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4. IEEE 802.11 无线局域网 (WLAN)

近年来, IEEE Std 802.11 标准的演进已经转向新的方向. 除了对速率做小幅改进之外, 它更加重视提升可靠性和降低延迟, 以支持工业 IoT 和 Virtual Reality (VR) 等新的应用领域.

基于 IEEE Std 802.11, Wi-Fi Alliance [WFA] 推出了 Wi-Fi 6, 7, 以及现在的 8, 提供更多能力来以高速率及时调度和交付帧. 不过, 与任何无线电技术一样, Wi-Fi 对帧丢失很敏感. 这种问题只能通过最大限度利用空间, 时间, 信道, 甚至技术层面的多样性来应对.

与此同时, 专注于 TSN 实时数据应用的 Avnu Alliance [Avnu] 成立了一个工作组, 利用 3GPP 和 IEEE Std 802.11 标准来研究无线场景中的 TSN 能力.

要实现后者, 可靠性必须由上层处理, 由该上层选择 Wi-Fi 以及其他有线或无线技术进行并行传输. 这正是 RAW 发挥作用的地方.

本节概述与 RAW 最相关的 IEEE 802.11 特性. 需要注意的是, 规范中还有大量其他特性, 其中一些也可能对 RAW 解决方案有价值. 例如, 帧分片可以降低非常短暂的传输丢失对延迟和能耗的影响.

4.1. 来源和文档 (Provenance and Documents)​

IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (SC) 通过开放且获认可的流程, 开发并维护用于局域网, 城域网和其他区域网络的网络标准与推荐实践, 并在全球范围内推广这些标准. 使用最广泛的标准覆盖 Ethernet, 桥接和虚拟桥接 LAN, Wireless LAN, Wireless Personal Area Network (PAN), Wireless MAN, 无线共存, Media Independent Handover Services, 以及 Wireless Radio Access Network (RAN). 每个领域都由一个独立工作组负责聚焦推进.

IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) 标准定义了 Wi-Fi 技术底层的 Medium Access Control (MAC) 和 Physical (PHY) layers. 早期 802.11 世代, 例如 802.11n 和 802.11ac, 主要关注提升峰值吞吐量. 较新的世代也开始考虑其他性能维度, 例如 IEEE Std 802.11ax [IEEE802.11ax] (2021 年批准) 中面向密集环境的效率增强, 以及 IEEE Std 802.11be [IEEE802.11be] (2024 年批准) 中针对吞吐量, 延迟和可靠性的增强.

IEEE Std 802.11-2012 支持基于 IEEE 802.1AS 且运行在 802.11 Timing Measurement protocol 之上的 TSN 时间同步. IEEE Std 802.11-2016 还包含 802.1AS operation over 802.11 for Fine Timing Measurement (FTM) 的扩展, 以及 Stream Reservation Protocol (IEEE 802.1Qat). 借助 IEEE Std 802.11-2020 中回填的 802.11ak 修订案所启用的增强, 802.11 WLAN 也可以成为 802.1Q bridged networks 的一部分. 802.11 还支持基于 802.1Q VLAN tags 的流量分类. 其他与介质无关的 802.1 TSN 能力, 例如 802.1Qbv 和 802.1CB, 已经可以在 802.11 上运行. IEEE Std 802.11ax-2021 (已经并入 IEEE Std 802.11-2024) 定义了额外调度能力, 可增强 802.11 MAC 中的及时性表现并实现更低的有界延迟. IEEE 802.11be 引入了一些特性, 以增强对 802.1 TSN 能力的支持, 尤其是与最坏情况延迟, 可靠性和可用性相关的能力.

IEEE 802.11 Working Group 多年来一直与 IEEE 802.1 Working Group 协作, 将部分 802.1 特性扩展到 802.11. 与任何无线介质一样, 802.11 会给 TSN 级 QoS 带来新的约束和限制. 因此, 必须考虑延迟和可靠性保证之间的权衡, 也必须考虑受管理部署的要求. [Cavalcanti_2019] 讨论了 802.1 TSN 能力及其扩展到 802.11 时面临挑战的概览.

