一文读懂Wi-Fi 7

紧随Wi-Fi 6E之后，第7代WiFi技术（也被称为IEEE 802.11be或Wi-Fi 7）即将问世！这将是有史以来最快的Wi-Fi技术，将改变游戏规则，为我们日常生活中的网络和在线活动提供更好的用户体验。它将支持和加速许多苛刻的应用，如8K视频流、全沉浸式AR/VR、游戏和云计算。本文将回顾802.11be Release 1中支持的关键特性，并了解Wi-Fi 7的好处以及它如何实现未来的连接。

随着 6 GHz 频段向 Wi-Fi 应用开放，Wi-Fi 7 在 6 GHz 频段上支持最大 320 MHz 信道带宽，同时在 5 GHz 和 6 GHz 频段上支持 20/40/80/160 MHz 信道带宽以及 20 /40 MHz 在 2.4 GHz 频段。与现有的 Wi-Fi 6/6E 相比，仅 320 MHz 的信道带宽就使 Wi-Fi 7 的最大速度翻了一番。

图1：320 MHz 信道带宽

正交调幅(QAM)是一种广泛使用的Wi-Fi调制方案，同时混合载波中的振幅和相位变化。Wi-Fi-6最多支持1024个QAM——图2中左侧星座点代表10位数据(符号)。Wi-Fi-7支持4096 QAM——每个右侧星座点代表12位数据(符号)。换句话说，Wi-Fi7中每一个用QAM调制的点可以比Wi-Fi6多携带2比特的信息，速度提高了20%。

图2：1024 QAM 与 4096 QAM

多链路操作(MLO)是Wi-Fi-7中一项重要且有用的功能。它使设备能够同时跨多个波段和信道发送和接收。它类似于有线(即以太网)网络的链路聚合或集群功能，但更复杂和灵活。它在不同的波段和信道中创建多个链路(无线电)的捆绑或绑定，作为连接对等体之间的一个虚拟链路。每个链路(无线电)可以独立和同时与其他链路工作，或协调最佳的聚合速度、延迟、范围(覆盖)或节省电力。Wi-Fi-7 MLO是一个MAC层解决方案，可以同时使用多个链路，对上层协议和服务是透明的。MLO可以提高吞吐量、链路鲁棒性、漫游、干扰缓解和减少延迟。

图 3. 多链路操作

例如，在由三频段(6GHz、5GHz、2.4 GHz)网状节点或AP组成的家庭网状网络中，MLO可以为家庭网络形成一个高速、低延迟的无线骨干网，并为与网状节点/ AP相连的设备提供回送。如果每个mesh节点支持4×4 三频并发配置，聚合回程(backbone)速度可达21.6 Gbps。通过MLO，回程(骨干)也更加健壮和可靠。当5GHz链路被DFS (雷达)中断时，流量可以自动切换到6GHz和2.4 GHz链路，不会造成业务中断和QoS (服务质量)下降。与Wi-Fi-7基于MLO的回程相比，今天的Wi-Fi-6和6E网格解决方案使用4×4无线电组成无线回程，仅提供4.8 Gbps速度。如果该链路受到干扰或中断，整个回程(骨干)将受到影响或中断，从而导致QoS降级或中断。

当客户端设备(如智能手机、笔记本电脑等)支持多个无线时，MLO会在设备和AP之间创建一个更大的管道，以获得更高的速度、更低的延迟和更高的可靠性，并改善无缝漫游的用户体验。

Wi-Fi-7增加了新的RU资源分配机制。在Wi-Fi-6中AP只能给每个用户(非AP用户)分配一个RU相比，Wi-Fi-7允许将多个MRU (resource unit)设置为一个非AP用户。MRU进一步提高了频谱利用效率，可根据需要为用户提供更灵活的带宽(QoS)控制，增强了在同一频段或信道上运行的现有设备的抗干扰能力和共存能力。

图 4. 320 MHz OFDMA PPDU 的 RU 和 MRU

这种MRU机制支持正交频分多址(OFDMA)和非OFDMA(即MU-MIMO)模式。OFDMA模式支持小的MRU和大的MRU，允许更灵活地分配RU/ MRU，而不复杂的MAC和调度器设计。非OFDMA模式在子信道的序言穿刺中提供了最大的灵活性。

