Wi-Fi 7技術的關鍵技術分析及應用場景

摘要：該文通過回顧Wi-Fi技術的發展歷程，引出Wi-Fi 7技術的發展必然趨勢，并將Wi-Fi 7技術與Wi-Fi 6技術進行對比，詳解Wi-Fi 7的特性與優勢，Wi-Fi 7中的核心關鍵技術、安全與隱私保護機制以及未來的應用場景。

關鍵詞：802.11be；多鏈路機制；4096QAM

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.034

中圖分類號：TN 92 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

The Key Technology Analysis and Application Scenarios of Wi-Fi 7

ZHANG Yu， GAO Yu

（The State Radio_monitoring_center Testing Center， Beijing 100041， China）

Abstract： Through the retrospect on Wi-Fi technology evolution process， this article introduces the development tendency of Wi-Fi 7. And on the basis of the comparation between Wi-Fi 7 and Wi-Fi 6， this article also detailedly presents Wi-Fi 7’s features， advantages， key technologies， protection mechanisms for security and privacy， as well as its application scenarios in future.

Keywords： 802.11be; multi-link operation; 4096QAM

1 研究背景

隨著WLAN技術的發展，家庭、企業等越來越依賴Wi-Fi，并將其作為接入網絡的主要手段。近年來出現新型應用對吞吐率和時延要求也更高，比如，4K和8K視頻（傳輸速率可能會達到20 Gbps）、VR/AR、游戲（時延要求低于5 ms）、遠程辦公、在線視頻會議和云計算等。雖然最新發布的Wi-Fi 6已經重點關注了高密場景下的用戶體驗，然而面對上述更高要求的吞吐率和時延依舊無法完全滿足需求。為此，IEEE 802.11標準組織即將發布一個新修訂標準IEEE 802.11be EHT，即Wi-Fi 7。

2 Wi-Fi 7技術概述

2.1 傳統Wi-Fi技術回顧

傳統Wi-Fi技術的發展歷程可以追溯到20世紀90年代初。當時，IEEE 802.11標準的第一個版本于1997年發布，并以2 Mbps的速度提供無線連接。隨著時間的推移和技術的進步，Wi-Fi技術逐漸演變并取得了長足的發展。

在2000年左右，Wi-Fi技術開始采用更高的頻率（5 GHz），以提供更高的速率和帶寬。隨后推出的802.11a和802.11g標準分別支持了54 Mbps和54～108 Mbps的速率，使用戶能夠更快地進行數據傳輸和互聯網訪問。

2000年代中期，出現了802.11n標準，引入了MIMO（多輸入多輸出）技術，通過使用多個天線進行數據傳輸，極大地提高了速度和信號質量。這一標準還支持了更大的帶寬，為高清視頻流媒體和在線游戲等高帶寬應用提供了支持。

2010年代，隨著對更高速率和更可靠連接的需求增加，IEEE 802.11ac標準應運而生。該標準在5 GHz頻段提供了更高的速率（最高可達1 Gbps）和更大的容量，使用更先進的調制技術和更大的信道寬度，進一步提升了Wi-Fi的性能。

目前，Wi-Fi 6（802.11ax）標準已經開始商用部署。這一標準引入了更高效的多用戶技術，以支持大規模高密度連接和更好的網絡性能。Wi-Fi 6還通過使用OFDMA（正交頻分復用多址）和BSS色彩隔離等技術，改善了網絡容量和資源利用率。

總之，傳統Wi-Fi技術經歷了從初始的2 Mbps到目前的Wi-Fi 6的演進過程。這一發展歷程不僅提供了更快速、穩定和可靠的無線連接，也推動了互聯網應用的普及和發展。隨著對更高速率、更可靠連接和低延遲需求的增加，未來的Wi-Fi技術如Wi-Fi 7將繼續推動無線通信的發展。

2.2 Wi-Fi 7技術概念及優勢

2.2.1 Wi-Fi 7的基本概念

Wi- Fi 7，即802.11be，協議組的現在命名是IEEE 802.11 EHT，EHT的意思是Extremely High Throughput（對比802.11ax為HEW：High Efficiency WLAN）[1]。

Wi-Fi 7（Wi-Fi 7）是下一代Wi-Fi標準，是在Wi-Fi 6的基礎上引入了320 MHz帶寬、4096-QAM、Multi-RU、多鏈路操作、增強MU-MIMO、多AP協作等技術，使得Wi-Fi 7相較于Wi-Fi 6將提供更高的數據傳輸速率和更低的時延。Wi-Fi 7預計能夠支持高達30 Gbps的吞吐量，大約是Wi-Fi 6的3倍。