Wi-Fi Alliance 是一个全球性公司网络, 通过思想领导力, 频谱倡导和全行业协作推动 Wi-Fi 在全球的采用和演进. WFA 的工作有助于确保 Wi-Fi 设备和网络能够向用户提供其所期望的互操作性, 安全性和可靠性.

Avnu Alliance 也是一个全球性行业论坛, 为支持 TSN 的设备开发跨多种介质的互操作性测试, 这些介质包括 Ethernet, Wi-Fi 和 5G.

以下 IEEE Std 802.11 规范/认证 [IEEE802.11] 与可靠且可用的无线服务以及对 TSN 能力的支持相关:

  • 时间同步: IEEE Std 802.11-2016 with IEEE Std 802.1AS; WFA TimeSync Certification

  • 拥塞控制: IEEE Std 802.11-2016 Admission Control; WFA Admission Control

  • 安全性: WFA Wi-Fi Protected Access, WPA2, and WPA3

  • 与 IEEE 802.1Q bridges 互操作: IEEE Std 802.11-2020 incorporating 802.11ak

  • Stream Reservation Protocol ([IEEE802.1Qat] 的一部分): IEEE802.11-2016

  • 调度式信道接入: IEEE 802.11ad enhancements for very high throughput in the 60 GHz band [IEEE802.11ad]

  • 802.11 Real-Time Applications: Topic Interest Group (TIG) ReportDoc [IEEE_doc_11-18-2009-06]

此外, IEEE 802.11 Working Group 正在开发的主要修订案包含一些能力, 可作为提供更可靠, 更可预测的无线连接以及支持时间敏感应用的基础:

  • [IEEE802.11ax]: Enhancements for High Efficiency (HE)

  • [IEEE802.11be]: Extreme High Throughput (EHT)

  • [IEEE802.11ay]: Enhanced throughput for operation in license-exempt bands above 45 GHz

本节剩余部分讨论 802.11ax, 802.11be, 802.11ad 和 802.11ay 的主要能力及其与 RAW 的相关性. 由于 P802.11bn 仍处于开发早期阶段, 本文档不包含其能力.

4.2. 802.11ax High Efficiency (HE)​

4.2.1. 一般特征 (General Characteristics)​

下一代 Wi-Fi (Wi-Fi 6) 基于 IEEE802.11ax 修订案 [IEEE802.11ax], 其中包含用于提升效率和控制能力, 并降低延迟的特定能力. 这些特性包括更高阶的 1024-QAM modulation, 对上行链路 (uplink, UL) Multi-User - Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) 的支持, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA), trigger-based access, 以及用于增强省电能力的 Target Wake Time (TWT). OFDMA mode 和 trigger-based access 使 Access Point (AP) 能够在通过 clear channel assessment procedure 为给定时长预留信道后, 调度多用户传输. 这是提升时间敏感流的延迟可预测性和可靠性所需的关键能力. 802.11ax 可以在最高 160 MHz 的信道中运行, 并支持在新的 6 GHz 频段运行. Federal Communications Commission (FCC) 以及全球其他监管机构已经开放该频段供非授权使用.