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带宽中被截取。这允许传输在有干扰时最大限度地利用信道的频谱，并在有在任设备在信道的特定频谱段上工作时提供最佳共存。

Wi-Fi 7有很多新功能和改进。这些特征包括：前导脉冲、目标唤醒时间(TWT)、限制行波时间(rTWT)、增程(MCS 14和MCS 15)等。其他特性，如多AP协调(协调波束形成、协调OFDMA、协调空间重用、联合传输)、16空间流和HARQ等，可能会在Release 2中得到支持，本文将不进行介绍。

Wi-Fi-7支持闪电般的速度。基于其前身Wi-Fi-6(又名802.11ax)构建，Wi-Fi-7支持极高的吞吐量(EHT)，具有高达46 Gbps的原始数据速率和标准规格中定义的16个空间流。这比运行在Cat 6/6a/7线缆上的10 Gbps以太网快得多。最接近的访问和连接技术是Thunderbolt 3/4, USB 4和HDMI 2.1，提供40Gbps或更高的最大原始数据速率。

Wi-Fi-7将支持320MHz信道带宽，是Wi-Fi-6的两倍。Wi-Fi 7还将QAM粒度从1024 (1K)提高到4096 (4K)，与Wi-Fi 6/6E或Wi-Fi 5 Wave 3相比，速度提高了20%。此外，Wi-Fi-7还将空间流的最大数量增加了一倍，在某些情况下，这与天线的数量是可以交换的，从8个增加到16个。因此，Wi-Fi 6/6E支持8个空间流的最高9.6 Gbps, Wi-Fi 7支持16个空间流的最高46 Gbps (9.6 Gbps x2(双带宽)x1.2 (QAM改进)x2(空间流))。

在这种极高的速度下，用户可以在使用两个Wi-Fi天线(两个空间流)的情况下，在智能手机、笔记本电脑等常用设备上获得最高每秒5.8 Gbps的速度。由于严格的功率或形状因素的限制，许多使用一个天线的设备也可以支持高达2.9 Gbps的数据速率。用户无需支付额外的天线或更高的电费就可以获得两倍以上的速度，因为不需要额外的功率放大器或前端模块——这是未来许多应用的范式转变。

延迟是服务质量(QoS)和用户体验的另一个关键参数。它对于实时应用程序尤其关键。许多多媒体应用，如高分辨率实时视频流、虚拟现实、增强现实、云游戏和实时编程，需要小于20毫秒的延迟。在无线环境中实现如此低的延迟并不容易。对于光纤访问，在WAN端，调制解调器和云/服务器之间的延迟大约是10毫秒或稍长。考虑到这一点后，WAN调制解调器和端点客户机设备之间的延迟预算应该在10ms左右或更少，以获得良好的用户体验。Wi-Fi-6实现10- 20ms延迟。而且，Wi-Fi 6E可以在争议少得多的环境中实现更低的延迟。Wi-Fi-7将通过使用802.11be标准中的各种工具，帮助将延迟降低到低于10毫秒，并最终达到具有确定性边界的低于1毫秒范围。这些工具包括MLO、行波变换(TWT)和rTWT，改进的触发传输，以及最终集成的时间敏感网络(TSN)功能。

如前所述，MLO提供了一种动态机制来适应多个链路之间的连接。MLO可以根据链路的性能和健壮性等指标，即负载均衡，动态平衡两个链路对等体(如AP和客户端设备)之间的传输负载。如果一个链路上有干扰或链路丢失(例如，由于范围)，连接仍然可以在其余的链路上运行，传输可以无缝地从故障链路切换到良好的链路(也称为快速故障转移)。MRU/RU和序言穿刺也有利于连接的稳健性。例如，当运行信道的特定子信道或频谱的某一段受到干扰时，AP可以避免使用这些被干扰的子信道或RU/MRU，并根据当前环境情况和信道状态优化传输。此外，MCS 14和MCS 15被定义为提高信号信噪比，当链路对等体之间的距离扩大时，也提高了连接的鲁棒性。

