本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
Wi-Fi聯(lián)盟宣布Wi-Fi 7規(guī)范將于明年第一季度末最終確定，為企業(yè)采用標(biāo)準(zhǔn)化硬件打開大門。
Wi-Fi聯(lián)盟表示：“基于IEEE 802.11be技術(shù)的Wi-Fi CERTIFIED 7將于2024年第一季度末之前推出。”“Wi-Fi 7設(shè)備現(xiàn)已進(jìn)入市場，Wi-Fi CERTIFIED 7將促進(jìn)全球互操作性，并將先進(jìn)的Wi-Fi性能帶入下一個(gè)互聯(lián)設(shè)備時(shí)代。”
Wi-Fi 7正在成為無線連接領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)，提供高達(dá)40 Gbit/s的速度。對于大多數(shù)人來說，這可能使其成為傳統(tǒng)有線以太網(wǎng)的強(qiáng)大替代品。它使用三個(gè)頻段（2.40 GHz、5 GHz和6 GHz）以及320 MHz信道寬度和4096-QAM來實(shí)現(xiàn)這些速度。此外，Wi-Fi 7建立在Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E的基礎(chǔ)上，包括MU-MIMO和OFDMA等功能，以加快連接速度。總而言之，與Wi-Fi 6相比，性能提升高達(dá)4.8倍。
雖然當(dāng)今市場上有大量用于PC和路由器的Wi-Fi 7徽章適配器，但它們遵循所謂的“草案”Wi-Fi 7規(guī)范。這不會(huì)使它們在消費(fèi)者層面上變得更糟，并且大多數(shù)現(xiàn)有的“草案”設(shè)備在固件更新后將支持完整標(biāo)準(zhǔn)。但對于居住在擁擠的辦公樓中的企業(yè)來說，完全認(rèn)可的設(shè)備是必須的，因?yàn)樗鼈儽仨氃诜浅Ｌ囟ǖ念l率下工作。
這項(xiàng)新技術(shù)的一個(gè)問題是，Wi-Fi聯(lián)盟將其定位為AR/VR，這意味著直接無線連接，這在現(xiàn)代環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)。
該聯(lián)盟的另一份聲明寫道：“Wi-Fi 7支持新興用例的卓越連接，具有高水平的交互性和沉浸感。”“隨著用戶對AR/VR/XR、云計(jì)算和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等高容量、低延遲技術(shù)的需求在各個(gè)細(xì)分市場中不斷增長，即使在2.4和5 GHz頻段的密集環(huán)境中，Wi-Fi 7設(shè)備也將提供優(yōu)化的性能能夠使用6 GHz的國家將全面體驗(yàn)Wi-Fi 7無與倫比的性能。”
一文看懂WiFi 7
2020年9月，我們慶祝IEEE 802.11項(xiàng)目成立30周年，該項(xiàng)目改變了我們的連接習(xí)慣。
如今，由一系列IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的Wi-Fi是最流行的數(shù)據(jù)傳輸無線技術(shù)。Wi-Fi傳輸超過一半的用戶流量。雖然蜂窩技術(shù)每十年進(jìn)行一次品牌重塑，例如從4G切換到5G，但對于Wi-Fi用戶而言，提高數(shù)據(jù)速率以及引入新服務(wù)和新功能的轉(zhuǎn)變幾乎是無形的。只有少數(shù)客戶關(guān)心消費(fèi)電子產(chǎn)品包裝盒上“802.11”后面的字母“n”、“ac”或“ax”。但這并不意味著Wi-Fi不進(jìn)化。
這種演變的見證之一是標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率的急劇增加：從1997年速度為2 Mbps的IEEE 802.11進(jìn)化到在最新的802.11ax中幾乎達(dá)到10 Gbps的速度，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也稱為Wi-Fi 6?，F(xiàn)代Wi-Fi實(shí)現(xiàn)了這樣的性能增益，這要?dú)w功于更快的調(diào)制和編碼方案(MCS)、更寬的信道以及采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。
除了高速率無線局域網(wǎng)的主賽道外，Wi-Fi演進(jìn)還包括幾個(gè)小眾項(xiàng)目。例如，Wi-Fi HaLow(802.11ah)將Wi-Fi帶入了無線物聯(lián)網(wǎng)市場。毫米波Wi-Fi(802.11ad/ay)以非常低的范圍為代價(jià)支持高達(dá)275 Gbps的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率。與8K視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、游戲、遠(yuǎn)程辦公和云計(jì)算相關(guān)的新應(yīng)用和新服務(wù)，以及支持無線網(wǎng)絡(luò)大流量用戶的需求，推動(dòng)了通信轉(zhuǎn)發(fā)到極高吞吐量(EHT)的無線網(wǎng)絡(luò)。