2.2.2 Wi-Fi 7的特點與優勢

Wi-Fi 7技術相較于Wi-Fi 6具有以下特點和優勢：

（1）更高的速率和容量：Wi-Fi 7采用更高頻率范圍和更寬的信道帶寬，提供更大的數據容量和最大30 Gbps的傳輸速率。相比當下主流的Wi-Fi 6通信網絡，Wi-Fi 7支持最大320 MHz帶寬，其引入6 GHz頻段，并增加新的帶寬模式，包括連續240 MHz，非連續160+80 MHz，連續320 MHz和非連續160+160 MHz，這樣做最直接的好處便是解決2.4 GHz和5 GHz頻段免授權頻譜有限且擁擠的問題[2]。

（2）支持Multi-RU機制：在Wi-Fi 6中，每個用戶只能在分配到的特定RU上發送或接收幀，大大限制了頻譜資源調度的靈活性。為解決該問題，進一步提升頻譜效率，Wi-Fi 7中定義了允許將多個RU分配給單用戶的機制。當然，為了平衡實現的復雜度和頻譜的利用率，協議中對RU的組合做了一定的限制，即：小規格RU（小于242-Tone的RU）只能與小規格RU合并，大規格RU（大于等于242-Tone的RU）只能與大規格RU合并，不允許小規格RU和大規格RU混合使用[3]。

（3）更低的延遲：Wi-Fi 7借鑒了5G技術中的低延遲機制，通過優化協議棧和傳輸方式，實現了更低的延遲。這對于實時互動應用（如視頻通話、在線游戲）和物聯網設備的交互非常重要，提供了更快速、即時的響應體驗。

（4）更好的時序同步：Wi-Fi 7引入了更精確的時序同步機制，確保網絡中的不同設備能夠以準確的時間間隔進行通信。這對于時序敏感的應用，如工業自動化和無線傳感器網絡，非常重要，提供了更可靠的數據傳輸和協同工作能力。

（5）更強的安全性：Wi-Fi 7在安全機制方面進行了增強，包括更強大的加密算法、身份認證和訪問控制。這有助于保護用戶數據的安全性，并防止未經授權的設備接入網絡，提供了更高級別的網絡安全和隱私保護。

圖1 Wi-Fi 7與Wi-Fi 6的對比

3 Wi-Fi 7中的關鍵技術

3.1 16空間流和增強的MIMO技術

Wi-Fi 6使多天線AP能夠通過多用戶MIMO在空間上復用最多8個下行和上行設備[4]。在Wi-Fi 7中，空間流的數從Wi-Fi 6的8個增加到16個，理論上可以將物理傳輸速率提升兩倍以上。支持更多的數據流也將會帶來更強大的特性——分布式MIMO，意為16條數據流可以不由一個接入點提供，而是由多個接入點同時提供，這意味著多個AP之間需要相互協同進行工作。

3.2 更高階的4096-QAM調制技術

Wi-Fi 6的最高調制方式是1024-QAM，其中調制符號承載10 bits。為了進一步提升速率，Wi-Fi 7將會引入4096-QAM，使得調制符號承載12 bit。在相同的編碼下，Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以獲得20%的速率提升。

3.3 Multi-Link多鏈路機制

為了實現所有可用頻譜資源的高效利用，迫切需要在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz上建立新的頻譜管理、協調和傳輸機制。工作組定義了多鏈路聚合相關的技術，主要包括增強型多鏈路聚合的MAC架構、多鏈路信道接入和多鏈路傳輸等相關技術。

3.4 前導碼穿孔（Preamble Puncturing）技術

當用戶已經占用一部分信道的帶寬時，如20 MHz或40 MHz，通常會阻止AP使用這個頻段，造成一定程度的浪費。針對這種情況，Wi-Fi 7采用了一個創新的解決方案，稱為“前導碼穿孔”，在保證連續信道可用的同時，允許切割網絡并避免使用包含干擾信號的部分頻譜。雖然總帶寬會因穿孔的數量而降低，但仍然能夠提供比其他方式更寬的信道。

圖2 前導碼穿孔技術

4 Wi-Fi 7安全與隱私保護

4.1 安全性分析與評估

Wi-Fi 7將進行全面的安全性分析與評估，識別潛在的安全漏洞和威脅。通過對協議、算法和實施的細致研究，檢測和糾正可能存在的安全弱點，以確保系統的整體安全性。

4.2 隱私保護機制

Wi-Fi 7采取一系列隱私保護機制，防止用戶敏感信息被未經授權的訪問和泄露。這包括數據加密、身份匿名化、數據脫敏和隱私保護協議等技術手段。通過對用戶數據進行有效保護，Wi-Fi 7確保用戶隱私得到最大程度的保障。

