Wi-Fi 7關(guān)鍵特性及未來趨勢

緊隨Wi-Fi 6E之后，第7代WiFi技術(shù)（也被稱為IEEE 802.11be或Wi-Fi 7）即將問世！這將是有史以來最快的Wi-Fi技術(shù)，將改變游戲規(guī)則，為我們?nèi)粘Ｉ钪械?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)和在線活動(dòng)提供更好的用戶體驗(yàn)。它將支持和加速許多苛刻的應(yīng)用，如8K視頻流、全沉浸式AR/VR、游戲和云計(jì)算。本文將回顧802.11be Release 1中支持的關(guān)鍵特性，并了解Wi-Fi 7的好處以及它如何實(shí)現(xiàn)未來的連接。

Wi-Fi 7關(guān)鍵特性

320MHz信道帶寬

隨著 6 GHz 頻段向 Wi-Fi 應(yīng)用開放，Wi-Fi 7 在 6 GHz 頻段上支持最大 320 MHz 信道帶寬，同時(shí)在 5 GHz 和 6 GHz 頻段上支持 20/40/80/160 MHz 信道帶寬以及 20 /40 MHz 在 2.4 GHz 頻段。與現(xiàn)有的 Wi-Fi 6/6E 相比，僅 320 MHz 的信道帶寬就使 Wi-Fi 7 的最大速度翻了一番。

圖1：320 MHz 信道帶寬

正交調(diào)幅(QAM)是一種廣泛使用的Wi-Fi調(diào)制方案，同時(shí)混合載波中的振幅和相位變化。Wi-Fi-6最多支持1024個(gè)QAM——圖2中左側(cè)星座點(diǎn)代表10位數(shù)據(jù)(符號(hào))。Wi-Fi-7支持4096 QAM——每個(gè)右側(cè)星座點(diǎn)代表12位數(shù)據(jù)(符號(hào))。換句話說，Wi-Fi7中每一個(gè)用QAM調(diào)制的點(diǎn)可以比Wi-Fi6多攜帶2比特的信息，速度提高了20%。

圖2：1024 QAM 與 4096 QAM

多鏈路操作（MLO）

多鏈路操作(MLO)是Wi-Fi-7中一項(xiàng)重要且有用的功能。它使設(shè)備能夠同時(shí)跨多個(gè)波段和信道發(fā)送和接收。它類似于有線(即以太網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)的鏈路聚合或集群功能，但更復(fù)雜和靈活。它在不同的波段和信道中創(chuàng)建多個(gè)鏈路(無線電)的捆綁或綁定，作為連接對等體之間的一個(gè)虛擬鏈路。每個(gè)鏈路(無線電)可以獨(dú)立和同時(shí)與其他鏈路工作，或協(xié)調(diào)最佳的聚合速度、延遲、范圍(覆蓋)或節(jié)省電力。Wi-Fi-7 MLO是一個(gè)MAC層解決方案，可以同時(shí)使用多個(gè)鏈路，對上層協(xié)議和服務(wù)是透明的。MLO可以提高吞吐量、鏈路魯棒性、漫游、干擾緩解和減少延遲。

圖 3. 多鏈路操作

例如，在由三頻段(6GHz、5GHz、2.4 GHz)網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)或AP組成的家庭網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，MLO可以為家庭網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)高速、低延遲的無線骨干網(wǎng)，并為與網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)/ AP相連的設(shè)備提供回送。如果每個(gè)mesh節(jié)點(diǎn)支持4×4 三頻并發(fā)配置，聚合回程(backbone)速度可達(dá)21.6 Gbps。通過MLO，回程(骨干)也更加健壯和可靠。當(dāng)5GHz鏈路被DFS (雷達(dá))中斷時(shí)，流量可以自動(dòng)切換到6GHz和2.4 GHz鏈路，不會(huì)造成業(yè)務(wù)中斷和QoS (服務(wù)質(zhì)量)下降。與Wi-Fi-7基于MLO的回程相比，今天的Wi-Fi-6和6E網(wǎng)格解決方案使用4×4無線電組成無線回程，僅提供4.8 Gbps速度。如果該鏈路受到干擾或中斷，整個(gè)回程(骨干)將受到影響或中斷，從而導(dǎo)致QoS降級或中斷。

