Wi-Fi 7 關鍵技術研究綜述

曹珂崯 張閩 張天舒

摘要：隨著人工智能、大數據、物聯網等技術的高速發展，4K/8K視頻、在線大型游戲、虛擬現實（Virtual Reality，VR） 和遠程辦公等應用程序也應運而生。然而，現有的Wi-Fi 6標準難以滿足其高吞吐量和低時延的網絡需求。因此，IEEE將發布下一代無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN） 標準IEEE 802.11be，也稱為Wi-Fi 7。文章重點介紹和分析了Wi-Fi 7的技術特點和應用場景，最后總結和展望了Wi-Fi 7的研究方向和潛在發展。

關鍵詞： Wi-Fi 6；吞吐量；IEEE 802.11be；Wi-Fi 7

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0082-03

0 引言

隨著移動通信設備和數據流量爆炸式增長，無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN） 呈現密集部署的趨勢。根據Wi-Fi聯盟的研究報告顯示，越來越多的家庭、企業和學校等場所利用Wi-Fi技術作為其主要的無線網絡接入技術，全球使用Wi-Fi技術的終端設備預計超過90億臺[1]。Wi-Fi技術已經成為移動智能通信領域的主要無線網絡接入方式。從1997 年開始，無線局域網使用IEEE 802.11標準已有20余年，經歷了多次修訂和完善，不斷演進和發展的IEEE802.11標準如表1所示。

1997年，IEEE發布了第一個802.11標準，其理論最大速率可達到2 Mbps，采用相移鍵控（Phase ShiftKeying，PSK） 和跳頻技術（Frequency-Hopping SpreadSpectrum，FHSS）技術。1999 年頒布的IEEE 802.11b 協議新增了直接序列擴頻（Direct Sequence SpreadSpectrum，DSSS） 模式，可以提供11 Mbps的數據速率。

2002年提出的IEEE 802.11g/a協議，在物理層引入了正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multi?plexing，OFDM） 技術，該技術可以提高頻譜利用率，達到54 Mbps的數據速率。IEEE 802.11n于2009年正式發布，這是WLAN發展史上的里程碑，其核心技術是單用戶的多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO） 和信道綁定技術。802.11n支持256-QAM的調制方式，其最大速率可以達到500 Mbps，比之前版本的速率提高了10倍以上。802.11ac于2014年正式發布，該協議支持5 GHz的免許可頻段，同時兼容之前的網絡協議，為用戶提供更高的系統容量、更高的調制方式（1024-QAM） 和更快的傳輸速率（達到1Gbps） [3]。IEEE 802.11ac支持1024-QAM的調制方式，其最大速率可以達到1 Gbps。IEEE 802.11ax協議引入了多個新技術以支撐數據傳輸[4]，其中包括多用戶傳輸的正交頻分復用多址（Orthogonal Frequency Divi?sion Multiple Access，OFDMA） 技術、空間復用（SpatialReuse，SR） 技術、基于目標喚醒時刻（Target WakeTime，TWT） 節能。

當前，WLAN標準正處于第六代到第七代的過渡期，該標準每一代的變革都提出了關鍵技術來提升網絡性能指標。由于高清4K/8K 視頻（數據速率高達20Gbps） 、在線大型游戲（網絡延遲低于5毫秒）、虛擬現實VR和遠程辦公等應用程序爆炸式增長，人們對高吞吐量和低延遲的網絡需求日益激增。雖然2021 年發布的第六代IEEE 802.11ax標準已高度關注密集場景下的用戶體驗和網絡性能指標，但面對高速率、低延遲的應用程序和密集部署的智能設備，Wi-Fi由于信道接入過多和相互間的干擾，網絡性能呈下降趨勢。在此背景下，電氣和電子工程師協會于2019年5 月成立了工作組，標準預計于2024年年底發布。因此，第七代Wi-Fi（IEEE 802.11be標準）應運而生，并將其稱為極高吞吐量WLAN（Extremely High Throughput，EHT） 。Wi-Fi 7引入了320MHz帶寬、非連續頻譜的使用、Multi-Link 多鏈路機制、4096-QAM、多資源單元（Multi-Resource Unit，Multi-RU） 、增強MU-MIMO 等新興技術，以提供更高的數據傳輸速率和更低的網絡時延。同時，Wi-Fi 7預計能達到30 Gbps的網絡吞吐量，大約是Wi-Fi 6的3倍。Wi-Fi 7的出現標志著Wi-Fi呈飛速發展，辦公、生產、娛樂都將進入全無線連接時代。

1 Wi-Fi7 技術特點

無線速率的提升離不開頻段、無線信道的擴展以及調制方式的升級。Wi-Fi 7引入了一系列新興技術，促進了Wi-Fi的發展，并優化了無線網絡的整體性能，相比Wi-Fi 6，其主要特點在于極高吞吐量、超低時延、低功耗等。

