Wi-Fi 7,不仅仅支持极高的吞吐量

由  Scott Tan 发布  - 07-05-2022 

继Wi-Fi 6E之后,第7代Wi-Fi,也被称为IEEE 802.11be或Wi-Fi 7即将开启!这将是有史以来最快的Wi-Fi技术并带来变革,为我们日常生活中的网络和在线活动提供好得多的用户体验。它将赋能并加速许多高要求的应用,如8K视频流、全沉浸式增强现实(AR)/虚拟现实(VR)、游戏和云计算。在本文中,我们将介绍802.11be Release 1将支持的主要功能,和了解Wi-Fi 7的好处,以及Wi-Fi 7如何赋能未来的联接。

Wi-Fi 7关键功能

  • 320 MHz信道带宽

随着6 GHz频段向Wi-Fi应用开放,Wi-Fi 7在6 GHz频段上支持最大的320 MHz信道带宽,同时在5 GHz和6 GHz频段上继续支持20/40/80/160 MHz信道带宽,在2.4 GHz频段上支持20/40 MHz。与现有的Wi-Fi 6/6E相比,仅320 MHz信道带宽就使Wi-Fi 7的最快速度提高了一倍。

320 MHz Channel Bandwidth

图1:320 MHz信道带宽

  • 4096 (4K) QAM

正交调幅(QAM)被广泛用作Wi-Fi中的一种调制方案。它是一种同时混合载波的振幅和相位变化的技术。Wi-Fi 6最高支持1024 QAM。在下面的左图中,每个点代表一个10位数据(符号)。Wi-Fi 7支持4096 QAM。在下面的右图中,每个点代表一个12 bits位数据(符号)。换句话说,Wi-Fi 7中用QAM调制的每个符号可以比Wi-Fi 6多传输2位的信息。相当于速度快20%。

1024 QAM vs. 4096 QAM

图2:1024 QAM对比4096 QAM

 

  • 多链路工作(MLO)

多链路工作(MLO)是Wi-Fi 7中一个非常重要和有用的功能。它使设备能够在多个不同的频段和信道上同时收发。它类似于有线(即以太网)网络的链路聚合或中继功能,但更精密和灵活。 它允许在不同的频段和信道中创建一个捆绑或粘合的多个链路(无线电),作为连接对等体之间的一个虚拟链路。每个单独的链路(无线电)可独立工作,也可与其他链路同时工作,或协调以获得最佳的总速度、延迟、范围(覆盖)和/或省电。Wi-Fi 7 MLO是一个MAC层方案,用于同时使用多个链路,并对高层协议和服务透明。 MLO可以提高吞吐量、链路稳健性、漫游和减轻干扰,并减少延迟。

Multi-Link Operations

图3:多链路工作

例如,在一个由三频(6 GHz、5 GHz、2.4 GHz)网状节点或接入点(AP)组成的家庭网状网络中,MLO可用于为家庭网络形成高速、低延迟的无线骨干网,并为连接到网状节点/AP的设备提供回程服务。如果每个网状节点都支持4x4 triband并发配置,总的回程(骨干网)支持高达21.6 Gbps的速度。 有了MLO,回程(骨干网)也更加稳健和可靠。在5GHz链路被雷达(DFS)中断的情况下,流量可以自动切换到6GHz和2.4GHz链路,不会出现服务中断或服务质量(QoS)下降的情况。与基于Wi-Fi 7 MLO的回程相比,今天的Wi-Fi 6和6E网状解决方案使用4x4无线电中的一个来形成无线回程,这只能提供4.8Gbps的速度。如果该链路有干扰或中断,整个回程(骨干网)会受到影响或中断,从而导致QoS下降或中断。

当客户端设备,如智能手机、笔记本电脑等支持多个无线电时,MLO不仅在设备和AP之间建立一个更大的管道,以获得更高的速度、更低的延迟和更高的可靠性,而且还能改善用户体验,实现无缝漫游。

  • 多资源单元 (MRU)

Wi-Fi 7增加了新的资源单元(RU)分配机制。相比Wi-Fi 6,AP只为每个STA分配一个RU,Wi-Fi 7支持为一个站(STA)分配多个资源单元(MRU)。MRU进一步提高了频谱的利用效率,根据需要为每个STA的带宽(QoS)控制提供更大的灵活性,并进一步减轻干扰和与在同一频段或信道上运行的现有设备共存。

