一文看懂WiFi 7

2020 年 9 月，我們慶祝 IEEE 802.11 項目成立 30 週年，該項目改變了我們的連接習慣。

如今，由一系列 IEEE 802.11 標準定義的 Wi-Fi 是最流行的資料傳輸無線技術。Wi-Fi 傳輸超過一半的使用者流量。雖然蜂窩技術每十年進行一次品牌重塑，例如從 4G 切換到 5G，但對於 Wi-Fi 使用者而言，提高資料速率以及引入新服務和新功能的轉變幾乎是無形的。只有少數客戶關心消費電子產品包裝盒上“802.11”後面的字母“n”、“ac” 或“ax”。但這並不意味著 Wi-Fi 不進化。

這種演變的見證之一是標稱資料速率的急劇增加：從1997年速度為2 Mbps 的IEEE 802.11進化到在最新的802.11ax中幾乎達到 10 Gbps的速度，這個標準也稱為 Wi-Fi 6。現代 Wi-Fi 實現了這樣的性能增益，這要歸功於更快的調製和編碼方案 (MCS)、更寬的通道以及採用多輸入多輸出 (MIMO) 技術。

除了高速率無線區域網路的主賽道外，Wi-Fi演進還包括幾個小眾項目。例如，Wi-Fi HaLow (802.11ah) 將 Wi-Fi 帶入了無線物聯網市場。毫米波 Wi-Fi (802.11ad/ay) 以非常低的範圍為代價支援高達 275 Gbps 的標稱資料速率。與 8K 視訊、虛擬現實、增強現實、遊戲、遠端辦公和雲端運算相關的新應用和新服務，以及支援無線網路大流量使用者的需求，推動了通訊轉發到極高吞吐量 (EHT) 的無線網路。

2019 年 5 月， Task Group BE (TGbe) 開始著手對 Wi-Fi 標準進行新的修訂，將 ≤ 7 GHz 通道中的標稱吞吐量提高到超過 40 Gbps，並為即時應用程式提供支援 (RTA)。除了提高資料速率和減少延遲外，這些功能還重新考慮了 Wi-Fi 操作的重要概念，例如前向相容物理層 (PHY)、可擴展探測、多接入點 (Multi-AP) 合作，這將 為 Wi-Fi 的進一步發展奠定基礎。

在本文中，我們將給大家科普一下，WiFi 7是什麼？

WiFi的沿革

在第一個 Wi-Fi 標準長達七年的開發過程結束時，很明顯其 2 Mbps 的最大標稱資料速率太小，無法取代 100 Mbps 乙太網路。這就是為什麼很快，社區就開發了一系列標準修正案，即 802.11a/b/g，通過在 2.4GHz 和 5 GHz 頻段中使用新的 MCS，將資料速率提高到 54 Mbps。802.11a 引入了通道頻寬為 20 MHz、64 個tones、符號長度為 3.2 µs 加上 0.8 µs 的保護間隔的正交頻分復用 (OFDM)，形成了以下 Wi-Fi 版本的框架。

Wi-Fi 4 (802.11n) 通過利用多種技術進一步提高資料速率（高達 600 Mbps）。首先，它引入了比之前的 3/4 更高的 5/6 編位元率，並可選擇將 OFDM 符號之間的保護間隔從 0.8 µs 減少到 0.4 µs。其次，它將通道寬度加倍至 40 MHz。第三，它引入了 MIMO 技術，這是 802.11n 最重要的突破。借助 802.11n，一對裝置可以使用多根天線在它們之間同時傳輸多達四個空間流 (SS)。如果沒有新的 MAC 功能，PHY 的高標稱資料速率將不會為終端使用者帶來好處。最重要的 MAC 特性是兩種聚合方法，即聚合 MAC 服務資料單元 (A-MSDU) 和聚合 MAC 協議資料單元 (A-MPDU)，它們顯著減少了由報頭（headers）和幀間空間（inter-frame spaces）引起的開銷 . A-MSDU 將多個聚合資料包附加到一個 MACheader 和checksum。A-MPDU 為每個聚合封包分配一個 MAC header 和frame checksum。因此，A-MPDU 通過允許在短噪聲突發的情況下解碼至少一些封包來提高傳輸可靠性，但代價是略微增加了開銷。

