Wi-Fi 7 核心技術(shù)及其應(yīng)用前景分析*

雷祖華

（中國(guó)電信股份有限公司 重慶客戶服務(wù)調(diào)度中心，重慶 400900）

0 引言

Wi-Fi（Wireless Fidelity）作為一種重要的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可為無(wú)線局域網(wǎng)用戶提供便捷的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展起到非常重要的推動(dòng)作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球使用Wi-Fi 的設(shè)備有上百億[1]。而隨著5G 技術(shù)的落地應(yīng)用，5G 高頻段和寬帶擴(kuò)展為Wi-Fi 發(fā)展提供了更多的頻譜資源，若Wi-Fi 與5G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作可實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋和更高的傳輸速率，在進(jìn)一步促進(jìn)5G 業(yè)務(wù)發(fā)展的同時(shí)，也必將推動(dòng)Wi-Fi 技術(shù)的發(fā)展及其在社會(huì)生活中的應(yīng)用，更好地滿足用戶的各種無(wú)線業(yè)務(wù)需求，因此Wi-Fi 7 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

1 Wi-Fi 技術(shù)及其發(fā)展

Wi-Fi 作為高速有線接入和蜂窩移動(dòng)通信的補(bǔ)充，主要通過(guò)無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（Access Point，AP）以低廉的價(jià)格支持無(wú)線局域網(wǎng)用戶的寬帶接入業(yè)務(wù)，為辦公樓宇、會(huì)場(chǎng)、商場(chǎng)及機(jī)場(chǎng)等多種場(chǎng)景下用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供了很大的便利，也因此得到了不斷發(fā)展。

Wi-Fi 遵從IEEE 802.11x 協(xié)議規(guī)范，伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)及其業(yè)務(wù)的發(fā)展，Wi-Fi 技術(shù)使用的頻段和可支持的傳輸速率也不斷更新。Wi-Fi 協(xié)議版本及其對(duì)應(yīng)的頻段、傳輸速率等信息如表1 所示。

表1 Wi-Fi 協(xié)議版本信息

2 Wi-Fi 7 關(guān)鍵技術(shù)

為了協(xié)同支持5G 技術(shù)應(yīng)用中越來(lái)越多用戶對(duì)低時(shí)延、超高帶寬業(yè)務(wù)的需求，IEEE 802.11be 新引入6 GHz 頻段，使得Wi-Fi 7 可工作在2.4 GHz、5 GHz、6 GHz 頻段。而6 GHz 頻段的1 200 MHz 帶寬可提供59 個(gè)20 MHz、29 個(gè)40 MHz、14 個(gè)80 MHz、7 個(gè)160 MHz 或者3 個(gè)320 MHz 的信道帶寬，最大帶寬達(dá)到了320 MHz，在相同數(shù)據(jù)流和相同編碼情況下，比最大160 MHz 帶寬的Wi-Fi 6 提升了一倍。這意味基于Wi-Fi 7 的網(wǎng)絡(luò)可以在相同條件下傳輸更多的數(shù)據(jù)，支持更多樣的無(wú)線業(yè)務(wù)。同時(shí)Wi-Fi 7 能夠支持高達(dá)30 Gbit/s 的吞吐量[3]，大約是Wi-Fi 6的3 倍。

作為Wi-Fi 的新版本，Wi-Fi 7 引入?yún)f(xié)同多用戶多輸入多輸出（Coordinated Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，CMU-MIMO）、4 096-QAM、多鏈路協(xié)作、Multi-RU、多AP 協(xié)作等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，使得Wi-Fi 7 相較Wi-Fi 6 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的時(shí)延，同時(shí)對(duì)于大量連接設(shè)備帶來(lái)的更多并行處理需求，具有極大的應(yīng)對(duì)潛力。下面針對(duì)Wi-Fi 7 的核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 CMU-MIMO 技術(shù)

Wi-Fi 7 通過(guò)引入先進(jìn)的CMU-MIMO 數(shù)據(jù)流技術(shù)，最大可支持MIMO 16×16，較Wi-Fi 6 的8 條數(shù)據(jù)流增加了一倍。同時(shí)，通過(guò)協(xié)同技術(shù)，可將16條數(shù)據(jù)流分流到不同的接入點(diǎn)并支持其同時(shí)工作，這不僅使得Wi-Fi 7 可支持8K 高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興高帶寬業(yè)務(wù)，以滿足用戶對(duì)高質(zhì)量視聽(tīng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的需求，同時(shí)也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.2 4 096-QAM 調(diào)制

