一文读懂WI-FI 7技术

2023-09-04 23:41:08 5点赞 38收藏 18评论

wifi7,⽹络通俗写法;标准写法是:Wi-Fi7,也就是IEEE802.11be标准。

当前主流的无线技术wifi6,也是⽹络通俗写法;标准写法是:Wi-Fi6,也就是IEEE802.11ax标准。

根据Wi-Fi联盟(Wi-FiAlliance)数据,下⼀代360度AR/VR应⽤对⽆线带宽的需求最⾼已经达到 200Mbps;另据来⾃英美2000位游戏玩家的⼀线调研报告,“97%的游戏玩家曾经遇到过延迟问 题”。从应⽤出发,⼤带宽、低时延的下⼀代⽆线⽹络呼之欲出。 Wi-Fi联盟在2019年推出IEEE802.11ax标准(Wi-Fi6)的4年后,即将推出新⼀代IEEE802.11be标 准,即Wi-Fi7。

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WIFI联盟为IEEE802.11be标准设定的⽬标主要为两个:最⼤吞吐量⾄少达到30Gbps(a maximum thoughtput of at least 30Gbps)、最差的时延和抖动⽔平得到提升(improved worst case latency and jitter)。这两个⽬标,⼀个提升数据传输速率;⼀个降低时延。

1. WI-FI7相关基本概念

Wi-Fi通信在物理上的传输载体是电磁波。可以Wi-Fi通信的电磁波,⼀般分为三个频段(band): 2.4GHz频段、5GHz频段、6GHz频段。

频段进⼀步划分为较⼩的信道(Channel)。

以2.4GHz频段为例,频率从2.401GHz到2.483GHz,被分为13个信道(2.4G频段⼀共14个信道,中国 只开放前13个信道)。

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  • 信道带宽(Bandwidth),也称频宽,信道最⼤频率减去最⼩频率的差值,表⽰这个信道覆盖频率范围。 2.4G频段中每个信道带宽是22MHz。⼀般说信道带宽20MHz,因为这22MHz中有2MHz是隔离带,⽤ 以区隔相邻信道,不传输数据。

  • ⼦载波(Subcarrier/Tone),信道进⼀步细分,把20MHz信道细分为256个⼦载波,每个⼦载波频宽78.125KHz。256个⼦载波中,有些是传输管理信息,只有234个传输数据,⼜被称为有效⼦载波。⼦ 载波是⽆线传输在频域上最⼩单位。

  • 符号(Symbol),⽆线传输在时域上的传输单位。

  • 速率(Rate),就是单位时间内,从AP(Accesspoint,⽆线接⼊点)和STA(Station,⽆线终端) 之间传输的信息量。速率⼀般⽤⽐特/秒(bps)为单位来计量。

2. Wi-Fi7的主要技术原理

2.1 编码⽅式:4096-QAM

编码⽅式是 种⽆线信号调制技术,以⽆线电波的不同幅度、相位或频率的组合来表⽰数据信息。编码⽅式决定了在⼀个符号(Symbol)⾥所能承载的⽐特(bit)数量。

Wi-Fi6采⽤最⾼1024-QAM调制,每个Symbol承载10bit信息。Wi-Fi7采⽤最⾼4096-QAM调制,每个Symbol承载12bit信息。Wi-Fi7编码能⼒是Wi-Fi6的1.2倍,传递信息密度更⼤。

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可以形象理解为:⽆线通信就是在AP和STA两地之间通过汽⻋运输货物。信道、⼦载波就是道路的 宽窄,⼀个Symbol就是⼀辆货⻋,货物就是数据信息。Wi-Fi6⼀⻋运输10bit,Wi-Fi7⼀⻋运输量 提升为12bit,Wi-Fi7单⻋运载信息量是Wi-Fi6的1.2倍。

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2.2 码率:5/6

实际传输时,单个Symbol的12bit不会都⽤来传输数据,要拿出⼀定bit⽤作纠错信息码,补救传输 过程中可能的错误。单Symbol中排除纠错信息码,有效传输信息占12bit的⽐例就是码率。

Wi-Fi6的1024-QAM调制的码率最⾼是5/6,Wi-Fi7的4096-QAM码率最⾼也是5/6。在码率上,WiFi7并没有提升。

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可以形象地理解为:运载信息的汽⻋空间不能装满货物,有⼀定空间⽤作管理。Wi-Fi7的有效运载 率和Wi-Fi6⼀样,均为5/6。

2.3 最⼤信道:320MHz

在中国,Wi-Fi6⽀持2.4GHz、5GHz两个频段,其中5GHz⼜可细分为5.2GHz频段(5G低频段)和 5.8GHz频段(5G⾼频段)。

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⽆线传输中,基础信道就是20MHz。2.4GHz频段中⽀持3个⾮重叠20MHz信道, 5.2GHz频段⽀持8个⾮重叠信道,5.8GHz频段⽀持5个⾮重叠信道。Wi-Fi6⼀共⽀持16个⾮重叠 20MHz信道。