當(dāng)客戶端設(shè)備(如智能手機(jī)、筆記本電腦等)支持多個(gè)無線時(shí)，MLO會(huì)在設(shè)備和AP之間創(chuàng)建一個(gè)更大的管道，以獲得更高的速度、更低的延遲和更高的可靠性，并改善無縫漫游的用戶體驗(yàn)。

多資源單元 (MRU)

Wi-Fi-7增加了新的RU資源分配機(jī)制。在Wi-Fi-6中AP只能給每個(gè)用戶(非AP用戶)分配一個(gè)RU相比，Wi-Fi-7允許將多個(gè)MRU (resource unit)設(shè)置為一個(gè)非AP用戶。MRU進(jìn)一步提高了頻譜利用效率，可根據(jù)需要為用戶提供更靈活的帶寬(QoS)控制，增強(qiáng)了在同一頻段或信道上運(yùn)行的現(xiàn)有設(shè)備的抗干擾能力和共存能力。

圖 4. 320 MHz OFDMA PPDU 的 RU 和 MRU

這種MRU機(jī)制支持正交頻分多址(OFDMA)和非OFDMA(即MU-MIMO)模式。OFDMA模式支持小的MRU和大的MRU，允許更靈活地分配RU/ MRU，而不復(fù)雜的MAC和調(diào)度器設(shè)計(jì)。非OFDMA模式在子信道的序言穿刺中提供了最大的靈活性。

例如，除主信道或40/80 MHz信道外，任何20 MHz子信道都可以在320 MHz帶寬中被截取。這允許傳輸在有干擾時(shí)最大限度地利用信道的頻譜，并在有在任設(shè)備在信道的特定頻譜段上工作時(shí)提供最佳共存。

Wi-Fi 7有很多新功能和改進(jìn)。這些特征包括：前導(dǎo)脈沖、目標(biāo)喚醒時(shí)間(TWT)、限制行波時(shí)間(rTWT)、增程(MCS 14和MCS 15)等。其他特性，如多AP協(xié)調(diào)(協(xié)調(diào)波束形成、協(xié)調(diào)OFDMA、協(xié)調(diào)空間重用、聯(lián)合傳輸)、16空間流和HARQ等，可能會(huì)在Release 2中得到支持，本文將不進(jìn)行介紹。

Wi-Fi-7將如何使最終用戶受益?

極高的吞吐量

Wi-Fi-7支持閃電般的速度。基于其前身Wi-Fi-6(又名802.11ax)構(gòu)建，Wi-Fi-7支持極高的吞吐量(EHT)，具有高達(dá)46 Gbps的原始數(shù)據(jù)速率和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中定義的16個(gè)空間流。這比運(yùn)行在Cat 6/6a/7線纜上的10 Gbps以太網(wǎng)快得多。最接近的訪問和連接技術(shù)是Thunderbolt 3/4, USB 4和HDMI 2.1，提供40Gbps或更高的最大原始數(shù)據(jù)速率。

Wi-Fi-7將支持320MHz信道帶寬，是Wi-Fi-6的兩倍。Wi-Fi 7還將QAM粒度從1024 (1K)提高到4096 (4K)，與Wi-Fi 6/6E或Wi-Fi 5 Wave 3相比，速度提高了20%。此外，Wi-Fi-7還將空間流的最大數(shù)量增加了一倍，在某些情況下，這與天線的數(shù)量是可以交換的，從8個(gè)增加到16個(gè)。因此，Wi-Fi 6/6E支持8個(gè)空間流的最高9.6 Gbps, Wi-Fi 7支持16個(gè)空間流的最高46 Gbps (9.6 Gbps x2(雙帶寬)x1.2 (QAM改進(jìn))x2(空間流))。

在這種極高的速度下，用戶可以在使用兩個(gè)Wi-Fi天線(兩個(gè)空間流)的情況下，在智能手機(jī)、筆記本電腦等常用設(shè)備上獲得最高每秒5.8 Gbps的速度。由于嚴(yán)格的功率或形狀因素的限制，許多使用一個(gè)天線的設(shè)備也可以支持高達(dá)2.9 Gbps的數(shù)據(jù)速率。用戶無需支付額外的天線或更高的電費(fèi)就可以獲得兩倍以上的速度，因?yàn)椴恍枰~外的功率放大器或前端模塊——這是未來許多應(yīng)用的范式轉(zhuǎn)變。

