Wi-Fi 7,不只是超高傳輸量…

作者 : Scott Tan,安森美無線、連接和訊號處理部資深產品管理總監

本文介紹802.11be Release 1將支援的主要功能,並瞭解Wi-Fi 7的好處,以及Wi-Fi 7如何實現未來的連接能力。

繼Wi-Fi 6E之後,第7代Wi-Fi技術,也被稱為IEEE 802.11be或Wi-Fi 7即將開啟!這將是有史以來最快的Wi-Fi技術並帶來變革,為日常生活中的網路和線上活動提供更好的用戶體驗。它將實現並加速許多高需求的應用,如8K影片、全沉浸式擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)、遊戲和雲端運算。

本文將介紹802.11be Release 1將支援的主要功能,並瞭解Wi-Fi 7的好處,以及Wi-Fi 7如何實現未來的連接能力。

Wi-Fi 7關鍵功能

320MHz通道頻寬

隨著6GHz頻段向Wi-Fi應用開放,Wi-Fi 7在6GHz頻段上支援最大的320MHz通道頻寬,同時在5GHz和6GHz頻段上繼續支援20/40/80/160MHz通道頻寬,在2.4GHz頻段上支援20/40MHz。相較於現有的Wi-Fi 6/6E,僅320MHz通道頻寬就使Wi-Fi 7的最快速度提高了一倍。

320 MHz Channel Bandwidth

1320MHz通道頻寬。

4096 (4K) QAM

正交調幅(QAM)被廣泛用作Wi-Fi中的一種調變機制。它是一種同時混合載波的振幅和相位變化技術。Wi-Fi 6最高支援1024QAM。在下面的左圖中,每個點代表一個10位元資料(符號)。Wi-Fi 7支援4096QAM。在下面的右圖中,每個點代表一個12位元(bit)資料(符號)。換句話說,Wi-Fi 7中用QAM調製的每個符號可以比Wi-Fi 6多傳輸2位元的資訊,相當於速度快20%。

1024 QAM vs. 4096 QAM

21024QAM vs. 4096QAM

多重連接模式技術(MLO)

多重連接模式技術(MLO)是Wi-Fi 7中一個非常重要和有用的功能。它使裝置能夠在多個不同的頻段和通道上同時收發。它類似於有線(即乙太網路)網路的鏈路聚合或中繼功能,但更精密和靈活。它允許在不同的頻段和通道中創建一個搭配或接合的多個鏈路(無線電),作為連接對等體之間的一個虛擬連結。每個單獨的鏈路(無線電)可獨立工作,也能與其他鏈路同時工作,或協調以獲得最佳的總速度、延遲、範圍(覆蓋)和/或省電。Wi-Fi 7 MLO是MAC層方案,用於同時使用多個鏈路,並對高層協定和服務透明。MLO可以提高輸送量、鏈路穩健性、漫遊和減輕干擾,並減少延遲。

Multi-Link Operations

3:多重連接模式技術。

例如,在一個由三頻(6GHz、5GHz、2.4GHz)網狀節點或接取點(AP)組成的家庭網狀網路中,MLO可用於家用網路形成高速、低延遲的無線骨幹網路,並為連接到網狀節點/AP的裝置提供回傳服務。如果每個網狀節點都支援4×4三頻併發配置,聚合回傳(骨幹網路)支援高達21.6Gbps的速度。有了MLO,回傳(骨幹網路)也更加穩健和可靠。在5GHz鏈路被雷達(DFS)中斷的情況下,流量可以自動切換到6GHz和2.4GHz鏈路,不會出現服務中斷或服務品質(QoS)下降的情況。與基於Wi-Fi 7 MLO的回傳相比,今天的Wi-Fi 6和6E網狀解決方案使用4×4無線電中的一個來形成無線回傳,這只能提供4.8Gbps的速度。如果該鏈路有干擾或中斷,整個回傳(骨幹網路)會受到影響或中斷,從而導致QoS下降或業務中斷。

當用戶端裝置,如智慧型手機、筆記型電腦等支援多個併發無線收發器時,MLO不僅在裝置和AP之間建立一個更大的通訊管道,以獲得更高的速度、更低的延遲和更高的可靠性,而且還能改善用戶體驗,實現無縫漫遊。

多資源單元(MRU)

Wi-Fi 7增加了新的資源單元(RU)分配機制。相較於Wi-Fi 6,AP只為每個站(STA)分配一個RU,Wi-Fi 7支援為每一STA分配多個資源單元(MRU)。MRU進一步提高了頻譜的利用效率,根據需要為每個STA的頻寬(QoS)控制提供更大的靈活性,並進一步減輕干擾和與在同一頻段或通道上運行的現有設備共存。