要提⾼速率,最直接⽅式是提⾼道路的宽度。通过信道捆绑技术,把多个连续信道捆绑成更⼤带宽 的信道。

信道捆绑技术把连续2个20MHz信道捆绑为40MHz信道,把2个连续40MHz信道捆绑成80MHz信 道,Wi-Fi6最⾼⽀持把2个连续80MHz信道捆绑成160MHz信道。

Wi-Fi7标准中启⽤6GHz频段,在这个频段上有⼤量连续信道,并且⼲扰少,信道质量⾼,更适合 捆绑信道。Wi-Fi7⽀持最⼤捆绑成320MHz信道。

⼀个20MHz的信道可以包含234个有效⼦载波。⼀个160MHz信道 包含1960个有效⼦载波。⼀个320MHz信道包含3920个有效⼦载波。

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要让Wi-Fi的速率达到峰值,就只在最⼤信道上传输数据。Wi-Fi6单次最⼤可以传输1960个有效⼦ 载波;Wi-Fi7单次可以传输3920个。Wi-Fi7最⼤单次传输有效⼦载波数量是Wi-Fi6的2倍。

可以形象地理解为:Wi-Fi6在最⼤160MHz带宽下⼀次可以最多并排跑1960辆⻋;Wi-Fi7在最⼤ 320MHz带宽下⼀次最多可以跑3920辆⻋。

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2.4 符号传输时间:13.6μs

以上讲的编码⽅式、码率、有效⼦载波数量,都是从空间⻆度,即频域维度⽽⾔;⽽波的传输,还 有传输时间⻆度,时域维度。

从时域维度看,传输单位是符号(Symbol)。为避免Symbol在传输时的相互⼲扰,在相邻 Symbol传输的中间设定保护间隔(GuardInterval),GI。单位是微秒(μs)。1秒(s)=1000000 微秒(μs)。

⼀个完整的Symbol传输时间=单Symbol传输时间+GI

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Wi-Fi6和Wi-Fi7的单Symbol传输时间没有变化。单Symbol传输时⻓都是12.8μs。选择GI0.8μs来 计算,1000000/(12.8+0.8)=73529。表⽰⼀秒钟可以发出73529个Symbol。

在Symbol传输能⼒上,Wi-Fi7和Wi-Fi6的能⼒⼀样,没有提升。

可以形象地理解为:在Wi-Fi7的320MHz捆绑信道上,每排可以并排跑3920辆⻋,⽽1秒钟可以跑 73529排。

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2.5 空间流数量:8 * 8 MIMO

在Wi-Fi6和Wi-Fi7中,采⽤多⽤⼾-多进多出技术(MU-MIMO),Multi-UserMultiple-Input Multiple-Output。在AP发射端和STA接收端使⽤多根天线,同时传输和接受多个数据流,以提⾼ ⽆线传输的速率。每个独⽴的数据流都是⼀个空间流,通过不同的天线传输和接收。

Wi-Fi6最多⽀持8条空间流,即⼀个AP同时对8个外部接收端传输数据(这8个接收端不⼀定是8个 STA,也可以是3个STA的8个接收端)。每⼀条空间流在1秒钟都可以传输前述的数据量,8条空间 流,就是同时传输上述数据的8倍。

之前业界、⽹络上关于Wi-Fi7的MU-MIMO技术的介绍都说:Wi-Fi7将扩展到16条流。但是根据 Wi-Fi联盟Wi-Fi7⼯作组的IEEE802.11be标准,2023年最新3.1草案的内容,明确了Wi-Fi7标准将 最多⽀持8条空间流。在空间流上和Wi-Fi6保持⼀致,没有变化。

可以形象地理解为:从AP端到STA端,⼀条流就是⼀层道路。8条空间流,就是有8层的道路,上下 层列,同时在跑⻋运输信息。当然这⾥是1个AP端,STA端就不⽌⼀个了,可能是多个STA端。但是 这⾥要计算的是AP在Wi-Fi7下的最⼤数据传输能⼒,可以这么计算。

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2.6 理论速率计算公式

⾄此,就可以隆重推出Wi-Fi理论速率峰值的计算公式:

Wi-Fi理论速率=编码⽅式* 码率* 最⼤信道有效⼦载波数量* 单位时间符号传输数量* 空间流数量

=12*5/6*3920*73529*8 =23.06Gbps

由此得出:

1)Wi-Fi7理论速率最⼤峰值可以达到23.06Gbps;

2)相⽐Wi-Fi6理论速率峰值9.6Gbps,Wi-Fi7的理论峰值速率是Wi-Fi6的2.4倍;

