Wi-Fi7 關鍵技術分析綜述

錢智紅，成 剛

（1.上海諾基亞貝爾軟件有限公司，上海 201206；2.上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海 201206）

0 引言

通常Wi-Fi 技術標準每隔5 年左右就會更新迭代，在國內支持Wi-Fi6 技術的產品已經成為市場主流的同時，下一代Wi-Fi7 標準也已經完成了主要規范的定義。迄今，IEEE 工作組已經發布了Wi-Fi7（IEEE 802.11be）的草案3.0 版本[1]。預計至2024 年5 月，IEEE 將發布Wi-Fi7 最終版本，完成所有的Wi-Fi7 標準制定。

而對應的Wi-Fi 聯盟認證項目是從2021 年開始建立市場任務組，預計2023 年底完成Wi-Fi7 認證項目開發。另外，目前已經有設備廠家在基于Wi-Fi7 芯片開發新產品，可以預測2024 年將是商用Wi-Fi7 路由器和終端相繼涌現的元年。

IEEE 把802.11be 又稱為極高吞吐量（Extremely High Throughput，EHT），即對于Wi-Fi6 之后的性能大幅度提升給予了非常高的期望。IEEE 工作組起初在制定802.11be 標準的時候，把規范發布分成兩個階段，分別定義了很多關鍵技術和對應的技術指標。從最新的標準制定進展來看，原先第二階段的主要內容將放在2028年左右的Wi-Fi8 標準中，比如多AP 接入協作技術、16個多輸入多輸出空間流等。

本文首先概述Wi-Fi7 的關鍵技術指標和特征，然后著重介紹和分析多鏈路同傳技術和多資源單位技術的工作原理以及對業務帶來的變化或影響，并且闡述Wi-Fi7 物理層的調制方式和帶寬的變化，接著對Wi-Fi7 演進到Wi-Fi8 的潛在技術進行分析和探討，最后對Wi-Fi技術發展做總結和展望。

1 Wi-Fi7 的關鍵技術分析

歷數Wi-Fi 標準發展演進的關鍵技術，Wi-Fi 技術創新主要包含物理層編碼調制技術來提升連接速率，通過信道綁定來拓展帶寬，通過空間復用或者頻域復用來提升帶寬以及多用戶并發接入數量等，可見更高的速率、更高的帶寬和更多的接入用戶數量一直是Wi-Fi 技術迭代升級的主要目標。

在Wi-Fi6 的技術基礎上，Wi-Fi7 在這些核心領域繼續拓展和創新，達到了Wi-Fi 技術迄今在速率、帶寬和用戶并發數量的超高性能指標。此外，考慮到業務時延已經成為影響用戶體驗的關鍵因素，Wi-Fi7 也把超低時延作為其技術演進的重要指標。Wi-Fi7 與Wi-Fi6 的關鍵性能指標如表1 所示[1-3]。

表1 Wi-Fi7 關鍵性能指標

表2 是Wi-Fi7 的關鍵技術特征，它既包括在原有Wi-Fi6 技術上的效率或性能提升，比如4096-QAM 調制和320 MHz 帶寬等，也包括新技術在Wi-Fi7 標準中的引入，比如多鏈路同傳技術、多資源單位技術、低時延識別技術等[2]。Wi-Fi7 通過實現這些核心技術，從而支持超高速率、超高帶寬、超高并發用戶接入以及超低時延的技術指標[1-3]。

表2 Wi-Fi7 關鍵技術特征

1.1 多鏈路同傳技術

Wi-Fi 標準演進到Wi-Fi6E 時，AP 或者終端可以同時支持2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 三個頻段。但標準只支持一個AP 與一個終端之間在一個頻段的信道上建立物理層和MAC 層連接，只能在這一個連接上進行數據傳送，即單鏈路傳輸模式，這種方式沒有充分發揮AP 與終端之間多頻段的物理配置的能力。

而Wi-Fi7 標準支持AP 與同一個終端在2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 頻段的信道上同時建立連接，相當于把三個頻段捆綁在一起形成更大的傳輸通道，AP 與終端就在多條連接上同時傳送數據，因而能顯著提升AP 與終端的傳輸吞吐量。

Wi-Fi7 把這種多條鏈路連接同時傳送數據的技術稱為多鏈路同傳技術[1-2]，把相關的設備稱為多鏈路設備（Multiple Link Device，MLD）。其中，具有多鏈路功能的AP 設備被稱為多鏈路AP（AP MLD），具有多鏈路功能的終端（Station）被稱為多鏈路STA（non-AP MLD）。