2019年5月，Task Group BE(TGbe)開始著手對Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行新的修訂，將≤7 GHz信道中的標(biāo)稱吞吐量提高到超過40 Gbps，并為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序提供支持(RTA)。除了提高數(shù)據(jù)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，例如前向兼容物理層(PHY)、可擴(kuò)展探測、多接入點(diǎn)(Multi-AP)合作，這將為Wi-Fi的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
在本文中，我們將給大家科普一下，WiFi 7是什么？
WiFi的沿革
在第一個(gè)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)長達(dá)七年的開發(fā)過程結(jié)束時(shí)，很明顯其2 Mbps的最大標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率太小，無法取代100 Mbps以太網(wǎng)。這就是為什么很快，社區(qū)就開發(fā)了一系列標(biāo)準(zhǔn)修正案，即802.11a/b/g，通過在2.4GHz和5 GHz頻段中使用新的MCS，將數(shù)據(jù)速率提高到54 Mbps。802.11a引入了信道帶寬為20 MHz、64個(gè)tones、符號(hào)長度為3.2µs加上0.8µs的保護(hù)間隔的正交頻分復(fù)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(shù)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率（高達(dá)600 Mbps）。首先，它引入了比之前的3/4更高的5/6編碼率，并可選擇將OFDM符號(hào)之間的保護(hù)間隔從0.8µs減少到0.4µs。其次，它將信道寬度加倍至40 MHz。第三，它引入了MIMO技術(shù)，這是802.11n最重要的突破。借助802.11n，一對設(shè)備可以使用多根天線在它們之間同時(shí)傳輸多達(dá)四個(gè)空間流(SS)。如果沒有新的MAC功能，PHY的高標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率將不會(huì)為最終用戶帶來好處。最重要的MAC特性是兩種聚合方法，即聚合MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(A-MSDU)和聚合MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(A-MPDU)，它們顯著減少了由報(bào)頭（headers）和幀間空間（inter-frame spaces）引起的開銷.A-MSDU將多個(gè)聚合數(shù)據(jù)包附加到一個(gè)MAC header和checksum。A-MPDU為每個(gè)聚合數(shù)據(jù)包分配一個(gè)MAC header和frame checksum。因此，A-MPDU通過允許在短噪聲突發(fā)的情況下解碼至少一些數(shù)據(jù)包來提高傳輸可靠性，但代價(jià)是略微增加了開銷。
下一個(gè)10倍的數(shù)據(jù)速率增長是通過802.11ac修正案(Wi-Fi 5)實(shí)現(xiàn)的。該修正案擴(kuò)展了先前版本W(wǎng)i-Fi中使用的方法。因此，它將正交幅度調(diào)制(QAM)從64-QAM增加到256-QAM，即每個(gè)符號(hào)的最大原始比特?cái)?shù)從6增加到8。信道帶寬增加到160 MHz。由于2.4 GHz中沒有這樣的寬帶，802.11ac只能在5 GHz中運(yùn)行。由于頻譜稀缺，修正案允許使用非連續(xù)的80+80 MHz信道，這些信道可以被一些頻率間隙分開。
為了應(yīng)對干擾，在每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸之前，每個(gè)設(shè)備都會(huì)自適應(yīng)地選擇用于此數(shù)據(jù)包的帶寬：20、40、80或160 MHz。至于MIMO，802.11ac將SS的數(shù)量翻了一番，達(dá)到8個(gè)。該標(biāo)準(zhǔn)的制定者已經(jīng)注意到，幾乎不可能為某些設(shè)備部署兩個(gè)以上的天線。此外，接入點(diǎn)（AP）可能只有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)用于每個(gè)客戶站（STA）。