超低延遲

延遲是服務(wù)質(zhì)量(QoS)和用戶體驗(yàn)的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。它對于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序尤其關(guān)鍵。許多多媒體應(yīng)用，如高分辨率實(shí)時(shí)視頻流、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云游戲和實(shí)時(shí)編程，需要小于20毫秒的延遲。在無線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)如此低的延遲并不容易。對于光纖訪問，在WAN端，調(diào)制解調(diào)器和云/服務(wù)器之間的延遲大約是10毫秒或稍長?？紤]到這一點(diǎn)后，WAN調(diào)制解調(diào)器和端點(diǎn)客戶機(jī)設(shè)備之間的延遲預(yù)算應(yīng)該在10ms左右或更少，以獲得良好的用戶體驗(yàn)。Wi-Fi-6實(shí)現(xiàn)10- 20ms延遲。而且，Wi-Fi 6E可以在爭議少得多的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更低的延遲。Wi-Fi-7將通過使用802.11be標(biāo)準(zhǔn)中的各種工具，幫助將延遲降低到低于10毫秒，并最終達(dá)到具有確定性邊界的低于1毫秒范圍。這些工具包括MLO、行波變換(TWT)和rTWT，改進(jìn)的觸發(fā)傳輸，以及最終集成的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)功能。

更強(qiáng)大的連接

如前所述，MLO提供了一種動(dòng)態(tài)機(jī)制來適應(yīng)多個(gè)鏈路之間的連接。MLO可以根據(jù)鏈路的性能和健壯性等指標(biāo)，即負(fù)載均衡，動(dòng)態(tài)平衡兩個(gè)鏈路對等體(如AP和客戶端設(shè)備)之間的傳輸負(fù)載。如果一個(gè)鏈路上有干擾或鏈路丟失(例如，由于范圍)，連接仍然可以在其余的鏈路上運(yùn)行，傳輸可以無縫地從故障鏈路切換到良好的鏈路(也稱為快速故障轉(zhuǎn)移)。MRU/RU和序言穿刺也有利于連接的穩(wěn)健性。例如，當(dāng)運(yùn)行信道的特定子信道或頻譜的某一段受到干擾時(shí)，AP可以避免使用這些被干擾的子信道或RU/MRU，并根據(jù)當(dāng)前環(huán)境情況和信道狀態(tài)優(yōu)化傳輸。此外，MCS 14和MCS 15被定義為提高信號(hào)信噪比，當(dāng)鏈路對等體之間的距離擴(kuò)大時(shí)，也提高了連接的魯棒性。

更好地減少干擾和共存

Wi-Fi-6和Wi-Fi-6E在Wi-Fi-5的基礎(chǔ)上，已經(jīng)增強(qiáng)了許多減少干擾和與現(xiàn)有設(shè)備共存的功能。Wi-Fi-6提供了更靈活的子信道穿刺模式，并且可以在OFDMA模式下利用RU來避免更細(xì)粒度的干擾，詳細(xì)到2 MHz(最小的RU有26個(gè)音調(diào))。Wi-Fi 6E支持自動(dòng)頻率協(xié)調(diào)(AFC)，與現(xiàn)有設(shè)備共存。Wi-Fi-7具有MRU和最大靈活性的序言穿刺功能，在OFDMA和非OFDMA (MU-MIMO)模式中支持所有可能的子信道和高分辨率穿刺模式，提供更好的干擾緩解，為不同類型的業(yè)務(wù)提供最佳的QoS。

圖 5. 通過 Preamble Puncturing、MRU/RU 和 AFC 減輕干擾和共存

更好的漫游用戶體驗(yàn)

MLO還改善了無縫漫游的用戶體驗(yàn)。它提供802.11be標(biāo)準(zhǔn)中定義的內(nèi)置漫游增強(qiáng)功能。例如，當(dāng)設(shè)備遠(yuǎn)離AP時(shí)，MLO會(huì)保留AP與設(shè)備之間的ML (multi-link)連接，可以自動(dòng)運(yùn)行在2.4 GHz頻段，而不需要切換頻段。反之，如果設(shè)備靠近AP, MLO可以自動(dòng)動(dòng)態(tài)地運(yùn)行在5 GHz和6 GHz頻段，以獲得更高的性能。如今的Wi-Fi-6和6E AP必須依靠應(yīng)用層的波段導(dǎo)向或客戶端導(dǎo)向特性來強(qiáng)制引導(dǎo)客戶端到不同的波段。它并不總是按預(yù)期工作，因?yàn)锳P無法控制客戶端設(shè)備;客戶端設(shè)備決定是否切換頻帶。此外，供應(yīng)商之間的兼容性是無縫漫游的另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