1.1 支持320MHz 帶寬和非連續頻譜的使用

頻譜資源是無線網絡的關鍵，任何新一代無線電技術需利用頻譜資源作為其通信載體。過去20多年間，Wi-Fi一直在2.4GHz和5GHz的免許可頻段上工作，承載著日益增長的網絡需求。由于2.4GHz 和5GHz免許可頻譜資源有限且短缺，現有的Wi-Fi技術在面對新興的應用程序時，將出現用戶服務質量降低、網絡速率慢和高時延等問題。因此，Wi-Fi 7工作組成員將目光放到了聯邦通信委員會通過的6GHz頻譜上，利用6GHz上的頻譜資源作為提升Wi-Fi 7峰值吞吐量的直接方法[5]。如圖1 所示，接入點（AccessPoint，AP） 在2.4GHz 頻段上可使用高達20MHz 的帶寬，5GHz 頻段上可達160MHz 帶寬，而Wi-Fi 7 將在6GHz頻段上使用320MHz帶寬，該頻譜帶寬是5GHz 頻帶中可用帶寬的兩倍多。根據香農公式定理可知[6]，320MHz頻譜帶寬可實現Wi-Fi 7極高吞吐量的目標。除了支持6GHz頻段，Wi-Fi 7還支持非連續頻譜的使用，并增加了新的帶寬使用模式，比如連續240MHz信道、非連續160+160MHz信道、非連續160+80MHz信道和連續320MHz信道等。在沒有可使用的連續頻譜資源情況下，Wi-Fi 7使用非連續頻譜有助于相鄰的網絡實現共存，提供組合型的高帶寬以提高網絡吞吐量。

1.2 支持Multi-RU 機制

Wi-Fi 6引入OFDMA技術，將特定的子載波分配給不同的用戶，實現多個用戶的同時傳輸以提升信道利用率。多個用戶可以在每個時間片上同時發送數據包，并為每個用戶分配合適的資源單元（ResourceUnit，RU） ，從而同時提高多個用戶的性能指標。在20 MHz 高效的物理層協議數據單元中，RU 被分為26-tone、52-tone、106-tone 和242-tone。對于Wi-Fi 而言，信道帶寬越大，能夠被分配的RU數量就越多，能夠支持同時傳輸的用戶就越多。然而Wi-Fi 6協議規定，一個RU只能用于一個用戶傳輸數據包，難以滿足用戶高速率和低時延的需求，大大限制了頻譜資源調度的靈活性。為解決此問題，Wi-Fi 7提出將多個RU同時分配給一個用戶，以提升頻譜資源的利用率。針對Multi-RU機制存在多個RU調度復雜的缺點，提出以下限制：小于242-tone 的RU 只能和小于242-tone的RU合并用以傳輸；大于等于242-tone的RU只能和大于等于242-tone 的RU 合并用以傳輸；小于242-tone的RU不能和大于等于242-tone的RU合并用以傳輸。因此，Multi-RU機制保證了頻譜資源的靈活調度，大大提升了頻譜利用率和網絡速率。

1.3 支持Multi-Link 多鏈路機制

為實現低功耗、低時延和高效率的建設目標，Wi-Fi 7將允許在多個鏈路上同時發送數據包，信道可以占用不同的頻帶，甚至可以占用相同的頻帶。Multi-Link多鏈路機制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。Multi-Link多鏈路機制可以聚合不同帶寬和不同數量的鏈路用以傳輸數據，例如同時使用160MHz 和20MHz這兩條鏈路帶寬，以傳輸一位用戶的數據。當用戶設備占用相同的頻帶資源時，Wi-Fi 7 擴展了TWT節能技術以支持低功耗設備和應用。當用戶設備在數據鏈路上未發送或接收數據時，可以使其處于休眠狀態。當該用戶設備需要傳輸數據時，可以將其喚醒以實現節能。TWT節能技術允許用戶設備之間協商喚醒時間和休眠時間，并預測用戶設備的延遲時間，以避免鏈路間發生沖突，從而實現低時延、低功耗。