采用M-QAM 對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，M值越大意味著無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率越高。Wi-Fi 6 版本中支持的最高階調(diào)制為1 024-QAM，每個(gè)調(diào)制符號(hào)可攜帶10 bit 信息。為了進(jìn)一步提高速率，Wi-Fi 7 采用4 096-QAM 調(diào)制，每個(gè)調(diào)制符號(hào)可以攜帶12 bit 信息。因此，在相同的編碼條件下，Wi-Fi 7 中的4 096-QAM 相較于Wi-Fi 6 中的1 024-QAM 可以實(shí)現(xiàn)約20%的速率提升。這意味著通過(guò)更高階的調(diào)制，Wi-Fi 7 能夠在相同的帶寬下傳輸更多的數(shù)據(jù)，使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接速度更快、吞吐量更大，從而提供更出色的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)。

2.3 多鏈路傳輸技術(shù)

Wi-Fi 7 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 這3 個(gè)頻段，隨著使用頻段的增加，可使用的信道資源也得到了很大的提升。通常，在多鏈路的情況下，如果鏈路之間的隔離度不夠，相互間會(huì)出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致傳輸質(zhì)量受到影響。另外，也存在某鏈路質(zhì)量雖然差但仍被選中進(jìn)行通信傳輸，而其他好的信道資源卻被閑置等問(wèn)題，這不僅可能導(dǎo)致信道利用率較低，而且會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。為了提高信道的利用率，克服鏈路之間的傳輸干擾，Wi-Fi 7使用了多鏈路設(shè)備及鏈路聚合技術(shù)等手段。

如圖1 所示，支持Wi-Fi 7 協(xié)議的AP 中有支持3 個(gè)頻段的射頻芯片，可支持熱點(diǎn)模式（AP）與無(wú)線終端模式（Station，STA）之間建立多頻段的鏈路。通過(guò)在鏈路層（Medium Access Control，MAC）采用多鏈路操作技術(shù)（Multi-Link Operation，MLO），以及定義多鏈路架構(gòu)、信道接入、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮?biāo)準(zhǔn)，可以將跨頻段的多條鏈路聚合成一個(gè)虛擬鏈路，在虛擬鏈路中，可以根據(jù)使用場(chǎng)景和空口狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同鏈路之間的切換和協(xié)同。相較于Wi-Fi 6 中信道鏈路獨(dú)立工作的方式，多鏈路協(xié)同方式在數(shù)據(jù)高效傳輸、快速、低延遲方面可提供更好的保障。

圖1 多鏈路工作方式

多鏈路協(xié)同傳輸?shù)哪Ｊ街饕新?lián)合傳輸和復(fù)制傳輸。聯(lián)合傳輸是將進(jìn)行合理拆分的數(shù)據(jù)報(bào)文同時(shí)放到兩個(gè)射頻鏈路上進(jìn)行傳輸，可以明顯提升傳輸速率。而復(fù)制傳輸是一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文同時(shí)通過(guò)不同的鏈路進(jìn)行傳輸，接收端按照先到先得的原則進(jìn)行接收，在保證傳輸可靠性的同時(shí)，可有效降低時(shí)延。

2.4 OFDMA 的改進(jìn)

2.4.1 MRU 技術(shù)

Wi-Fi 7 提出了多資源單元（Multiple Resource Unit，MRU）概念，該技術(shù)的目的是提高頻譜資源利用率。對(duì)于Wi-Fi 6 在正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）工 作模式引入的資源單元（Resource unit，RU）技術(shù)，雖然可以在同一時(shí)刻向多個(gè)用戶發(fā)送信息，但對(duì)每個(gè)用戶只能分配一個(gè)RU，而且不能跨RU 分配。Wi-Fi 7 則允許單個(gè)設(shè)備同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線資源單元（RU），并且可以組合不同尺寸的RU。為了保持實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和頻譜資源利用的平衡，Wi-Fi 7 協(xié)議把RU 分為小部RU（26-tone RU，52-tone RU，106-tone RU）和大部RU（242-tone RU，484-tone RU、996-tone RU、1992-tone RU）兩大類，且規(guī)定只有相同類型的RU 才能組合成一個(gè)MRU，即必須同為小部RU，或同為大部RU 才能形成一個(gè)MRU，該限制有助于提高Wi-Fi 7 的性能和資源利用效率。

如圖2 所示，320 MHz 內(nèi)同時(shí)有3 名用戶使用，一名用戶分配到996-tone RU，另外兩名用戶分別分配到484-tone RU 和484-tone RU+996 tone RU，剩余的996-tone RU 可以再分配給第一個(gè)用戶，從而提升了資源利用率，提高了信息傳輸速度。

圖2 大帶寬MRU 示例

2.4.2 前導(dǎo)碼打孔技術(shù)