為了解決這些問題，802.11ac引入了下行鏈路(DL)多用戶(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。為了在如此高的數(shù)據(jù)速率下減少報(bào)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(gè)八位字節(jié)增加到4 692 480個(gè)八位字節(jié)。
Wi-Fi 6(802.11ax)的發(fā)展與范式轉(zhuǎn)變有關(guān)。802.11工作組沒有提高標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率，而是專注于提高Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)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(shí)頻資源部分。除此之外，Wi-Fi 6支持上行鏈路(UL)MU MIMO和OFDMA傳輸，并為信道綁定和載波偵聽引入了更靈活的規(guī)則。AP完全控制UL MU傳輸?shù)膮?shù)，例如MCS、持續(xù)時(shí)間等。特別是，它發(fā)送包含這些參數(shù)和啟動(dòng)UL MU傳輸。
為了提高戶外場景的性能并增加OFDMA的靈活性，11be將OFDM參數(shù)降頻四倍，使tones的數(shù)量增加四倍。因此OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間變?yōu)?2.8µs加上0.8、1.6或3.2µs的保護(hù)間隔。在最短保護(hù)間隔的情況下，開銷相對于Wi-Fi 5降低了10%。為了提高標(biāo)稱吞吐量，Wi-Fi 6啟用1024-QAM，比Wi-Fi 5的256-QAM多承載25%的原始數(shù)據(jù).總而言之，標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率增加了37%，這與其前代產(chǎn)品所顯示的十倍增長相比微不足道。
盡管在密集部署中性能要好得多，但標(biāo)稱吞吐量的如此低的收益可能不會(huì)吸引新客戶。懷疑論者稱，關(guān)注運(yùn)行質(zhì)量而忽視數(shù)量性能指標(biāo)可能會(huì)減緩Wi-Fi 6設(shè)備的銷售。這種擔(dān)憂是802.11工作組轉(zhuǎn)回增加Wi-Fi 7標(biāo)稱吞吐量的原因之一，同時(shí)改善用戶體驗(yàn)（例如，觀看未壓縮速率為20 Gbps的8K視頻時(shí)）并提供游戲所需延遲低于5毫秒的實(shí)時(shí)通信。
高數(shù)據(jù)速率不足以支持RTA，因?yàn)閿?shù)據(jù)包可能會(huì)等待很長時(shí)間才能使通道變?yōu)榭臻e或之前的數(shù)據(jù)包得到服務(wù)。因此，除了提供高數(shù)據(jù)速率之外，802.11be修正案還處理RTA的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，有多種方法可以提供QoS。然而，在實(shí)踐中只使用了其中的一種，即增強(qiáng)型分布式信道接入（EDCA）。EDCA通過為它們分配不同的訪問類別(AC)來區(qū)分語音、視頻、盡力而為和背景流量類型。由于EDCA擴(kuò)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要求并使用確定性信道訪問的混合協(xié)調(diào)功能控制信道訪問等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制對于在實(shí)際設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)來說過于復(fù)雜。
2018年5月，當(dāng)Wi-Fi 6特性開發(fā)完成，802.11工作組轉(zhuǎn)而打磨11ax修正案時(shí)，該組成立了一個(gè)新的EHT Topic Interest Group(TIG).其主要目標(biāo)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(biāo)是通過擴(kuò)展11ac和11ax的PHY來提高峰值吞吐量。
2018年7月，EHT TIG轉(zhuǎn)變?yōu)镋HT研究組，定義了新項(xiàng)目的范圍并確定了11be的候選特征列表。
與此同時(shí)，802.11討論了如何在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中支持RTA。這方面的工作始于2017年11月，作為802.11無線下一代常務(wù)委員會(huì)活動(dòng)的一部分，介紹了Wi-Fi時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。該提案引起了廣泛關(guān)注，并于2018年7月推出了RTA TIG。由于支持RTA需要高標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率和一些MAC功能來加速標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程，802.11工作組同意在未來的11be修正案中提供對RTA的支持。