4.2.1.1. 多用户 OFDMA 和基于触发的调度式接入 (Multi-User OFDMA and Trigger-Based Scheduled Access)​

802.11ax 引入了一种 OFDMA mode, 在该模式中可以跨频域调度多个用户. 在这种模式下, Access Point (AP) 可以通过发送 trigger frame, 在同一个 PHY Protocol Data Unit (PPDU) 中发起多用户 UL 传输. 这种集中式调度能力让 AP 能够更强地控制其 Basic Service Set (BSS) 内的信道, 并且可以消除关联站点之间针对 UL 传输的争用. 因此, 它减少了同一 BSS 内站点之间基于 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) 接入所造成的随机性. AP 还可以使用 DL MU OFDMA PPDU, 在下行链路 (downlink, DL) 方向同时向多个用户传输. 为了使用 OFDMA mode 发起无争用的 Transmission Opportunity (TXOP), AP 仍然遵循典型的 listen-before-talk procedure 来获取介质, 从而确保互操作性并遵守非授权频段接入规则. 不过, 802.11ax 也包含 Multi-User Enhanced Distributed Channel Access (MU-EDCA) 能力, 允许 AP 获得高于其 BSS 中其他设备的信道接入优先级.

4.2.1.2. 通过 OFDMA 资源管理和资源单元分配实现流量隔离 (Traffic Isolation via OFDMA Resource Management and Resource Unit Allocation)​

802.11ax 依赖 OFDMA Resource Unit (RU) 的概念, 随时间将频率块分配给不同站点. RU 提供了一种方式, 允许多个站点同时开始并同时结束传输. 这是通过 padding 实现的, 即使用相同功率水平传输额外比特. 当前的 RU 分配算法提供了一种按站点实现流量隔离的方式. 虽然这本身并不支持 time-aware scheduling, 但它为可靠性提供了关键辅助, 因为它在共享介质中提供了流量隔离.

4.2.1.3. 改进的 PHY 鲁棒性 (Improved PHY Robustness)​

802.11ax PHY 可以使用 0.8, 1.6 或 3.2 microsecond Guard Interval (GI) 运行. 更大的 GI 选项可提供更好的 multipath 防护, 而 multipath 预计会成为工业环境中的挑战. OFDMA 所启用的更小 RU (例如 2 MHz) 运行能力, 也有助于降低噪声功率并改善 Signal-to-Noise Ratio (SNR), 从而带来更好的 Packet Error Rate (PER) 性能.

802.11ax 像 802.11ac 一样支持 beamforming, 但引入了有助于提升可靠性的 UL MU-MIMO. UL MU-MIMO 能力也由 802.11ax 中的 trigger-based access operation 启用.

4.2.1.4. 对 6 GHz 频段的支持 (Support for 6 GHz Band)​

802.11ax 规范 [IEEE802.11ax] 包含对 6 GHz 频段运行的支持. 鉴于可用的新频谱数量很大, 并且没有任何 legacy 802.11 device (802.11ax 之前的设备) 能够在该频段中运行, 802.11ax 在这一新频段中的运行可以更加高效.

4.2.2. 对确定性流的适用性 (Applicability to Deterministic Flows)​

IEEE 802.1 TSN 标准定义的 TSN 能力为 Local Area Network (LAN) 中支持确定性流提供了底层机制. IEEE 802.11 Working Group 已经纳入对绝对时间同步的支持, 以扩展 TSN 802.1AS protocol, 使时间敏感流在 802.11 links 上运行时能够获得精确时间同步. 由于 IEEE 802.11 和 IEEE 802.1 TSN 都基于 IEEE 802 架构, 802.11 devices 可以直接实现某些 TSN 能力, 无需网关/转换协议. 802.1Q LAN 运行所需的基本特性已经在 802.11 中启用. 一些 TSN 能力, 例如 802.1Qbv, 已经可以在现有的 802.11 MAC Service Access Point (SAP) [Sudhakaran2021] 上运行. [Fang_2021] 还描述了在标准 Ethernet 和 Wi-Fi devices 上扩展 TSN 能力 (802.1AS, 802.1Qbv 和 802.1CB) 的实现和实验结果. 尽管如此, 仍可以扩展 IEEE 802.11 MAC/PHY, 以改进 IEEE 802.1 TSN 特性的运行并获得更好的性能指标 [Cavalcanti1287].