從Wi-Fi7 設備的上層應用軟件的角度來說，在多鏈路同傳技術下，即使物理數據通道有多條，但AP 與終端之間仍然必須保持一對一的數據鏈路層的地址訪問模式，這樣應用軟件就不需要識別Wi-Fi 數據傳送是單鏈路還是多鏈路方式。

為了實現多鏈路同傳下的統一的數據鏈路層模式，Wi-Fi7 標準把多鏈路設備的MAC 層分成高MAC 層和低MAC 層[1-2]，各自有對應的MAC 地址，參考圖1 的多鏈路設備的協議棧。

圖1 多鏈路同傳技術下的MAC 層協議棧

(1) 高MAC 層：多個數據鏈路共享的公共MAC 層，對應多鏈路設備統一的MAC 地址，它負責對各鏈路發送前的數據報文進行成幀前的處理，或對接收數據報文做解析處理。

(2) 低MAC 層：各個物理鏈路各自對應的MAC 層，有對應的各個鏈路MAC 地址，主要處理鏈路上的數據收發相關的流程以及Wi-Fi 控制幀收發等。

Wi-Fi7 的多鏈路AP 與多鏈路終端之間的連接可以優化成只在一條鏈路上完成認證、關聯和連接過程，此時AP 與終端的管理幀攜帶了其他鏈路的設備信息。即使不在每條鏈路上重復相同的過程，最后AP 與終端也能完成多鏈路的連接[2]。

參考圖2，多鏈路AP 與多鏈路STA 首先通過2.4 GHz鏈路完成認證、關聯和連接過程，然后實現3 條鏈路的數據傳送。

圖2 多鏈路同傳技術下的連接方式

在圖2 中，多鏈路建立連接之后，多鏈路設備有相互獨立的物理鏈路和鏈路低MAC 層，而高MAC 層則包含了多鏈路設備點到點通信的統一MAC 地址。發送端的高MAC 層在多個鏈路調度數據并傳送，接收端的高MAC 層也在多個鏈路同時接收數據，而數據幀封裝以及數據幀解析的流程與傳統的Wi-Fi 標準仍然保持一致。

Wi-Fi7 支持多鏈路同傳模式，除了AP 與終端之間的連接流程有更新以外，多條鏈接傳送數據的處理方式與之前的Wi-Fi 標準相比也有很大的變化，它主要包括多鏈路如何協同傳送數據，以及不同鏈路在數據傳送上的靈活性。

多鏈路協同傳送數據[2]，指的是鏈路之間在傳送數據時是否需要同步，或者異步獨立傳送。

(1) 多鏈路同步同傳模式：多鏈路AP 與終端之間的多個鏈路同時發送數據或者同時接收數據，每個鏈路之間需要保證數據發送和接收在時間上的同步。

(2) 多鏈路異步同傳模式：多鏈路AP 或終端在每條鏈路上獨立競爭無線媒介的訪問權，并各自傳送數據，相互之間不需要對齊收發時間。

多鏈路設備采取同步還是異步模式，取決于實現上的復雜程度以及鏈路相互之間的干擾情況。如果不同鏈路的信道在頻譜上間隔較遠，可以采用鏈路之間的異步模式；而不同鏈路上的信道如果相隔較近，則可以采用同步模式，它可以減少相互之間由于信道偵聽到干擾而引起的沖突回退。參考圖3 所示的多鏈路同傳下的同步和異步模式。

圖3 多鏈路同傳的同步和異步模式

多鏈路設備支持不同鏈路，在提升傳輸吞吐量的同時也在數據傳送上提供了很大的靈活性，實際應用中可以有下面的數據傳送的分工方式[2]：

(1) 按業務分類的鏈路傳送：比如高帶寬低延時業務可以在信道干擾較少的6 GHz 上傳送，從而降低時延和提升用戶體驗。

(2) 按報文類型分類的鏈路傳送：控制報文和業務數據在不同鏈路上傳送，使得控制報文能被高優先級快速處理和響應。

(3) 按傳送方向分類的鏈路傳送：AP 與終端之間的數據發送和接收在不同鏈路上傳送。

參考圖4 的業務分類、報文類型分類以及傳送方向分類的數據傳送。Wi-Fi7 支持的多鏈路同傳技術不僅拓展了Wi-Fi 數據傳送的吞吐量，而且通過區分業務類型的方式，提高了傳輸數據的業務質量和改善用戶體驗。