RU & MRU of 320 MHz OFDMA PPDU

4320MHz OFDMA封包協議數據單元(PPDU)RUMRU

這種MRU機制同時支援正交頻分多址(OFDMA)和非OFDMA(即多用戶多入多處MU-MIMO)模式。在OFDMA模式下,它支援小的MRU和較大的MRU,以便更靈活地分配RU/MRU,而不會使MAC和調度器設計過於複雜。在非OFDMA模式下,它為子通道的前導碼刪餘機制(preamble puncturing)提供最大的靈活性。

例如,任何20MHz子通道,除了主通道,或40/80MHz的通道,都可以在320MHz的頻寬內進行「擷取」。這使得在有干擾的情況下,傳輸可以盡可能利用通道的頻譜,如果有現有裝置在通道的某些頻譜段上運行,則可以實現最佳的共存。

Wi-Fi 7還有許多其他新功能和改進。這些功能包括前導碼擷取、目標喚醒時間(TWT)和受限制的TWT (rTWT)、擴展傳輸距離(MCS 14和MCS 15)等。

其他功能,如多AP協調(協調波束成形、協調OFDMA、協調空間重用、聯合傳輸)、16個空間串流和混合式自動重送請求(HARQ)等,可能會在第2版中得到支援。

Wi-Fi 7如何使終端使用者受益?

極高的輸送量

Wi-Fi 7支援快如閃電的速度。在其前輩Wi-Fi 6 (又名802.11ax)的基礎上,Wi-Fi 7支援極高的輸送量(EHT),如標準規格定義,其原始資料率高達46Gbps,具有16個空間串流。這比在Cat 6/6a/7電纜上運行的10Gbps乙太網路快很多。最接近的接入和連接技術是Thunderbolt 3/4、USB 4和HDMI 2.1,提供40 Gbps或更高的最大原始資料速率。

如前所述,Wi-Fi 7支援320MHz通道頻寬,是Wi-Fi 6的兩倍。Wi-Fi 7還將QAM顆粒度從1024 (1K)提高到4096 (4K),從而使速度比W-Fi 6/6E或Wi-Fi 5 Wave 3快20%。此外,Wi-Fi 7還將空間串流的最大數量增加了一倍,從8個增加到16個,以某種方式可與天線數交換。因此,由於Wi-Fi 6/6E支援高達9.6Gbps的8個空間串流,Wi-Fi 7支援總共高達46Gbps的16個空間串流(9.6Gbps x2 [雙頻寬] x1.2 [QAM改進] x2 [空間串流])。

有了這樣極高的速度,使用者常用的裝置如通常有兩支Wi-Fi天線(2個空間串流)的智慧型手機、筆記型電腦等的網速最快可達每秒幾千兆位元(5.8Gbps)。由於嚴格的電源或外形限制,許多使用1根天線的裝置也可以支援高達2.9Gbps的資料速率。由於不需要額外的功率放大器或前端模組,使用者無需支付額外的天線或更高的電費就可以獲得超過2倍的速度。這將是未來許多應用的典範轉變。

超低延遲

延遲是QoS和用戶體驗的另一個關鍵參數,它對即時應用尤為關鍵。許多多媒體應用,如高解析度即時影片串流、AR/VR、線上雲端遊戲和即時程式設計,都要求延遲小於20毫秒(ms)甚至更低。要在無線環境中實現如此低的延遲並不容易。在雲端運算用例中,廣域網路(WAN)側的延遲也應考慮在內,光纖接取的延遲大概是10ms或稍微更長些。也就是說,WAN數據機到終端客戶裝置之間的延遲預算對於實現良好的使用者體驗是非常具有挑戰性的。10-20ms的延遲可以透過Wi-Fi 6實現,而在競爭更少的環境中,用Wi-Fi 6E可以實現更低的延遲。Wi-Fi 7有助於將延遲降至10毫秒以下,並利用802.11be標準中的各種工具,最終將延遲降至1ms以下的確定邊界。這些工具包括MLO、TWT和rTWT、改進的觸發式傳輸,以及最終整合時效性網路(TSN)功能。

更穩定可靠的連接

如上所述,MLO提供了一種動態機制來適應多個鏈路之間的連接。傳輸負載在兩個鏈路對等體(如接取點和客戶裝置)之間的連接,可以根據鏈路品質如性能和穩健性等指標進行動態平衡,也就是負載平衡。如果其中一條鏈路出現干擾或鏈路損失(例如因範圍而導致),連接仍然可以在其餘的鏈路上運行,傳輸可以無縫地從故障鏈路切換到正常工作的鏈路,又稱快速故障切換。MRU/RU和前導碼擷取也有助於提高連接的穩固性。例如,當工作通道的某些子通道或頻譜的某些部份受到干擾時,接取點可以避免使用這些受干擾的子通道或RU/MRU,並根據當前環境狀況和通道狀態優化傳輸。此外,MCS14和MCS15在通訊距離增長的情況下提高連接的穩固性。