802.11 上支持的 TSN 能力 (也扩展到 802.11ax) 包括:

  1. 基于 802.1AS 的时间同步 (也可以使用其他时间同步技术)

  2. 与 IEEE 802.1Q bridges 互操作

  3. 时间敏感流量流分类

上述现有 802.11 TSN 能力, 以及 802.11ax OFDMA 和 BSS 内由 AP 控制的接入, 提供了一组新的工具, 可更好地服务时间敏感流. 但是, 必须理解这些能力相关的权衡和约束, 以及可用于提供更可预测和更可靠性能的冗余与多样性机制.

4.2.2.1. 802.11 受管理网络运行和接纳控制 (802.11 Managed Network Operation and Admission Control)​

时间敏感应用和 TSN 标准预期在 managed network 中运行, 例如工业/企业网络. 这使 Wi-Fi 运行能够与 [IEEE802.1Qcc] 定义的整体 TSN 管理框架进行细致管理和集成.

在 [IEEE802.1Qcc] 定义的集中式管理模式下, 可以减少 legacy/unmanaged devices 所带来的部分随机接入延迟和干扰.

可以复用 [IEEE802.11] 的 QoS 机制中定义的现有 traffic stream identification, configuration 和 admission control procedures. 不过, 鉴于许多时间敏感应用要求高度确定性, 仍需要探索额外能力, 以在严格时间约束内管理干扰和 legacy devices.

4.2.2.2. 有界延迟和多样性调度 (Scheduling for Bounded Latency and Diversity)​

如前所述, [IEEE802.11ax] 中的 OFDMA mode 引入了在一个 PPDU 内向用户分配不同 RU (time/frequency resources) 的可能性. 规范定义了多种 RU 大小 (26, 52, 106, 242, 484 和 996 subcarriers). 此外, AP 还可以决定给定 OFMDA PPDU 内的 Modulation and Coding Scheme (MCS) 以及用户分组. 这种灵活性可用于支持具有有界延迟的时间敏感应用, 尤其是在以下场景中:

  • 在 managed network 中, station 可以被配置为在 AP 控制下运行.

  • 在受控环境中, 其中只包含设施所有者安装的, 在非授权频段运行的设备, 且来自其他系统和/或 radio access technologies 的意外干扰只会偶发出现.

  • 在使用信道和链路冗余来降低 unmanaged devices 和干扰影响的部署中.

当网络负载较轻时, 如果 Wi-Fi 以基于争用的模式运行 (即不使用 OFDMA), 可以实现低于 1 ms 的延迟. 研究还表明, 在受控环境中使用多用户传输 (由 OFDMA operation 启用) 时, 可以以更高效率实现 1 ms 延迟 [Cavalcanti_2019]. 显然, 需要考虑延迟, 可靠性和容量之间的权衡. 例如, 更小的 RU 会导致更长的传输持续时间, 这可能影响可达到的最小延迟. 但是, 在无干扰环境中, 多用户传输带来的争用延迟和随机性消除, 是 OFDMA mode 的主要优势.

动态为每次传输分配 RU 的灵活性, 也使 AP 能够提供频率多样性, 从而有助于提升可靠性.

4.3. 802.11be Extreme High Throughput (EHT)​

4.3.1. 一般特征 (General Characteristics)​

[IEEE802.11be] 是继 IEEE Std 802.11ax-2021 之后的下一个主要 802.11 修订案, 用于在 2.4, 5 和 6 GHz 频段运行. 802.11be 包含新的 PHY 和 MAC 特性, 目标是实现极高吞吐量 (至少 30 Gbps), 并增强最坏情况延迟和抖动表现. 它也预期会改进与 802.1 TSN 的集成, 以支持 Ethernet 和 Wireless LAN 上的时间敏感应用.