下一個 10 倍的資料速率增長是通過 802.11ac 修正案 (Wi-Fi 5) 實現的。該修正案擴展了先前版本 Wi-Fi 中使用的方法。因此，它將正交幅度調製 (QAM) 從 64-QAM 增加到 256-QAM，即每個符號的最大原始位元數從 6 增加到 8。通道頻寬增加到 160 MHz。由於 2.4 GHz 中沒有這樣的寬頻，802.11ac 只能在 5 GHz 中運行。由於頻譜稀缺，修正案允許使用非連續的 80 + 80 MHz 通道，這些通道可以被一些頻率間隙分開。

為了應對幹擾，在每個封包傳輸之前，每個裝置都會自適應地選擇用於此封包的頻寬：20、40、80 或 160 MHz。至於 MIMO，802.11ac 將 SS 的數量翻了一番，達到 8 個。該標準的制定者已經注意到，幾乎不可能為某些裝置部署兩個以上的天線。此外，接入點（AP）可能只有一小部分資料用於每個客戶站（STA）。

為瞭解決這些問題，802.11ac 引入了下行鏈路 (DL) 多使用者 (MU) MIMO，允許 AP 將不同的 DL SS 分配給不同的 STA。所有這些都意味著將吞吐量提高到 7 Gbps。為了在如此高的資料速率下減少報頭引起的開銷，該修正案將聚合幀的最大長度從 802.11n 的 65 535 個八位位元組增加到 4 692 480 個八位位元組。

Wi-Fi 6 (802.11ax) 的發展與範式轉變有關。802.11 工作組沒有提高標稱資料速率，而是專注於提高 Wi-Fi 網路的效率，特別是在密集的 2.4 GHz 和 5 GHz 部署中。首先，他們將正交頻分多址接入 (OFDMA) 引入到 Wi-Fi，這允許為 STA 分配小但最有效的時頻資源部分。除此之外，Wi-Fi 6 支援上行鏈路 (UL) MU MIMO 和 OFDMA 傳輸，並為通道繫結和載波偵聽引入了更靈活的規則。AP 完全控制 UL MU 傳輸的參數，例如 MCS、持續時間等。特別是，它傳送包含這些參數和啟動 UL MU 傳輸。

為了提高戶外場景的性能並增加 OFDMA 的靈活性，11be 將 OFDM 參數降頻四倍，使tones的數量增加四倍。因此 OFDM 符號持續時間變為 12.8 µs 加上 0.8、1.6 或 3.2 µs 的保護間隔。在最短保護間隔的情況下，開銷相對於 Wi-Fi 5 降低了 10%。為了提高標稱吞吐量，Wi-Fi 6 啟用 1024-QAM，比 Wi-Fi 5 的 256-QAM 多承載 25% 的原始資料 . 總而言之，標稱資料速率增加了 37%，這與其前代產品所顯示的十倍增長相比微不足道。

儘管在密集部署中性能要好得多，但標稱吞吐量的如此低的收益可能不會吸引新客戶。懷疑論者稱，關注運行質量而忽視數量性能指標可能會減緩 Wi-Fi 6 裝置的銷售。這種擔憂是 802.11 工作組轉回增加 Wi-Fi 7 標稱吞吐量的原因之一，同時改善使用者體驗（例如，觀看未壓縮速率為 20 Gbps 的 8K 視訊時）並提供遊戲所需延遲低於 5 毫秒的即時通訊。

高資料速率不足以支援 RTA，因為封包可能會等待很長時間才能使通道變為空閒或之前的封包得到服務。因此，除了提供高資料速率之外，802.11be 修正案還處理 RTA 的服務質量 (QoS)。在 Wi-Fi 網路中，有多種方法可以提供 QoS。然而，在實踐中只使用了其中的一種，即增強型分佈式通道接入（EDCA）。EDCA 通過為它們分配不同的訪問類別 (AC) 來區分語音、視訊、盡力而為和背景流量類型。由於EDCA擴展了基本的參量通道接入，它不能保證QoS。相比之下，考慮到特定 QoS 要求並使用確定性通道訪問的混合協調功能控制通道訪問等標準化機制對於在實際裝置中的實現來說過於複雜。

2018 年 5 月，當 Wi-Fi 6 特性開發完成，802.11 工作組轉而打磨 11ax 修正案時，該組成立了一個新的 EHT Topic Interest Group (TIG) . 其主要目標是在 1 和 7.125 GHz 之間的頻段上定義 802.11 的新功能，主要目標是通過擴展 11ac 和 11ax 的 PHY 來提高峰值吞吐量。