RU & MRU of 320 MHz OFDMA PPDU

图4:320 MHz 正交频分多址(OFDMA) 数据包协议数据单元(PPDU)的RU和MRU

这种MRU机制同时支持正交频分多址(OFDMA)和非OFDMA(即多用户多入多处MU-MIMO)模式。在OFDMA模式下,它支持小的MRU和较大的MRU,以便更灵活地分配RU/MRU,而不会使MAC和调度器设计过于复杂。在非OFDMA模式下,它为子信道的前导码打孔(preamble puncturing) 提供最大的灵活性。

例如,任何20 MHz子信道,除了主信道,或40/80 MHz的信道,都可以在320 MHz的带宽内进行“打孔”。这使得在有干扰的情况下,传输可以最大限度地利用信道的频谱,如果有现有设备在信道的某些频谱段上运行,则可以实现最佳的共存。

Wi-Fi 7还有许多其他新功能和改进。这些功能包括前导码打孔、目标唤醒时间(TWT)和限制的TWT(rTWT)、扩展的范围(MCS 14和MCS 15)等。其他功能,如多AP协调(协调波束成形、协调OFDMA、协调空间重用、联合传输)、16个空间流和混合自动重传请求(HARQ)等,可能会在第2版中得到支持,因此本文没有涉及。

Wi-Fi 7如何使终端用户受益?

  • 极高的吞吐量

Wi-Fi 7支持快如闪电的速度。在其前辈Wi-Fi 6(又名802.11ax)的基础上,Wi-Fi 7支持极高的吞吐量(EHT),如标准规格定义,其原始数据率高达46 Gbps,具有16个空间流。这比在Cat 6/6a/7电缆上运行的10 Gbps以太网快得多。 最接近的接入和连接技术是Thunderbolt 3/4、USB 4和HDMI 2.1,提供40 Gbps或更高的最大原始数据速率。

Wi-Fi 7支持320 MHz信道带宽,是Wi-Fi 6的两倍。Wi-Fi 7还将QAM颗粒度从1024(1K)提高到4096(4K),从而使速度比W-Fi 6/6E或Wi-Fi 5 Wave 3快20%。 此外,Wi-Fi 7还将空间流的最大数量增加了一倍,从8个增加到16个,以某种方式可与天线数交换。因此,由于Wi-Fi 6/6E支持高达9.6 Gbps的8个空间流,Wi-Fi 7支持总共高达46 Gbps的16个空间流(9.6Gbps x2(双带宽)x1.2(QAM改进)x2(空间流))。

有了这样极高的速度,用户常用的设备如通常有两个Wi-Fi天线(2个空间流)的智能手机、笔记本电脑等的网速最快可达每秒多千兆比特(5.8 Gbps)。由于严格的电源或外形限制,许多使用1根天线的设备也可以支持高达2.9 Gbps的数据速率。由于不需要额外的功率放大器或前端模块,用户无需支付额外的天线或更高的电费就可以获得超过2倍的速度。这将是未来许多应用的范式转变。

  • 超低延迟

延迟是服务质量(QoS)和用户体验的另一个关键参数。它对实时应用尤为关键。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,都要求延迟小于20毫秒甚至更低。 要在无线环境中实现如此低的延迟并不容易。在云计算用例中,广域网(WAN)侧的延迟也应考虑在内,大概是10毫秒,或者是光纤接入的稍长一些。也就是说,WAN调制解调器到终端客户设备之间的延迟预算对于实现良好的用户体验是非常具有挑战性的。10-20毫秒的延迟可以通过Wi-Fi 6实现。而在竞争更少的环境中,用Wi-Fi 6E可以实现更低的延迟。 Wi-Fi 7有助于将延迟降至10毫秒以下,并利用802.11be标准中的各种工具,最终将延迟降至1毫秒以下的确定边界。这些工具包括MLO、TWT和rTWT、改进的触发式传输,以及最终整合时间敏感型网络(TSN)功能。

  • 更稳定可靠的联接

如上所述,MLO提供了一种动态机制来适应多个链路之间的联接。传输负载在两个链路对等体(如接入点和客户设备)之间的联接,可以根据链路质量如性能和稳健性等指标进行动态平衡,也就是负载平衡。如果其中一条链路出现干扰或链路损失(例如,由于范围的原因),联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正常工作的链路,又称快速故障切换。 MRU/RU和前导码打孔也有助于提高联接的稳定性。例如,当工作频道的某些子频道或频谱的某些部分受到干扰时,接入点可以避免使用这些受干扰的子频道或RU/MRU,并根据当前环境状况和频道状态优化传输。此外,MCS14和MCS15,被定义为提高信号信噪比(SNR),它还能在链路对等体之间的距离延长时提高联接的稳健性。