圖 6. 利用 MLO 實(shí)現(xiàn)無縫漫游體驗(yàn)

更高的光譜效率

從頻譜利用率來看，Wi-Fi-7比Wi-Fi 6/6E提供了更高的效率。額外的效率可以受益于多種Wi-Fi-7功能，MRU，前導(dǎo)穿刺，MLO, 4096 QAM，未來16空間流，以及協(xié)調(diào)多AP功能，如協(xié)調(diào)波束形成，協(xié)調(diào)OFDMA，聯(lián)合傳輸?shù)取?/p>

更高的功率效率和更節(jié)能

通過利用更高的速度，得益于更寬的320 MHz信道帶寬、4096 QAM和更低的延遲，Wi-Fi 7以更高的電力效率提供數(shù)據(jù)?；赪i-Fi-6的省電功能，Wi-Fi-7以多種方式改進(jìn)了這些功能，以達(dá)到最佳省電效果。

使用MLO，客戶端設(shè)備不需要監(jiān)聽每個(gè)交付流量指示圖(DTIM)信標(biāo)幀，也不執(zhí)行組時(shí)間鍵、完整性組時(shí)間鍵或信標(biāo)完整性組時(shí)間鍵(GTK/IGTK/BIGTK)更新。客戶端可以為DTIM信標(biāo)更新、交通指示和BSS關(guān)鍵更新維護(hù)一個(gè)鏈接，并將其他鏈接置于深度睡眠狀態(tài)，而無需定期醒來獲取DTIM信標(biāo)更新。

除了 Wi-Fi 6 中最有希望的省電功能 TWT 之外，Wi-Fi 7還支持所謂的觸發(fā)傳輸機(jī)會(huì)(TXOP)共享功能，進(jìn)一步省電。它允許AP將獲得的TXOP內(nèi)的一部分時(shí)間分配給關(guān)聯(lián)的客戶端設(shè)備進(jìn)行傳輸，這樣AP就不需要在下一個(gè)服務(wù)周期(SP)中喚醒。

Onsemi還支持許多基于實(shí)際應(yīng)用、實(shí)時(shí)吞吐量和環(huán)境(如溫度)需求的專有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)節(jié)能特性。

更多新興Wi-Fi傳感應(yīng)用

近年來，Wi-Fi傳感應(yīng)用，如運(yùn)動(dòng)檢測、基于Wi-Fi信道狀態(tài)信息(CSI)的定位(尤其是室內(nèi))、精細(xì)時(shí)間測量/往返時(shí)間(FTM/RTT)，引起了服務(wù)提供商和終端用戶的極大興趣。

Wi-Fi信道容易受到干擾，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)和頻率選擇性，CSI污染會(huì)大大降低運(yùn)動(dòng)檢測的精度。得益于320 MHz的通道帶寬，Wi-Fi-7支持更豐富的CSI數(shù)據(jù)，最多可達(dá)3984個(gè)音調(diào)，提高了運(yùn)動(dòng)檢測的準(zhǔn)確性。此外，由于在320 MHz的傳輸中可以捕獲如此多的CSI數(shù)據(jù)，因此可以選擇足夠的無干擾CSI塊，用于運(yùn)動(dòng)檢測，同時(shí)避免有噪聲的CSI數(shù)據(jù)。

通過2倍或4倍的過采樣和上采樣技術(shù)，對于320 MHz信號(hào)，RTT時(shí)間戳和測量精度可以達(dá)到亞納秒分辨率。也就是說，Wi-Fi-7支持亞米(即30厘米)精度的測距和室內(nèi)定位，它將使許多令人興奮的Wi-Fi傳感新應(yīng)用成為可能。

結(jié)論

Wi-Fi-7將在許多方面顯著改善用戶體驗(yàn)，并變得更經(jīng)濟(jì)高效。它可以啟用和增強(qiáng)許多苛刻的應(yīng)用，如云游戲，沉浸式AR/VR, 8K視頻流，工業(yè)4.0等。用戶可以期望Wi-Fi 7比現(xiàn)有的Wi-Fi 6/6E提供更高的速度、更低的延遲和更強(qiáng)大的性能。

編輯：黃飛