圖4 多鏈路同傳下的數據傳輸

1.2 多資源單元技術

多資源單位技術（Multiple Resource Unit，MRU）[1-2]是指Wi-Fi7 支持對OFDMA 下的不連續的多個資源單位（Resource Unit，RU）進行組合捆綁，然后分配給所連接的終端。這種方式是Wi-Fi7 引入的新的信道捆綁技術，能夠在干擾環境下更加靈活和有效地提升數據傳送的有效帶寬。

信道捆綁技術起源于Wi-Fi4 標準，接著在Wi-Fi5 和Wi-Fi6 得到演進和發展。基本原理是以20 MHz 為單位的多個子信道進行捆綁，組合成40 MHz、80 MHz、160 MHz 等新的工作信道帶寬，其中某個20 MHz 為主子信道。Wi-Fi4 和Wi-Fi5 要求多個子信道必須連續，參考圖5，如果某個子信道受到干擾，則只能捆綁無干擾的主子信道以及與主子信道連續的其余子信道。

圖5 Wi-Fi 信道捆綁技術演進

Wi-Fi6 第一次支持下行方向非連續子信道捆綁，子信道仍以20 MHz 為單位。此時，即使某個子信道受到干擾，圖5 中Wi-Fi6 仍可以捆綁無干擾的主子信道以及非連續的其余子信道。而對于不能捆綁的20 MHz 子信道，Wi-Fi 標準要求它的發射信號功率很低，使得接收端不能檢測和接收被屏蔽的信道數據，這種技術稱為前導碼屏蔽技術（Preamble Puncturing）[1]。

Wi-Fi7 則支持上行和下行方向的非連續子信道捆綁，更進一步，捆綁單位從20 MHz 子信道演進到顆粒度更小的OFDMA 資源單位RU，多個RU 捆綁構成高帶寬的工作信道帶寬。在Wi-Fi7 技術中，AP 可以通過向終端發送觸發幀，其中含了前導碼屏蔽子信道的RU 信息，然后終端根據這些信息發送數據報文；或者AP 可以通過信標幀廣播非連續信道捆綁信息，然后終端與AP 建立連接的時候就開始使用非連續信道捆綁。

Wi-Fi7 的MRU 構成有兩種情況[2]，即由20 MHz 內的相鄰RU 組成MRU，或者由20 MHz 及以上的RU 組成MRU，并且支持MRU 和RU 的混合分配方式。圖6 是Wi-Fi7 在20 MHz 下支持MRU 和RU 的混合分配方式。

圖6 Wi-Fi7 的MRU 和RU 的混合分配

圖6 中的20 MHz 信道有9 個26 tone RU，或4 個52 tone RU，或2 個106 tone RU。當3 個終端與AP 連接，AP 給終端1 分配52 tone RU1，給終端2 分配52+26 tone MRU1，給終端3 分配106 tone RU2。AP 給所有終端分配的RU 和MRU 相互之間不重疊，因而AP 與3 個終端在頻譜上同時進行數據傳送。

Wi-Fi7 支持MRU 資源分配的不連續性，給信道帶寬的動態綁定帶來了很大靈活性，但技術實現更為復雜，對非連續的子信道資源管理帶來了挑戰。因此，一方面，Wi-Fi7 通過增加前導碼屏蔽的各種新規則來限制子信道捆綁的靈活性，比如為不同頻段帶寬規定所允許的子信道屏蔽的位置。另一方面，對于因為非連續信道捆綁而引起的中間空閑的RU，定義相應RU 的ID 或者終端關聯的ID，作為預留給后續終端連接的資源[2]。

1.3 物理層的調制和帶寬變化

除了多鏈路同傳和多資源單位捆綁，Wi-Fi7 物理層的主要變化包括調制方式改進和帶寬增加，兩者都明顯提升了Wi-Fi7 性能。

Wi-Fi6 的調制方式是1024-QAM，每個傳輸符號承載10 比特的信息，而Wi-Fi7 最大支持4096-QAM 調制方式，每個傳輸符號承載12 比特信息。因此，Wi-Fi7 每個符號承載信息的容量提高了20%。

如圖7 所示，在4096-QAM 調制方式[1]，Wi-Fi7 定義了MCS 12 和MCS 13 兩種速率。當信道帶寬是80 MHz，一個空間流的情況下，Wi-Fi7 的MCS 13 速率可以達到720 Mb/s，相比Wi-Fi6 的MCS 11 速率提升了20%。