Wi-Fi-6和Wi-Fi-6E在Wi-Fi-5的基础上，已经增强了许多减少干扰和与现有设备共存的功能。Wi-Fi-6提供了更灵活的子信道穿刺模式，并且可以在OFDMA模式下利用RU来避免更细粒度的干扰，详细到2 MHz(最小的RU有26个音调)。Wi-Fi 6E支持自动频率协调(AFC)，与现有设备共存。Wi-Fi-7具有MRU和最大灵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，提供更好的干扰缓解，为不同类型的业务提供最佳的QoS。

图 5. 通过 Preamble Puncturing、MRU/RU 和 AFC 减轻干扰和共存

MLO还改善了无缝漫游的用户体验。它提供802.11be标准中定义的内置漫游增强功能。例如，当设备远离AP时，MLO会保留AP与设备之间的ML (multi-link)连接，可以自动运行在2.4 GHz频段，而不需要切换频段。反之，如果设备靠近AP, MLO可以自动动态地运行在5 GHz和6 GHz频段，以获得更高的性能。如今的Wi-Fi-6和6E AP必须依靠应用层的波段导向或客户端导向特性来强制引导客户端到不同的波段。它并不总是按预期工作，因为AP无法控制客户端设备;客户端设备决定是否切换频带。此外，供应商之间的兼容性是无缝漫游的另一个重大挑战。

图 6. 利用 MLO 实现无缝漫游体验

从频谱利用率来看，Wi-Fi-7比Wi-Fi 6/6E提供了更高的效率。额外的效率可以受益于多种Wi-Fi-7功能，MRU，前导穿刺，MLO, 4096 QAM，未来16空间流，以及协调多AP功能，如协调波束形成，协调OFDMA，联合传输等。

通过利用更高的速度，得益于更宽的320 MHz信道带宽、4096 QAM和更低的延迟，Wi-Fi 7以更高的电力效率提供数据。基于Wi-Fi-6的省电功能，Wi-Fi-7以多种方式改进了这些功能，以达到最佳省电效果。

使用MLO，客户端设备不需要监听每个交付流量指示图(DTIM)信标帧，也不执行组时间键、完整性组时间键或信标完整性组时间键(GTK/IGTK/BIGTK)更新。客户端可以为DTIM信标更新、交通指示和BSS关键更新维护一个链接，并将其他链接置于深度睡眠状态，而无需定期醒来获取DTIM信标更新。

除了 Wi-Fi 6 中最有希望的省电功能 TWT 之外，Wi-Fi 7还支持所谓的触发传输机会(TXOP)共享功能，进一步省电。它允许AP将获得的TXOP内的一部分时间分配给关联的客户端设备进行传输，这样AP就不需要在下一个服务周期(SP)中唤醒。

Onsemi还支持许多基于实际应用、实时吞吐量和环境(如温度)需求的专有动态自适应节能特性。

近年来，Wi-Fi传感应用，如运动检测、基于Wi-Fi信道状态信息(CSI)的定位(尤其是室内)、精细时间测量/往返时间(FTM/RTT)，引起了服务提供商和终端用户的极大兴趣。

Wi-Fi信道容易受到干扰，具有很强的动态和频率选择性，CSI污染会大大降低运动检测的精度。得益于320 MHz的通道带宽，Wi-Fi-7支持更丰富的CSI数据，最多可达3984个音调，提高了运动检测的准确性。此外，由于在320 MHz的传输中可以捕获如此多的CSI数据，因此可以选择足够的无干扰CSI块，用于运动检测，同时避免有噪声的CSI数据。

通过2倍或4倍的过采样和上采样技术，对于320 MHz信号，RTT时间戳和测量精度可以达到亚纳秒分辨率。也就是说，Wi-Fi-7支持亚米(即30厘米)精度的测距和室内定位，它将使许多令人兴奋的Wi-Fi传感新应用成为可能。

Wi-Fi-7将在许多方面显著改善用户体验，并变得更经济高效。它可以启用和增强许多苛刻的应用，如云游戏，沉浸式AR/VR, 8K视频流，工业4.0等。用户可以期望Wi-Fi 7比现有的Wi-Fi 6/6E提供更高的速度、更低的延迟和更强大的性能。