与本文档相关的 802.11be 主要特性包括:

  1. 320 MHz 带宽以及对非连续频谱的更高效利用

  2. Multi-Link Operation (MLO)

  3. 用于降低延迟并提高可靠性的 QoS 增强

4.3.2. 对确定性流的适用性 (Applicability to Deterministic Flows)​

802.11 Real-Time Applications (RTA) Topic Interest Group (TIG) 提供了关于用例, 问题和潜在解决方案的详细信息, 以改进 802.11 对时间敏感应用的支持. RTA TIG report [IEEE_doc_11-18-2009-06] 被用作 802.11be 项目范围的输入.

RTA report 识别出的主要主题是改进最坏情况延迟, 抖动和可靠性, 其动机来自 gaming, industrial automation, robotics 等应用. RTA report 还强调需要支持额外 TSN 能力, 例如 time-aware (802.1Qbv) shaping, 以及 802.1CB 中定义的 packet replication and elimination.

IEEE Std 802.11be 基于 802.11ax 能力并对其进行增强, 以改进最坏情况延迟和抖动. 下一部分讨论其中一些增强领域.

4.3.2.1. 面向有界延迟的增强型调度式运行 (Enhanced Scheduled Operation for Bounded Latency)​

除吞吐量增强之外, 802.11be 还利用 802.11ax 启用的 trigger-based scheduled operation, 以提供高效且更可预测的介质接入.

802.11be 引入了 QoS signaling enhancements, 例如额外的 QoS characteristics element, 使 station 能够向 AP 提供有关 deterministic traffic stream 的详细信息. 这种能力有助于 AP implementations 更好地支持确定性流调度.

802.11be 引入了新的特性来改进跨多个链路和信道的运行. 通过利用多个链路和信道, 802.11be 可以将时间敏感流量与网络拥塞隔离开来, 而网络拥塞是造成大幅延迟变化的主要原因之一. 在 managed 802.11be network 中, 应当可以将流量引导到特定链路和信道, 以隔离时间敏感流量和其他流量, 并帮助实现有界延迟. Multi-Link Operation (MLO) 是 802.11be 修订案中的主要特性, 它可以通过在链路之间复制数据帧来增强延迟和可靠性表现.

4.4. 802.11ad 和 802.11ay (mmWave Operation)​

4.4.1. 一般特征 (General Characteristics)​

IEEE 802.11ad 修订案定义了 PHY 和 MAC 能力, 以便在 60 GHz millimeter wave (mmWave) 频段实现 multi-Gbps 吞吐量. 该标准处理 mmWave 信号传播特性中的不利因素, 并提供利用 beamforming 应对更高衰减的定向通信能力. [Nitsche_2015] 提供了 802.11ad 标准概览.

IEEE 802.11ay 正在开发对 802.11ad 标准的增强, 以支持下一代 mmWave operation, 目标吞吐量为 100 Gbps. 802.11ay 中的一些主要增强包括 MIMO, channel bonding, improved channel access 和 beamforming training. [Ghasempour_2017] 提供了 802.11ay 能力概览.

4.4.2. 对确定性流的适用性 (Applicability to Deterministic Flows)​

802.11ad 和 802.11ay 可达到的高数据速率能够将延迟显著降低到 microsecond 级别. 60 GHz 中来自 legacy 和其他非授权设备的干扰有限, 这也是一项优势. 但是, mmWave operation 典型的方向性和短距离特性带来了新的挑战, 例如 beam training 所需开销和 blockage 问题, 这些都会影响延迟和可靠性. 因此, 为了将 802.11ad/ay 网络适当地应用和配置于时间敏感应用, 必须理解用例和部署条件.

802.11ad 标准包含一种 scheduled access mode. 在这种模式下, central controller 在争用并为专用时段预留信道之后, 可以向 station 分配无争用的 service periods. 802.11ay 也具备这种调度能力, 它是在无干扰场景中为时间敏感数据流提供有界延迟的机制之一. [Cavalcanti_2019] 提供了使用 802.11ad service periods 可达到的理论延迟边界分析.

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