  • 进一步减轻干扰和更好地共存

在Wi-Fi 5的基础上,Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E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提供更灵活的子信道打孔(puncturing)模式,并能利用OFDMA模式中的RU来避免低至2 MHz(最小的RU,有26-tone)的更细微的干扰。Wi-Fi 6E支持自动频率协调(AFC),以便与现有的设备共存。Wi-Fi 7具有MRU和最灵活的前导码打孔功能,在OFDMA和非OFDMA(MU-MIMO)模式下支持所有可能的子信道和高分辨率打孔模式,更进一步减轻干扰,为不同类型的服务提供最佳的QoS。

Interference Mitigation and Coexistence by Preamble Puncturing, MRU/RU and AFC

图5:通过前导码打孔、MRU/RU和AFC减轻干扰和更好地共存

  • 更好的漫游用户体验

MLO还能改善用户体验,实现无缝漫游。它提供802.11be标准中定义的内置漫游增强功能。例如,当设备离接入点较远时,MLO仍然是接入点和设备之间的ML(多链路)联接,可以自动在2.4 GHz频段上运行,而不需要切换频段。反之亦然,如果设备离接入点更近,MLO可以自动和动态地在5 GHz和6 GHz频段上运行,以获得更高的性能。相比之下,今天的Wi-Fi 6和6E AP必须依靠应用层的频段转向或客户端转向功能,来强行将客户端引导到不同的频段。它并不总是像预期的那样工作,因为接入点对客户设备没有控制权,客户设备决定是否切换频段。此外,供应商之间的兼容性是无缝漫游的另一个巨大挑战。

Leveraging MLO for Seamless Roaming Experience

图6:利用MLO实现无缝漫游体验

  • 更高的频谱效率

从频谱利用效率的角度来看,Wi-Fi 7提供的效率甚至高于Wi-Fi 6/6E。更高的效率可得益于Wi-Fi 7的多个功能,如MRU、前导码打孔、MLO、4096 QAM和未来的16个空间流以及协调的多AP功能,如协调波束成形、协调OFDMA和联合传输等。

  • 更高的电源能效和更省电

Wi-Fi 7利用更高的速度,得益于320 MHz更宽的信道带宽,4096 QAM,更低的延迟,以更高的电源能效传输数据。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6省电功能的基础上,用许多方式对这些功能进行了改进,以实现最佳的省电效果。

采用MLO,客户端设备不需要监听每个传输流量指示图(DTIM)信标帧,也不需要执行群组临时密钥/完整性群组临时密钥/信标完整性群组临时密钥(GTK/IGTK/BIGTK)更新。 客户端可以对DTIM信标更新、流量指示和基本服务集(BSS)关键更新可保持一条链路,并使其他链路进入深度睡眠状态,无需定期唤醒就能进行DTIM信标更新。

除了Wi-Fi 6中最有前景的省电功能TWT之外,Wi-Fi 7还支持所谓的触发传输机会(TXOP)共享功能,以进一步省电。 它允许接入点将获得的TXOP内的部分时间分配给相关的客户端设备进行传输,这样它就不需要在下一个服务期(SP)唤醒。

安森美(onsemi)还支持许多基于实际应用、实时吞吐量和环境(如温度)要求的专有动态自适应省电功能。

  • 更多新兴的Wi-Fi感知应用

近年来,Wi-Fi感知应用如运动检测、基于Wi-Fi信道状态信息(CSI)的定位(尤其是室内)和精细时间测量/往返时间(FTM/RTT),已引发了服务提供商和终端用户的大量关注。

Wi-Fi信道易受到干扰,非常动态且具有频率选择性。受污染的CSI会大大降低运动检测的准确性。Wi-Fi 7得益于320 MHz的信道带宽,支持最多共3984 tone的丰富得多的CSI数据。更丰富的CSI数据将提高运动检测的准确性。此外,由于在320 MHz的传输中可以捕获如此多的CSI数据,因此有足够多的不受干扰的CSI块可被选用于运动检测,同时可避免噪声CSI数据。

对于320MHz的信号,采用2倍或4倍的过采样和增采样技术, RTT时间戳和测量的精度可以达到亚纳秒级的分辨率。 也就是说,Wi-Fi 7支持亚米级(即30厘米)的测距和室内定位精度。它将赋能许多令人兴奋的新的Wi-Fi感知应用。  

总结

Wi-Fi 7将在许多方面大大改善用户体验,且更经济高效。 它可赋能和增强许多高要求的应用,如云游戏、沉浸式AR/VR、8K视频流、工业4.0等。用户可以期待Wi-Fi 7提供比现有的Wi-Fi 6/6E快得多的速度、更低的延迟和更稳定可靠。查看安森美当前的Wi-Fi方案

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