3)Wi-Fi7相⽐Wi-Fi6,速率提升主要源于以下⼏个技术点

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3. Wi-Fi7的主要技术特征

Wi-Fi7的主要技术特征很多,限于篇幅,本⽂仅介绍MLO、PreamblePuncturing、MRU三种技术。

早期的Wi-Fi7技术标准草案⾥有“多AP协同技术”,在最新标准的修订中这个功能被砍掉了,预计留 待Wi-Fi8去实现。

3.1 Wi-Fi7技术之:多链路传输技术(MLO)

多链路传输技术(MLO),Multi-LinkOperation,在⼀个AP⾥,有多个射频芯⽚,2.4GHz芯⽚, 5GHz芯⽚,6GHz芯⽚。AP的多个芯⽚可以同时和⼀个STA建⽴链路通信。MLO是MAC层技术,可 以跨频段地捆绑多个链路成⼀个虚拟链路。

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MLO有两种⼯作模式。

其⼀,异步模式,STR(simultaneouslyTXandRX)模式。AP和STA之间的多个链路分别独⽴发 送(TX,transmit)和接收(RX,receive)信息。这样就会存在同⼀时刻,Link1在接收信息,⽽ Link2在发送信息的情况。

异步模式的好处是多个链路独⽴接收、发送信息,传输效率更⾼。

当然异步模式,同⼀时间接收和发送信息,要求两个链路之间不能⼲扰。⽐如,通过频段区隔,两 条链路分别是2.4GHz和5GHz,区隔就很好;或者通过射频芯⽚之间的⼀定物理距离来区隔。如果 两个链路之间有⼲扰,则异步模式不适合。

其⼆,同步模式,NSTR(non-simultaneouslyTXandRX)模式。与上述异步模式相反,多个链 路在同⼀时刻,要么同步接收(RX)信息,要么同步发送(TX)信息。

同步模式的优点是有效避免了两个链路同时接收(RX)和发送(TX)之间的⼲扰。

MLO技术,在AP和STA之间建 多个射频(radio)数据传输链路,整体提升了AP的数据传输速率, 也降低了时延。

据实际测试,其Wi-Fi7设备采⽤MLO技术,同时建⽴5G和6G两条链路,平均时延从Wi-Fi 6的84ms⼤幅下降到6ms。时延在10ms以内,已经接近有线⽹络的时延⽔平。

⼤家可能有个困惑:这⾥的MLO技术跟前⾯讲的MU-MIMO空间流技术有什么异同点?

相同点: MLO技术和MU-MIMO空间流技术,都可以在⼀个AP和STA之间建⽴多条链路通信,同时收发信 息。

不同点: MU-MIMO空间流技术是限于AP中同⼀个射频芯⽚的,⽐如说8条流,指的是⼀个AP中⼀个射 频芯⽚,可以同时对外建⽴8条通信链路,当然这8条通信链路可以和⼀个STA建⽴,也可以跟 多个STA建⽴。 MLO技术是指⼀个AP中多个射频芯⽚同时跟同⼀个STA建⽴通信链路。

可以形象地理解为:在⼀个AP和⼀个STA之间,有三种交通媒介,铁路,公路,航空。通过三 种交通媒介同时通信,⽤到的是MLO技术。单就其中⼀个媒介⽽⾔,⽐如公路,同时有8层公路 可以通信,那就是MU-MIMO空间流技术。

3.2 Wi-Fi7技术之:多资源单元(MRU)

多资源单元,MRU(Multipleresourceuint),是提⾼频谱资源利⽤率的技术。

Wi-Fi5的OFDM⼯作模式,横轴是时域,纵轴是频域。在⼀个最⼩时间单位⾥,⼀ 个信道只向⼀个⽤⼾发送信息。即⼀个⽤⼾占⽤⼀个单位时间整个信道,不管这个⽤⼾的信息是否 能占满整个信道,存在资源浪费。

Wi-Fi6的OFDMA⼯作模式,引⼊资源单元,RU(ResourceUnit)的概念。把这20MHz的 信道在同⼀个时域单位上划分成多个RU。每个RU包含⼀定数⽬的⼦载波,每个RU向⼀个⽤⼾发送信息。这样在⼀个最⼩时间单位⾥,可以同时向多个⽤⼾同时发送信息,⼤⼤提升了资源利⽤率。

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⼀个RU中包含多少个⼦载波,不是随意组合的,Wi-Fi标准规定了RU的固定组合形式,主要有: 26-toneRU(即26个⼦载波组成⼀个RU),52-toneRU,106-toneRU,242-toneRU,484toneRU、996-toneRU、1992-toneRU。

在Wi-Fi6中,⼀个⽤⼾只能对应⼀个RU。Wi-Fi7提出了MRU概念,⼀个⽤⼾可以分配多个RU。

那这个MRU有什么⽤呢?