2018 年 7 月，EHT TIG 轉變為 EHT 研究組，定義了新項目的範圍並確定了 11be 的候選特徵列表。

與此同時，802.11 討論了如何在 Wi-Fi 網路中支援 RTA。這方面的工作始於 2017 年 11 月 ，作為 802.11 無線下一代常務委員會活動的一部分，介紹了 Wi-Fi 時間敏感網路 (TSN)。該提案引起了廣泛關注，並於 2018 年 7 月推出了 RTA TIG。由於支援 RTA 需要高標稱資料速率和一些 MAC 功能來加速標準開發過程，802.11 工作組同意在未來的 11be 修正案中提供對 RTA 的支援。

2018 年，FD TIG 研究了如何在 Wi-Fi中實現 FD 以及該技術可以提供多少增益。11be 開發人員也應考慮這些活動的結果。

2019 年 3 月，EHT Study Group 轉型為正在制定 11be 修正案的 TGbe 。它的目標是在兩年內完成初稿，即到 2021 年 3 月。最終版本預計到 2024 年初。雖然標準草案尚未準備就緒，但所有已批准的功能都可以在最新版本的規範框架文件中找到 。

為了滿足具有挑戰性的時間表，該小組在兩個分別關注 PHY 和 MAC 功能的特別小組中平行評估各種功能。儘管這樣最佳化，但佇列中的提交很多，等待時間超過幾個月。為了加快標準開發過程，該小組同意選擇一小組可在 2021 年發佈的高優先順序功能（第 1 版）。此類功能應以低複雜度提供高增益。該集應包括支援 320 MHz、4K-QAM、明顯的 OFDMA 改進、多鏈路。反對此提議的主要問題與 PHY 和 MAC 更改的複雜性有關，這些更改將需要支援第 2 版推遲的功能。

與 Wi-Fi 7 相關的另一個重要問題是它與在相同免許可頻段運行的蜂窩網路的 3GPP 技術共存。為了研究與 Wi-Fi 和蜂窩網路相關的共存問題，IEEE 802.11 成立了共存常設委員會 (Coex SC)。Coex SC的任務是與3GPP建立聯絡，建立同步工作。儘管開展了許多活動，甚至於 2019 年 7 月在維也納與 3GPP 和 IEEE 802.11 參與者舉行了聯合研討會，但尚未批准任何技術解決方案。對這種無果而終的活動的一個可能解釋是，IEEE 802 和 3GPP 都不願意改變自己的技術以使其與並行技術保持一致。因此，目前尚不清楚 Coex SC 內部討論的哪些解決方案將成為 Wi-Fi 7 的一部分。

WiFi 7的七大創新？

11be 項目包含了非常雄心勃勃的目標，這些目標與更高的標稱資料速率、更高的頻譜效率、更好的干擾緩解和提供 RTA 支援有關。為了實現這些目標，802.11 工作組討論了來自不同領域的大約 500 項提案，這些提案可以對應到 Wi-Fi 7 的七大創新之一。

1) EHT PHY

Wi-Fi 7 獲准通過將 MU-MIMO 中的頻寬和 SS 數量加倍來擴展先前 Wi-Fi 標準的 PHY，這將標稱吞吐量提高了 2 × 2 = 4 倍。PHY 還通過利用 4K-QAM 引入了更高速率的 MCS，使標稱吞吐量增加了 20%。因此，與 Wi-Fi 6 的 9.6 Gbps 相比，Wi-Fi 7 將提供高達 2×2 × 1.2 = 4.8 倍的標稱資料速率。因此，Wi-Fi 7 的最大標稱吞吐量為 9.6 Gbps × 4.8 ≈ 46 Gbps。此外，PHY 協議的革命性變化與以前的 PHY 標頭的通用化和開發向前相容的幀格式有關。

2) 具有 802 TSN 特性的 EDCA

為了支援 RTA，TGbe 檢查了 IEEE 802 TSN 的主要發現，並討論了如何改進 EDCA。標準委員會正在進行的討論與退避程序、AC 以及封包服務策略有關。

3) 增強型 OFDMA

在 11ax 中引入的 OFDMA 為最佳化資源分配提供了新的機會。但是在11ax中，OFDMA不夠靈活。首先，它允許 AP 僅向客戶端 STA 分配一個預定大小的資源單元 (RU)。其次，它不支援直接連結傳輸。這兩個缺點都會降低頻譜效率。此外，傳統 OFDMA 缺乏靈活性會降低密集部署的性能並增加延遲，這對於 RTA 至關重要。TGbe 解決了這些 OFDMA 挑戰。