2018年，F(xiàn)D TIG研究了如何在Wi-Fi中實(shí)現(xiàn)FD以及該技術(shù)可以提供多少增益。11be開發(fā)人員也應(yīng)考慮這些活動(dòng)的結(jié)果。
2019年3月，EHT Study Group轉(zhuǎn)型為正在制定11be修正案的TGbe。它的目標(biāo)是在兩年內(nèi)完成初稿，即到2021年3月。最終版本預(yù)計(jì)到2024年初。雖然標(biāo)準(zhǔn)草案尚未準(zhǔn)備就緒，但所有已批準(zhǔn)的功能都可以在最新版本的規(guī)范框架文檔中找到。
為了滿足具有挑戰(zhàn)性的時(shí)間表，該小組在兩個(gè)分別關(guān)注PHY和MAC功能的特別小組中并行評(píng)估各種功能。盡管這樣優(yōu)化，但隊(duì)列中的提交很多，等待時(shí)間超過幾個(gè)月。為了加快標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)過程，該小組同意選擇一小組可在2021年發(fā)布的高優(yōu)先級(jí)功能（第1版）。此類功能應(yīng)以低復(fù)雜度提供高增益。該集應(yīng)包括支持320 MHz、4K-QAM、明顯的OFDMA改進(jìn)、多鏈路。反對此提議的主要問題與PHY和MAC更改的復(fù)雜性有關(guān)，這些更改將需要支持第2版推遲的功能。
與Wi-Fi 7相關(guān)的另一個(gè)重要問題是它與在相同免許可頻段運(yùn)行的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的3GPP技術(shù)共存。為了研究與Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的共存問題，IEEE 802.11成立了共存常設(shè)委員會(huì)(Coex SC)。Coex SC的任務(wù)是與3GPP建立聯(lián)系，建立同步工作。盡管開展了許多活動(dòng)，甚至于2019年7月在維也納與3GPP和IEEE 802.11參與者舉行了聯(lián)合研討會(huì)，但尚未批準(zhǔn)任何技術(shù)解決方案。對這種無果而終的活動(dòng)的一個(gè)可能解釋是，IEEE 802和3GPP都不愿意改變自己的技術(shù)以使其與并發(fā)技術(shù)保持一致。因此，目前尚不清楚Coex SC內(nèi)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(chuàng)新？
11be項(xiàng)目包含了非常雄心勃勃的目標(biāo)，這些目標(biāo)與更高的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率、更高的頻譜效率、更好的干擾緩解和提供RTA支持有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，802.11工作組討論了來自不同領(lǐng)域的大約500項(xiàng)提案，這些提案可以映射到Wi-Fi 7的七大創(chuàng)新之一。
1)EHT PHY
Wi-Fi 7獲準(zhǔn)通過將MU-MIMO中的帶寬和SS數(shù)量加倍來擴(kuò)展先前Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的PHY，這將標(biāo)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(biāo)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(dá)2×2×1.2=4.8倍的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率。因此，Wi-Fi 7的最大標(biāo)稱吞吐量為9.6 Gbps×4.8≈46 Gbps。此外，PHY協(xié)議的革命性變化與以前的PHY標(biāo)頭的通用化和開發(fā)向前兼容的幀格式有關(guān)。
2)具有802 TSN特性的EDCA
為了支持RTA，TGbe檢查了IEEE 802 TSN的主要發(fā)現(xiàn)，并討論了如何改進(jìn)EDCA。標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在進(jìn)行的討論與退避程序、AC以及數(shù)據(jù)包服務(wù)策略有關(guān)。
3)增強(qiáng)型OFDMA
在11ax中引入的OFDMA為優(yōu)化資源分配提供了新的機(jī)會(huì)。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(gè)預(yù)定大小的資源單元(RU)。其次，它不支持直接鏈接傳輸。這兩個(gè)缺點(diǎn)都會(huì)降低頻譜效率。此外，傳統(tǒng)OFDMA缺乏靈活性會(huì)降低密集部署的性能并增加延遲，這對于RTA至關(guān)重要。TGbe解決了這些OFDMA挑戰(zhàn)。
4)多鏈路操作