前導(dǎo)碼打孔（Preamble Puncturing）技術(shù)與MRU一樣具有提升資源利用率的功能，只不過(guò)前導(dǎo)碼打孔是在受到干擾的情況下恢復(fù)信道利用時(shí)使用[4]。在Wi-Fi 6 標(biāo)準(zhǔn)中，前導(dǎo)碼打孔只是一項(xiàng)可選技術(shù)，但技術(shù)成本較高，一般的產(chǎn)品功能中并沒(méi)有包含這個(gè)功能。而在Wi-Fi 7 標(biāo)準(zhǔn)中，前導(dǎo)碼打孔一項(xiàng)已成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

從802.11n 開(kāi)始引入的信道捆綁，可將多個(gè)20 MHz 信道進(jìn)行捆綁以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，提供更高的傳輸速率；但若其中一個(gè)捆綁信道出現(xiàn)問(wèn)題則可能會(huì)使信道捆綁失敗，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷或性能下降。而Wi-Fi 7 通過(guò)引入前導(dǎo)碼打孔技術(shù)，對(duì)某受到干擾的輔信道直接打孔、屏蔽，保證其余信道繼續(xù)捆綁起來(lái)傳輸信息，從而提升了非連續(xù)信道的利用率。前導(dǎo)碼打孔技術(shù)應(yīng)用示例如圖3 所示。

圖3 前導(dǎo)碼打孔效果對(duì)比

如圖3（a）所示，若將4 個(gè)20 MHz 信道捆綁成一個(gè)80 MHz 的信道，如果某次信道受到干擾，那么信道捆綁失效，只能在主信道進(jìn)行20 MHz 帶寬的傳輸。但若引入前導(dǎo)碼打孔技術(shù)，如圖3（b）所示，則可直接將受干擾的信道置于Null 狀態(tài)予以屏蔽，并對(duì)剩余信道繼續(xù)進(jìn)行捆綁以60 MHz 信道帶寬傳輸信息，以提高傳輸效率。

2.5 多AP 協(xié)作技術(shù)

在其他已發(fā)布的Wi-Fi 協(xié)議中，各個(gè)接入點(diǎn)（AP）之間通常采用全分布式工作模式，評(píng)估吞吐量和可接入用戶數(shù)量時(shí)更傾向于以單個(gè)AP 為主。而Wi-Fi 7 協(xié)議除了關(guān)注單個(gè)AP 本身的性能和可靠性的提升，還注重多個(gè)AP 之間通過(guò)協(xié)作方式進(jìn)行資源配置[5]，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。Wi-Fi 7中主要定義了4 種協(xié)同調(diào)度方式，即協(xié)同空間重用（Coordinated Spatial Reuse，CSR）、聯(lián)合傳輸（Joint Transmission，JXT）、協(xié)同正交頻分多址（Coordinated Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，C-OFDMA）和協(xié)同波束賦形（Coordinated Beamforming，CBF）。通過(guò)這些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更合理的資源分配和協(xié)同傳輸，進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的性能。

3 主要應(yīng)用

相較于其他同類型技術(shù)，Wi-Fi 7 在數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延和效率方面表現(xiàn)更為優(yōu)異。這將對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)和工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。下文將對(duì)Wi-Fi 7技術(shù)在高清視頻流媒體、云游戲、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討。

3.1 高清視頻流媒體

隨著音視頻行業(yè)的發(fā)展，4K、8K 視頻流不斷增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬提出新的需求，不同分辨率視頻資源對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的需求見(jiàn)表2。面對(duì)用戶對(duì)視頻畫(huà)質(zhì)清晰度、播放流暢度、互動(dòng)低延遲等越來(lái)越高[6]的要求，Wi-Fi 7 高達(dá)40 Gbit/s 的峰值數(shù)據(jù)速率和增強(qiáng)的MU-MIMO 功能可很好地支持高分辨率視頻流，確保流暢播放而不會(huì)出現(xiàn)緩沖或質(zhì)量下降，可促進(jìn)4K、8K 視頻內(nèi)容在家庭娛樂(lè)和視頻專業(yè)應(yīng)用中的廣泛采用。

表2 不同分辨率下需要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

3.2 云游戲

云游戲（Cloud Gaming）是建立在云計(jì)算基礎(chǔ)上的一種游戲方式，游戲在云端服務(wù)器上運(yùn)行并經(jīng)過(guò)渲染，隨后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至玩家的游戲終端。由于云游戲使得玩家無(wú)須擁有高端硬件設(shè)備，因此它得到了極大的發(fā)展。