4.3 身份認證與訪問控制

Wi-Fi 7引入更強大的身份認證和訪問控制機制，以阻止未經授權的設備接入網絡。這包括基于證書的身份認證、多因素身份驗證和統一訪問控制等技術。只有通過身份驗證的合法用戶才能獲得網絡訪問權限，從而保證網絡的安全性和可信度。

以上措施確保Wi-Fi 7系統在數據傳輸過程中具有安全性、完整性和保密性，并且只允許合法用戶進行網絡訪問。這使得Wi-Fi 7成為一種更加安全可靠的無線通信技術，滿足用戶對于隱私保護和數據安全的需求。

5 Wi-Fi 7的應用場景

（1）IoT及智能家居：隨著物聯網的快速發展，越來越多的設備連接到互聯網，并相互通信和交互。Wi-Fi 7可以提供更高的數據傳輸速率、更低的時延和更強的連接密度，為智能家居設備間的互聯和通信提供更好的支持。例如，智能家電、智能安防系統、智能燈光控制等設備都可以通過Wi-Fi 7實現更穩定、高效的連接和操作。

（2）5G網絡融合應用：Wi-Fi 7與5G網絡的融合應用將進一步增強無線通信的性能和應用場景。Wi-Fi 7可以與5G網絡進行協同工作，提供更廣闊的覆蓋范圍和更高的網絡容量。這種融合可加速數據傳輸、降低時延，并實現更好的用戶體驗。例如，通過Wi-Fi 7和5G的融合，可以在城市、交通、醫療等領域實現更智能化、高效的解決方案。

（3）工業自動化和智能制造：Wi-Fi 7在工業自動化和智能制造中也具備廣闊的應用前景。它可以為機器人、傳感器網絡和工業設備提供可靠的無線連接，實現高效的數據傳輸和控制。通過Wi-Fi 7的應用，企業可以實現更高的生產效率、更好的資源管理和更精確的監測與控制。

（4）智慧城市：Wi-Fi 7的高速、高容量特性使其成為構建智慧城市基礎設施的理想選擇。它可以支持各種智能設備和系統的連接，例如智能交通、智能停車、智能照明和環境監測等。通過Wi-Fi 7，城市可以實現更高效的資源利用、更好的公共服務和更智能的城市管理。

（5）遠程醫療保健：Wi-Fi 7的高帶寬和低時延特性對于醫療保健領域非常重要。它可以用于遠程醫療、醫療設備的互聯和監測，提供穩定的無線連接和實時數據傳輸。通過Wi-Fi 7的應用，醫療機構可以改善醫療服務和患者護理，實現更高效的診斷和治療。

（6）教育和遠程學習：隨著遠程學習的普及，Wi-Fi 7有望提供更快速、可靠的網絡連接，支持在線教育和遠程學習。它可以為教育機構和學生提供高質量的視頻會議、在線課程和資源訪問等服務，提升學習效果和體驗。

（7）特殊環境：Wi-Fi 7具備較強的抗干擾性和魯棒性，適用于特殊環境下的應用，如工業控制系統、野外勘探、采礦和農業等。它可以提供可靠的無線通信，適應復雜的工作條件和惡劣的環境要求。

6 結束語

Wi-Fi 7中涉及的關鍵技術為Wi-Fi 7的發展奠定了基礎，并為滿足日益增長的數據需求和多設備連接的要求提供了解決方案。然而，Wi-Fi 7仍面臨一些問題和挑戰，如兼容性、設備成本、部署和覆蓋范圍、安全性和隱私以及頻譜管理等。解決這些問題需要標準化、技術創新、政策支持和產業合作的努力，以推動Wi-Fi 7的廣泛應用和普及。

參考文獻

[1] 紀寧，李晶晶，易清園，馬洪兵．展望下一代的Wi-Fi技術Wi-Fi 7（802.11be）[J]．石油知識， 2023（02）： 44-45．

[2] 顏媛媛．實測網速達 4.3 Gbps Wi-Fi 7國內標準即將落地[N]．電腦報，2023-06-12業界新聞．

[3] 周謀成．基于下一代WIFI的VR業務傳輸優化研究[D]．武漢：華中科技大學，2022．

[4] 代靜．下一代Wi-Fi MAC層關鍵技術研究[D]．武漢：華中科技大學，2019．