1.4 支持MU-MIMO 機制

如今，MU-MIMO機制是許多無線網絡技術用以增加其容量的關鍵技術。無線通信往往需要一個基站同時與多個移動臺之間進行通信，使得數據實現并行傳輸。隨著數據流量和用戶設備爆炸式增長，對于Wi-Fi而言，一個接入點將與多個用戶設備同時連接，以實現吞吐量最大化和傳輸公平性。為了滿足網絡設備激增所帶來的日益增長的流量需求，Wi-Fi工作組提出了MU-MIMO機制，各個用戶設備占用相同的信道資源，數據都在相同的子載波上傳輸。Wi-Fi 6增加至8 個空間流以實現數據傳輸。Wi-Fi 6 通過MU-MIMO機制可同時服務多達8個用戶進行上行鏈路和下行鏈路的數據傳輸。為了配合MU-MIMO機制，接入點會向所有用戶精確發送觸發幀。該觸發幀指示空間流的數量和功率控制信息，使得每個用戶可以根據離接入點的無線電距離來增加或減少發射機的功率。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎上，由8個空間流增加至16個空間流，以獲得更高的網絡容量和網絡速率，其理論上可達Wi-Fi 6的兩倍多。目前，在802.11 的工作模式下，AP與AP之間實際上是沒有協作的。而Wi-Fi 7還將支持分布式MIMO傳輸技術，多個接入點可以同時提供16條數據流，從而實現多個用戶同時傳輸數據。MU-MIMO機制使得多個接入點之間互相協調，多個空間流同時傳輸數據，大幅提升網絡系統的效率。

1.5 支持4096-QAM

正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM） 可以將兩種調幅信號匯聚到一條信道上，利用星座圖實現對數據的調制和解調，因此，可以拓展雙倍的有效信道帶寬。Wi-Fi 7改進了原有編碼的調制解調策略，將前一代的1024-QAM擴展為4096-QAM，使得星座圖中一個點可以帶動的數據量從10個比特提升至12個比特，Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以獲得20%的速率提升，其峰值速率可達到30 Gbps。

2 Wi-Fi7 技術典型應用場景

2.1 多媒體領域

如今，家庭、學校、商場等場所的智能設備大多以Wi-Fi作為主要的網絡接入技術。智能設備中的應用程序迫切需要高速率、高帶寬、低時延和低功耗的Wi-Fi技術，Wi-Fi 7引入的新興技術解決了以上問題。隨著5G時代的到來，4K/8K超高清視頻已經應用在筆記本電腦、平板、手機和高清電視等智能設備上，Wi-Fi 7的極高吞吐量能夠為4K/8K流媒體提供極速上傳和下載，使用戶更加便捷地享受優質的視頻畫面。同時，VR、在線大型游戲和遠程辦公等多媒體應用程序也將因為Wi-Fi 7的到來而蓬勃發展，并為用戶帶來良好的多媒體應用體驗。

2.2 智能制造領域

Wi-Fi 7的提出與實施有利于智能制造領域的發展。工業革命浪潮中，穩定、快速、連續和智能的無線網絡將成為各工業領域數智轉型的穩定網絡基石。工業互聯網是實現智能制造的基礎設施[7]，5G和Wi-Fi技術的發展推動工業互聯網的布局和規劃，從而支持物聯網、云計算、大數據等智能制造產業的高速發展。Wi-Fi 7 充分利用其關鍵技術，包括免許可的6GHz頻段、更高階的數字信號調制解調技術、Multi-Link 多鏈路機制，從而為智能制造產業保駕護航。Wi-Fi 7將鞏固“中國制造2025”的概念，使得智能制造領域的機器和工業設備實現更快速和更穩定的操作，可實現工業車間生產一體化、智能化和網絡化。

2.3 交通運輸領域

近年來，隨著科技的發展和智慧城市體系的建設，城市交通運輸系統也逐漸智能化。智能交通系統是融合計算機技術、網絡通信技術、傳感器技術等新興科學技術于傳統交通系統，實現實時、高效的交通運輸系統。隨著車聯網的興起和Wi-Fi的廣泛使用，很多車輛都配有車載Wi-Fi，Wi-Fi 7的優點（低時延、低功耗、高速率）推動著智能交通系統的快速發展。比如，人們出行經常需要實時的交通信息，Wi-Fi 7技術可以快速預測道路交通情況，讓出行者及時規避擁堵路段，進而推動交通運輸系統向智能化、高效率的方向發展。

3 結論

本文首先從使用Wi-Fi技術的終端設備和數據流量爆炸式增長引出Wi-Fi 7，從而對Wi-Fi 7的關鍵技術進行了分析，并介紹了Wi-Fi 7的典型應用場景。Wi-Fi 7將于2024年發布，Wi-Fi技術不斷更新，未來將與多媒體技術、人工智能、云計算、大數據、物聯網等領域緊密結合在一起。Wi-Fi 7在實現高速率、低功耗、低延遲的同時，期待與未來的6G技術相結合，層出不窮的無線網絡技術將為人們帶來高可靠的網絡服務，便利人們的生活。如今，Wi-Fi 7正在緊鑼密鼓地研究中，可以預見，Wi-Fi 7將會在未來的無線通信網絡技術中占據非常重要的地位。

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