圖7 Wi-Fi7 的調制方式下的MCS 速率

Wi-Fi6 支持160 MHz 的信道頻寬，而Wi-Fi7 的最大信道頻寬是320 MHz[1]，相應的Wi-Fi7 吞吐量也就直接提高1倍。320 MHz 的頻段只能在6 GHz 的頻譜上進行分配。美國FCC 為Wi-Fi 分配的6 GHz 可用頻寬為1.2 GHz[2，5]，如圖8 所示，FCC 規定的頻譜中可以支持3 個不重疊的320 MHz 頻寬[2]。而歐洲分配的6 GHz 可用頻寬為480 MHz，因此只有一個不重疊的320 MHz 信道。國內暫時沒有為Wi-Fi技術分配6 GHz 頻段的計劃，因此Wi-Fi7在國內應用只能工作在2.4 GHz 和5 GHz 兩個頻段，信道帶寬最大支持到160 MHz。

圖8 FCC 對Wi-Fi7 的320 MHz 頻寬分配

2 從Wi-Fi7 到Wi-Fi8

參考圖9，Wi-Fi 技術迭代演進到Wi-Fi7，一直主要圍繞著以單個Wi-Fi AP 為短距離無線網絡核心，從物理層調制效率、信道綁定的帶寬拓展、多天線下的空間復用、子載波組合下的頻分復用等方式充分挖掘Wi-Fi 的AP 所有物理資源、空間資源和頻譜資源，從而推動Wi-Fi 連接向速率更高、帶寬更高、連接用戶數更多的方向發展。

圖9 Wi-Fi 傳統技術的發展趨勢

但到了Wi-Fi7 之后，傳統的設備物理資源、空間資源和頻譜資源等還有多少潛力可以挖掘，就成為Wi-Fi8技術討論的焦點和核心之一[2,6]。

比如，是否在6 GHz 上支持640 MHz 頻寬，但即使是FCC 頻譜，也只能支持一個640 MHz 信道；是否支持16K QAM 的調制方式，相比Wi-Fi7 可以帶來16.66%的數據速率提升，但調制階數越高，實現復雜度越大，而提升的速率卻有限；是否支持Wi-Fi7 規范曾希望納入的16條空間流，但對于家庭場景來說，似乎并沒有這樣的多天線需求，16 條空間流不僅增加了Wi-Fi AP 設備天線的數量和成本，也增加了實現的復雜度。

除了挖掘單個Wi-Fi AP 資源潛力的討論，Wi-Fi8 中熱議的技術話題中也包括如何利用多個Wi-Fi AP 相互協作來提升系統效率和性能[3-4]。在越來越多AP 部署的場景中，AP 之間的無線信號更容易相互重疊和相互影響，如果能減少AP 的相互干擾，并且讓它們建立協作模式而傳送數據，則能充分利用多AP 下的Wi-Fi 網絡的頻域資源和空間資源，提升短距離范圍內的無線網絡的系統效率和性能。多AP 協作原先是Wi-Fi7 規范討論的一部分，因為技術相對復雜，所以IEEE 就把它放到Wi-Fi8 標準中討論。

參考圖10，從頻譜資源的角度，多AP 協作可以基于OFDMA 技術的子載波組合的資源單位；從空間資源的角度，多AP 協作可以是基于波束成型下的信號發送；從AP 之間的主從角度，則多AP 之間可以相互配合來協作發送數據[3-4]。目前多AP 協作的技術規范正在Wi-Fi8工作組的討論中。

圖10 多AP 協作的方式

3 結束語

預計在2024 年，支持Wi-Fi7 的路由器和終端逐漸進入市場，Wi-Fi 聯盟認證也將全面展開。而2025 年之后Wi-Fi7 的需求將會快速增長，成為家庭無線網絡產品的市場主流。

Wi-Fi7 的關鍵技術之一是支持6 GHz，目前北美開放了6 GHz 上的1 200 MHz 的免授權頻譜，歐洲和其他部分海外地區也相繼在制定標準細則或準備開放。中國國內目前還沒對Wi-Fi 技術開放6 GHz 頻譜的計劃，但2024 年之后，國內市場仍然會出現可以支持2.4 GHz和5 GHz 下的Wi-Fi7 產品，并且多鏈路同傳、多資源單位、4096-QAM 等技術組合將給中國新一代的Wi-Fi7 產品帶來性能上的關鍵提升。

Wi-Fi 技術誕生二十多年來保持旺盛的生命力，快速演進和迭代，Wi-Fi 已經被證實為這個時代在短距離無線數據連接下的最成功技術之一。