2，第三个示例）。

机会：借助 CBF，下一代多天线 AP 不仅可以利用其空间自由度（spatial degrees of freedom）来复用其自己的 STA，还可以将辐射零点（radiation nulls）置于邻近非关联 STA 的位置。这种方法使 AP 及其相邻 STA 相互不可见，从而避免了信道访问争用，允许以全功率进行传输，并可能作为副产品改善最坏情况下的延迟。

技术挑战：与 JT 不同，CBF 不需要联合数据处理，因为每个 STA 向/从单个 AP 发送/接收数据，因此不会产生数据共享开销并消除带外回程需求（band backhauling needs）。然而，在定义 CSI 获取框架时应仔细考虑开销的影响。随着天线阵列规模的预计增长，802.11bn 应该比较更准确的显式程序（自然会带来更高的开销）与以牺牲准确性为代价的隐式程序的好处以减少开销。此外，由于空间自由度受到天线阵列大小的限制，因此应在承载数据的空间流、波束成形增益和调零精度之间找到适当的权衡，以及在每个新创建的空间复用机会期间进行机会性用户调度 。

可能的实施：CBF 可能需要设计以下关键阶段：

1. 两个或多个协作AP 之间的控制帧交换，用于建立和维护协调集。

2. CSI 获取阶段，用于AP 与OBSS STA 通信并配置空间域干扰抑制。后者修改了用于空间复用的传统滤波器，例如迫零 (ZF：zero forcing) 或最小均方误差 (MMSE：minimum mean square error) 预编码器，通过在特定信道方向上施加零值（旨在针对某个 STA 实现完全零值）或子空间（ 旨在对多个 STA 进行部分归零）。

3. 基于动态零点引导的空间复用的框架，其中donor AP通过传达其所服务的STA和对应的干扰抑制条件来向OBSS AP授予传输机会，即OBSS AP向所服务的STA放置零点的义务 由donor AP提供。

虽然 CBF 的实现复杂性低于 JT，但它可以避免信道争用，并且在适当的情况下，可以大幅减少最坏情况下的延迟。尽管CBF的潜力最近已在单链路操作中得到证明，但在下文中，我们对CBF与MLO配对时出现的性能权衡进行了初步评估，正如802.11bn中所设想的那样。

为了评估 MAPC（特别是 CBF）带来的潜在优势，我们考虑采用最先进的支持 Wi-Fi 7 MLO 的网络，该网络由两个重叠的 BSS 组成，类似于图 2 中最右侧的场景。每个 BSS 包括一个配备有四个天线的 AP 和一个配备有两个天线的关联 STA。两个 BSS 支持多无线电 MLO (EMLMR)，在 6 GHz 频段中的相同两条 160 MHz 链路上运行，并实现 CBF。每个 AP 向其各自的 STA 发送两个空间流，并在启用 CBF 时使用其剩余的两个空间自由度创建朝向其他 BSS 的辐射零点。每个接入点上的 2 Gbps 流量流处于活动状态，对应于每秒 120 帧的全息视频流，每个开/关活动周期为 4.15 毫秒。所有延迟值仅指 AP-STA 延迟，未实现其他 Wi-Fi 7 和潜在的 Wi-Fi 8 功能来隔离和突出 CBF 提供的增益。我们使用可变开销（variable overheads）和归零精度（nulling accuracy）来评估 CBF 性能，以对 CSI 获取信令及其老化的影响进行建模。采用与本文相同的模拟器，生成的数据包数量超过1650万，表 II 报告了全套模拟参数。

如图 3 所示，与独立 MLO（顶部）相比，将 MLO 与 CBF（底部）结合使用可以创造额外的重用机会并减少延迟。然而，CBF 可实现的性能与零点放置（null placement）的准确性有关。图 4 展示了当干扰抑制精度从 10 dB 增加到 30 dB（不同颜色）以及 CSI 采集开销从 0（不透明）增加时，将 MLO 与 CBF 相结合获得的中值、99%-tile 和 99.9999%-tile 延迟值。) 至 1 ms（半透明）和 2 ms（透明）。

为了进行比较，还显示了独立 MLO 的相应性能。结果表明，当节点与独立 MLO 竞争介质时，99.9999% 的延迟超过 100 ms。当以仅 10 dB 的零精度将 MLO 与 CBF 组合时，这种性能会恶化，因为由此产生的干扰增加以及调制和编码方案 (MCS：modulation and coding scheme) 降级（低至 16-QAM 3/4）抵消了更高空间复用的好处 。

然而，当零精度（null accuracy）增加到 20 dB 及以上时，趋势会逆转，因为所产生的 MCS 减少足以通过缺乏竞争来补偿。30 dB 或更高的精度可实现最高的 MCS (4096-QAM 5/6)，并将 99.9999%-tile 延迟降低近一个数量级。该图还表明 1 ms 和 2 ms 的 CSI 获取开销几乎可以超过 20 dB 的 CBF 调零能力（nulling capability）。

所呈现的结果表明，即使使用 4096-QAM 和 MLO 等 Wi-Fi 7 功能，在所有链路都表现出高竞争级别的密集场景中，满足低延迟要求和超高可靠性也可能具有挑战性。CBF 可以解决这个问题，并帮助 Wi-Fi 8 应对需要可靠的高吞吐量和低延迟的用例，例如未来的沉浸式全息通信。

在本文中，我们讨论了 Wi-Fi 社区为何以及如何押注802.11bn的超高可靠性。我们首先概述了即将推出的用例，并分享了标准化、认证和频谱监管的最新动态。然后，我们探讨了 Wi-Fi 8 可能带来的颠覆性创新，以满足以前在免授权频谱中无法满足的新要求。我们进一步提出了一种新颖的系统级研究，展示了 Wi-Fi 8 如何通过多链路操作和空间域多 AP 协调的联合互通实现超高可靠性。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第3655期内容，欢迎关注。

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