通常，游戲玩家不僅關(guān)注游戲內(nèi)容和運(yùn)營(yíng)手段，而且關(guān)注畫(huà)質(zhì)、流暢度、低延遲等游戲體驗(yàn)，而Wi-Fi 7 多鏈路操作特性能根據(jù)流量要求在MAC層跨不同鏈路執(zhí)行鏈路聚合和頻帶切換，有助于支持更高的頻率范圍和更大的信道寬度，從而更有效地使用頻譜資源，并可根據(jù)場(chǎng)景需求以更靈活的方式分配頻譜資源，使吞吐量、延遲或可靠性得以優(yōu)化。此外，如果將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network，TSN）的準(zhǔn)入控制和調(diào)度操作等功能集成應(yīng)用，則可以更好地減少延遲和支持高分辨率圖像，提升玩家的體驗(yàn)[7]。

3.3 工業(yè)應(yīng)用

Wi-Fi 7 的多鏈路操作特性，使其可在2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 頻段上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而可以增加峰值吞吐量，減少延遲和抖動(dòng)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)可靠性，也確保了即使存在某些連接失敗，仍能傳輸重要數(shù)據(jù)，大大提高了Wi-Fi 7 網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)率。同時(shí)，鏈路聚合可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，可支持大量終端設(shè)備的實(shí)時(shí)通信需求。此外，Wi-Fi 7 利用4K-QAM 的OFDM 調(diào)制技術(shù)，在給定帶寬內(nèi)可高速傳輸數(shù)據(jù)，且可有效支持小數(shù)據(jù)包的超低延遲傳輸。這些特性可支持Wi-Fi 7 在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用。比如在醫(yī)療保健領(lǐng)域，Wi-Fi 7 可實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)縫傳輸，支持遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和機(jī)器人手術(shù)等。Wi-Fi 7 的低延遲和高網(wǎng)絡(luò)容量特性還可促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的集成，優(yōu)化工業(yè)領(lǐng)域各種應(yīng)用程序的性能，助力智能工廠和工業(yè)4.0 建設(shè)[8]。

3.4 交互式博物館應(yīng)用案例

目前，博物館多依賴無(wú)線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向參觀者提供展品相關(guān)信息。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）的發(fā)展，將其應(yīng)用于博物館展品中可支持添加更多信息[9]，并通過(guò)互動(dòng)方式使人們獲得更多直觀感受。對(duì)此，博物館可根據(jù)參觀者數(shù)量、分布和動(dòng)態(tài)行為，按需部署大量Wi-Fi 7 AP，并在多AP 間采用協(xié)同工作模式，以支持更多設(shè)備的接入和AR 交互業(yè)務(wù)的交付。

如圖4 所示，博物館展廳頂部中心某AP 需通過(guò)下行鏈路向用戶下發(fā)相關(guān)展品附加的音視頻解說(shuō)、可交互式音視頻指南及博物館提供的各類實(shí)時(shí)信息，同時(shí)也為用戶提供部分沉浸式體驗(yàn)的AR 業(yè)務(wù)。由于沉浸式體驗(yàn)AR 業(yè)務(wù)流量對(duì)帶寬要求高，可容忍延遲為5 ms。為了優(yōu)先保證對(duì)時(shí)延敏感的沉浸式體驗(yàn)AR 業(yè)務(wù)，可將其定義為最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，而其他音視頻解說(shuō)、指南及實(shí)時(shí)通知等信息提供為普通業(yè)務(wù)。AP 處理隊(duì)列中數(shù)據(jù)包時(shí)可根據(jù)其優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先處理隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包。對(duì)時(shí)延特別敏感的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，甚至可以采用強(qiáng)占優(yōu)先方式，強(qiáng)制中斷現(xiàn)有較低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包處理，最大限度保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求。

圖4 博物館AP 服務(wù)環(huán)境

另外，結(jié)合TSN 的調(diào)度控制及路由策略等，根據(jù)不同數(shù)據(jù)包對(duì)時(shí)延和帶寬的需求進(jìn)行路由選擇和流分配，可更充分地應(yīng)用Wi-Fi 7 通道資源來(lái)滿足交互式博物館多樣性的、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的業(yè)務(wù)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，Wi-Fi 作為蜂窩移動(dòng)通信的補(bǔ)充一直緊跟移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，在無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。隨著5G 業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，業(yè)內(nèi)預(yù)估，Wi-Fi 7 將在2024—2025 年獲得Wi-Fi 聯(lián)盟認(rèn)證。

目前，TP-Link 公司已發(fā)布了支持Wi-Fi 7 的路由器，華為推出了支持Wi-Fi 7 的新一代AP，高通發(fā)布了支持Wi-Fi 7 的芯片，聯(lián)發(fā)科在2022 年推出了用于路由器、中繼器、網(wǎng)關(guān)等的Wi-Fi 7 平臺(tái)旗艦芯片。隨著更多產(chǎn)品的出現(xiàn)，相信Wi-Fi 7 通過(guò)集成TSN 等其他技術(shù)，將為用戶提供更快、更穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，為更多5G 新業(yè)務(wù)應(yīng)用的落地提供強(qiáng)大的支持。