Interference Mitigation and Coexistence by Preamble Puncturing, MRU/RU and AFC

圖5:透過前導碼擷取、MRU/RU和AFC減輕干擾以及實現共存。

進一步減輕干擾和更好地共存

在Wi-Fi 5的基礎上,Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E已經增強了許多減少干擾和與現有設備共存的功能。Wi-Fi 6提供更靈活的子通道擷取模式,並能利用OFDMA模式中的RU來避免低至2 MHz (最小的RU,有26-tone)的更細微的干擾。Wi-Fi 6E支援自動頻率協調(AFC),以便與現有的設備共存。Wi-Fi 7具有MRU和最靈活的前導碼擷取功能,在OFDMA和非OFDMA (MU-MIMO)模式下支援所有可能的子通道和高解析度擷取模式,更進一步減輕干擾,為不同類型的服務提供最佳的QoS。

更好的漫遊用戶體驗

MLO還能改善用戶體驗,實現無縫漫遊。它提供802.11be標準中定義的內建漫遊增強功能。例如,當裝置離接取點較遠時,MLO仍然是接取點和裝置之間的多重連接(ML),可以自動在2.4GHz頻段上運行,而不需要切換頻段。反之亦然,如果裝置離接取點更近,MLO可以自動和動態地在5GHz和6GHz頻段上運行,以獲得更高的性能。相較之下,今天的Wi-Fi 6和6E AP必須依靠應用層的頻段轉向或用戶端轉向功能,強行將用戶端引導到不同的頻段。它不一定都能像預期地那樣運作,因為接取點對客戶裝置沒有控制權,客戶裝置決定是否切換頻段。此外,供應商之間的相容性是無縫漫遊的另一個巨大挑戰。

Leveraging MLO for Seamless Roaming Experience

6:利用MLO實現無縫漫遊體驗。

更高的頻譜效率

從頻譜利用效率的角度來看,Wi-Fi 7提供的效率甚至高於Wi-Fi 6/6E。更高的效率可得益於Wi-Fi 7的多個功能,如MRU、前導碼擷取、MLO、4096 QAM和未來的16個空間串流以及協同的多AP功能,如協同波束成形、協同OFDMA和聯合傳輸等。

更高的電源能效和更省電

Wi-Fi 7利用更高的速度,得益於320MHz更寬的通道頻寬,4096QAM,更低的延遲,以更高的電源能效傳輸資料。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6省電功能的基礎上,用許多方式對這些功能進行了改進,以實現最佳的省電效果。

採用MLO,用戶端裝置不需要監測每個傳輸流量指示圖(DTIM)信標幀,也不需要執行群組臨時金鑰/完整性群組臨時金鑰/信標完整性群組臨時金鑰(GTK/IGTK/BIGTK)更新。用戶端可以對DTIM信標更新、流量指示和基本服務集(BSS)關鍵更新可保持一條鏈路,並使其他鏈路進入深度睡眠狀態,無需定期喚醒就能進行DTIM信標更新。

除了Wi-Fi 6中最有前景的省電功能TWT之外,Wi-Fi 7還支援所謂的觸發傳輸機會(TXOP)共用功能,以進一步省電。它允許接取點將獲得的TXOP內的部份時間分配給相關的用戶端裝置進行傳輸,這樣它就不需要在下一個服務期(SP)喚醒。

安森美(onsemi)還支援許多以實際應用、即時輸送量和環境(如溫度)要求為基礎的專有動態自我調節省電功能。

更多新興的Wi-Fi感知應用

近年來,Wi-Fi感知應用如動作偵測、基於Wi-Fi通道狀態資訊(CSI)的定位(尤其是室內)和精細時間測量/往返時間(FTM/RTT),已引發了服務供應商和終端用戶的大量關注。

Wi-Fi通道易受到干擾,非常動態且具有頻率選擇性。受污染的CSI會大大降低動作偵測的準確性。Wi-Fi 7得益於320MHz的通道頻寬,支援最多共3984 tone的更豐富CSI資料。更豐富的CSI資料將提高動作偵測的準確性。此外,由於在320MHz的傳輸中可以捕獲如此多的CSI資料,因此有足夠多的不受干擾的CSI塊可被選用於動作偵測,同時可避免雜訊CSI資料。

對於320MHz的訊號,採用2倍或4倍的超取樣和上取樣技術,RTT時戳和測量的精度可以達到次奈秒級的解析度。也就是說,Wi-Fi 7支援次米級(sub-meter,即30公分)的測距和室內定位精準度。它將實現許多令人興奮的新興Wi-Fi感知應用。

總結

Wi-Fi 7將在許多方面大幅改善用戶體驗,且更具經濟效益。它可實現並增強許多高要求的應用,如雲端遊戲、沉浸式AR/VR、8K影片串流、工業4.0等。用戶可以期待Wi-Fi 7提供比現有Wi-Fi 6/6E更快的速度、更低的延遲也更穩定可靠。

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