例如,20MHz的信道,要给3个⽤⼾使⽤。Wi-Fi6中,最⼤资源利⽤率的分配如下:1个⽤⼾分配 106-toneRU,2个⽤⼾分别分配,52-toneRU,⼀共⽤了210个⼦载波(tones),还浪费了24个 ⼦载波(⼀个20MHz信道⼀共234个数有效⼦载波)。

现在,Wi-Fi7应⽤MRU,就可以1个⽤⼾分配106-toneRU+26-toneRU(把2个RU分配给⼀个⽤ ⼾),另2个⽤⼾还是分别分配52-toneRU。这样就把20MHz信道的资源⽤⾜,提升了信道资源利 ⽤率,提⾼速率,降低时延。

需要注意的是,不是任意两个RU都可以组成⼀个MRU的,⽽是有限定条件的。Wi-Fi7标准把RU分 为⼩部RU和⼤部RU两类,规定只有同在⼀类中的RU才可以组合成⼀个MRU,即必须同为⼩部 RU,或同为⼤部RU,才可以组成⼀个MRU。

⼩部RU:26-toneRU,52-toneRU,106-toneRU,

⼤部RU:242-toneRU,484-toneRU、996-toneRU、1992-toneRU

3.3 Wi-Fi7技术之:前导码打孔(PreamblePuncturing)

前导码打孔,PreamblePuncturing(以下简称Puncturing),这个技术在Wi-Fi6标准⾥是可选技 术,由于其技术成本⾼,⼀般产品的实际功能⾥没有这个功能。到Wi-Fi7标准中,这个成为强制标准,即产品必须要具备的功能。

前⾯谈到,为提升速率采⽤信道捆绑技术,⽐如:把8个20MHz的信道捆绑成⼀个160MHz的信 道。

在信道捆绑中,有主信道(Primarychannel)和辅信道(Secondarychannel)之分。在捆绑成 40MHz的信道中,有Primary20信道,Secondary20信道;然后这两个信道⼜共同组成⼀个捆绑 80MHz信道的Primary40,另外的是Secondary40;以上共同组成Primary80,其余的组成 Secondary80。

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信道捆绑,以前的协议有两条原则:原则⼀,只能捆绑连续的信道。原则⼆,在捆绑信道模式下, 必须在主信道⼲净、⽆⼲扰的情况下,辅信道才能传输信息。

那假设,当Secondary20出现⼲扰的时候,Primary40整体就是不⼲净的信道,那么Secondary40 就⽆法传输信息了;再进⼀步Primary80也不⼲净,那Secondary80也⽆法传输信息。最后,⼀个 捆绑成160MHz的信道,因为其中⼀个Secondary20的20MHz信道⼲扰,⼀下⼦下降为只剩20MHz (Primary20)传输信息了,7/8信道资源都浪费了。

Wi-Fi7的Puncturing技术正是解决这个问题的。

还是上⾯这个例⼦。Secondary20信道受到⼲扰。采⽤Puncturing技术,直接把这个 Secondary20信道打孔、屏蔽。然后剩余的140MHz信道继续捆绑在⼀起传输信息。此时,还是⼯ 作在160MHz捆绑信道模式下,但实际传输的时候,把Secondary20信道置于Null(空)状态。这 种例⼦中采⽤Puncturing技术,信道利⽤率是之前的7倍(140:20)。

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Puncturing技术的核⼼是提升了⾮连续信道的利⽤率,其效果是提升了实际速率,降低了时延。

4. Wi-Fi7技术的应⽤场景

Wi-Fi联盟官⽅在Wi-Fi7标准时,对于其应⽤场景就有了明确预期:AR/VR/XR、全屋视频分发、游 戏、远程医疗、企业制造、虚拟培训、教育、酒店场所。

作者声明本文无利益相关,欢迎值友理性交流,和谐讨论~

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  • 精彩
  • 最新
  • [喜极而泣] 要不起,wifi5就够用了

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    Wi-Fi 6已经普及并白菜了,你的Wi-Fi5是要换一换了,否则直接影响你的设备上网体验,哈哈

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    不玩手游的话真没啥区别,电脑都用网线更稳定 [抽烟]

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  • 洗洗睡了吧,6E和7用到的6GHz频段在国内大概率不会被批准

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    5925-6425MHz频段还有机会 [高兴]

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    怎么说?大佬给分一下

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  • 手机都还没用上wofi6呢,路由器刚刚才换上wifi6

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    这是另一个有意思的话题,“Wi-Fi 6的路由器下,使用Wi-Fi5终端有何使用体验的提升”,也会提升多终端并发体验的

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  • 属于供给侧创新,推动用户消费罢了

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    也不能这么说,很多时候都是先有技术再有配套应用的,比如3g时代肯定也没法设想如今短视频的火热。

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