Wi-Fi 7獲得認(rèn)可的革命性變化之一是原生支持多鏈路操作，這有利于巨大的數(shù)據(jù)速率和極低的延遲。雖然現(xiàn)代芯片組目前可以同時(shí)使用多個(gè)鏈路，但鏈路是獨(dú)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級(jí)別，以允許有效使用信道資源并且不會(huì)在密集部署中受到干擾。
5)信道探測優(yōu)化
寬信道中的高階MU-MIMO和OFDMA要求設(shè)備交換大量信道狀態(tài)信息。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(guān)注可以減少信道探測開銷的方法。
6)提高頻譜效率的高級(jí)PHY技術(shù)
在TGbe推出之前，802.11工作組已經(jīng)討論了幾種先進(jìn)的PHY技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)該可以在傳輸重試和相同或相反方向的同時(shí)傳輸?shù)那闆r下顯著提高頻譜效率。盡管混合自動(dòng)重傳請求(HARQ)、FD操作和非正交多址接入(NOMA)在文獻(xiàn)中得到廣泛研究，但尚不清楚這些技術(shù)提供的增益是否足夠高以補(bǔ)償必要的改變。在Release 1的工作期間，TGbe專注于直截了當(dāng)?shù)母邇?yōu)先級(jí)功能，該小組對此毫不懷疑，社區(qū)有時(shí)間進(jìn)一步評(píng)估Wi-Fi環(huán)境下的HARQ、NOMA和FD。
7)多AP協(xié)作
11be引入的另一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新是多AP協(xié)作。802.11工作組主要關(guān)注附近AP之間的完全分布式協(xié)調(diào)。盡管許多供應(yīng)商都有自己的企業(yè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)集中控制器，但此類控制器的能力受到配置長期參數(shù)和信道選擇的限制。TGbe討論了附近AP之間更緊密的合作，包括協(xié)調(diào)調(diào)度、波束成形，甚至分布式MIMO系統(tǒng)。一些考慮的方法依賴于successive
interference constellation(SIC)。11be將支持協(xié)調(diào)調(diào)度，但存在與更復(fù)雜方法相關(guān)的一定程度的不確定性。
寫在最后
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(qiáng)型OFDMA、多鏈路操作、信道探測優(yōu)化、提高頻譜效率的高級(jí)PHY技術(shù)和多AP協(xié)作的潛在候選技術(shù)進(jìn)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(gè)重要里程碑。它的核心特性與提供極高的吞吐量和支持實(shí)時(shí)應(yīng)用程序有關(guān)雖然標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)過程還處于初級(jí)的階段，但我們已經(jīng)可以勾勒出未來的技術(shù)并指出其優(yōu)勢和局限性以及未解決的問題，這需要社區(qū)的額外努力。
在文章中，作者介紹了Wi-Fi 7的七項(xiàng)重大創(chuàng)新，并詳細(xì)描述了相關(guān)提案。但他們也強(qiáng)調(diào)。理論上，只有使用第一個(gè)創(chuàng)新：EHT PHY，才能實(shí)現(xiàn)更高的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。
然而，在實(shí)踐中，由于未經(jīng)許可的頻譜、干擾和大量開銷，僅EHT PHY無法為最終用戶提供顯著的吞吐量和延遲增益。這就是為什么除了EHT PHY之外，TGbe還討論了Wi-Fi 7的其他六項(xiàng)創(chuàng)新。
修改后的EDCA和OFDMA將為RTA提供支持。此外，OFDMA將變得更加靈活以提高頻譜效率。
在Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中引入多鏈路操作增加了資源使用的靈活性，并為更高帶寬利用率和更高吞吐量提供了一種補(bǔ)充方法。為最大限度地減少信道探測開銷tar所做的大量努力為高效的大規(guī)模MIMO Wi-Fi系統(tǒng)打開了大門。
最后，TGbe討論了高級(jí)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(xié)作方法。在后一組提案中，我們看到了另一種范式的轉(zhuǎn)變，從通過在時(shí)間/頻率/空間或功率上分離傳輸來減輕干擾到分布式大規(guī)模天線系統(tǒng)內(nèi)的聯(lián)合傳輸。雖然TGbe可能會(huì)推遲下一個(gè)Wi-Fi版本的許多高級(jí)PHY和多AP協(xié)作功能，但它們向我們展示了超越Wi-Fi 7的進(jìn)一步演進(jìn)的方向。