4) 多鏈路操作

Wi-Fi 7 獲得認可的革命性變化之一是原生支援多鏈路操作，這有利於巨大的資料速率和極低的延遲。雖然現代晶片組目前可以同時使用多個鏈路，但鏈路是獨立的，這限制了這種操作的效率。11be 努力在鏈路之間找到這樣的同步等級，以允許有效使用通道資源並且不會在密集部署中受到干擾。

5) 通道探測最佳化

寬通道中的高階 MU-MIMO 和 OFDMA 要求裝置交換大量通道狀態資訊。探測過程引起的大量開銷消除了縮放 PHY 在理論上提供的增益。因此，人們非常關注可以減少通道探測開銷的方法。

6) 提高頻譜效率的高級 PHY 技術

在 TGbe 推出之前，802.11 工作組已經討論了幾種先進的 PHY 技術，這些技術應該可以在傳輸重試和相同或相反方向的同時傳輸的情況下顯著提高頻譜效率。儘管混合自動重傳請求 (HARQ)、FD 操作和非正交多址接入 (NOMA) 在文獻中得到廣泛研究，但尚不清楚這些技術提供的增益是否足夠高以補償 必要的改變。在 Release 1 的工作期間，TGbe 專注於直截了當的高優先順序功能，該小組對此毫不懷疑，社區有時間進一步評估 Wi-Fi 環境下的 HARQ、NOMA 和 FD。

7) 多AP協作

11be 引入的另一個重要創新是多 AP 協作。802.11 工作組主要關注附近 AP 之間的完全分佈式協調。儘管許多供應商都有自己的企業 Wi-Fi 網路集中控製器，但此類控製器的能力受到組態長期參數和通道選擇的限制。TGbe 討論了附近 AP 之間更緊密的合作，包括協調調度、波束成形，甚至分佈式 MIMO 系統。一些考慮的方法依賴於successive

interference constellation (SIC)。11be 將支援協調調度，但存在與更複雜方法相關的一定程度的不確定性。

寫在最後

在文章中，原文作者還對WiFi 7的 EHT PHY、具有 802 TSN 特性的 EDCA、增強型 OFDMA、多鏈路操作、通道探測最佳化、提高頻譜效率的高級 PHY 技術和多AP協作的潛在候選技術進行了普及。

在作者看來，802.11be 修正案是 Wi-Fi 長期成功故事中的下一個重要里程碑。它的核心特性與提供極高的吞吐量和支援即時應用程式有關 雖然標準的開發過程還處於初級的階段，但我們已經可以勾勒出未來的技術並指出其優勢和侷限性以及未解決的問題，這需要社區的額外努力。

在文章中，作者介紹了 Wi-Fi 7 的七項重大創新，並詳細描述了相關提案。但他們也強調。理論上，只有使用第一個創新：EHT PHY，才能實現更高的標稱資料速率和更低的延遲。

然而，在實踐中，由於未經許可的頻譜、干擾和大量開銷，僅 EHT PHY 無法為終端使用者提供顯著的吞吐量和延遲增益。這就是為什麼除了 EHT PHY 之外，TGbe 還討論了 Wi-Fi 7 的其他六項創新。

修改後的 EDCA 和 OFDMA 將為 RTA 提供支援。此外，OFDMA 將變得更加靈活以提高頻譜效率。

在 Wi-Fi 標準中引入多鏈路操作增加了資源使用的靈活性，並為更高頻寬利用率和更高吞吐量提供了一種補充方法。為最大限度地減少通道探測開銷 tar 所做的大量努力為高效的大規模 MIMO Wi-Fi 系統打開了大門。

最後，TGbe 討論了高級 PHY 方法，例如可以提高頻譜效率的 HARQ、NOMA 和 FD，以及各種多 AP 協作方法。在後一組提案中，我們看到了另一種範式的轉變，從通過在時間/頻率/空間或功率上分離傳輸來減輕干擾到分佈式大規模天線系統內的聯合傳輸。雖然 TGbe 可能會推遲下一個 Wi-Fi 版本的許多高級 PHY 和多 AP 協作功能，但它們向我們展示了超越 Wi-Fi 7 的進一步演進的方向。

本文來自微信公眾號“半導體行業觀察”（ID：icbank），作者：IEEE，36氪經授權發佈。

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