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Wi-Fi 7技术白皮书
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当前全球有近200亿的Wi-Fi设备正在使用，Wi-Fi已成为生活、工作中不可或缺的一部分。在实际应用中，Wi-Fi协议所传输无线流量，已占到无线总流量的90%。海量数据快速、安全传输受益于巨量Wi-Fi设备高效、安全、可靠地工作，而Wi-Fi设备高效安全工作的灵魂在于802.11协议的全面支撑。
回顾802.11协议发展历程，初版802.11协议速率仅为2Mbps。802.11b使用新的编码形式，将速率提升到11Mbps。802.11a利用新的5GHz频段，引入OFDM技术并采用64-QAM调制将无线速率提升到54Mbps。802.11g将802.11a的技术同步推广到2.4GHz频段，2.4GHz频段也能到达54Mbps的速率。802.11n时代，MIMO作为一项重大技术被引入WLAN协议，同时采用更宽的40MHz带宽，将WLAN速率提升到了600Mbps。802.11ac继续技术演进，最大可用256-QAM调制，最大支持160MHz带宽，将速率提升10余倍至6.9Gbps，同时为提升多用户使用体验，引入了MU-MIMO技术。802.11ax在前者基础上，作为一个更高效的网络，引入OFDMA技术，同步采用1024-QAM调制，传输速率达到9.6Gbps，相较于初始版本协议速率已提升近万倍。
伴随VR/AR、4K/8K视频、元宇宙、云游戏、云计算等应用的发展，对于网络有着更高速率、更低时延、更多并发、更安全、更可靠和更节能的需求，现有协议渐渐已无法满足需求。为了应对这些新的挑战，2019年5月，IEEE802.11be EHT工作组正式成立，从网络吞吐、干扰抑制、频谱效率和时延优化等多个维度对当前标准进行优化提升，制定了Wi-Fi 7标准。Wi-Fi 7标准即IEEE 802.11be，将分成两个Release版本进行发布，Release1目前已完成草案Draft1.3，预计在2022年底发布标准；Release2预计在2022年启动，并且在2024年底完成标准发布。
Wi-Fi 7的关键字是EHT（Extremely High Throughput，极高吞吐量），按照工作组立项时目标，对于WLAN网络的吞吐量，将其提升到30Gbps（大约是Wi-Fi 6的3倍）；对于实时应用，将其时延控制在5ms以内。
为了实现上述惊人的性能提升，通过对物理层和链路层的优化，Wi-Fi 7引进或者改进了多项新技术，例如320MHz带宽、4096-QAM调制、Multi-RU、多链路操作、增强MU-MIMO、多AP协作等技术。
· 在传输速率方面：通过引入320MHz带宽、4096-QAM调制、MIMO 16X16等技术，使得单链路最大理论速率达到46.1Gbps。
· 频谱效率提升方面：通过引入Multi-RU、多AP协同等技术，让频谱资源利用更合理、更高效。
· 干扰抑制方面：通过引入Preamble Puncturing、协同OFDMA（C-OFDMA）、协同空间重用（CSR）、多链路同步信道接入等技术，使得AP间干扰更小，覆盖更均衡。
· 可保障低时延方面：通过引入多AP联合传输（JXT）、动态链路切换等技术，使得低时延接入能够得到保障。
表1 Wi-Fi 7与Wi-Fi 6主要参数对比
参数描述 | Wi-Fi 6(802.11ax) | Wi-Fi 7(802.11be) |
频段 | 2.4GHz、5GHz、6GHz（仅Wi-Fi 6E） | 2.4GHz、5GHz、6GHz |
最大带宽 | 160MHz | 320MHz |
调制方式 | OFDMA，最高支持1024-QAM | OFDMA，最高支持4096-QAM |
最大理论速率 | 9.6Gbps | 46.1Gbps |
MIMO | 8×8 UL/DL MU-MIMO | 16×16 UL/DL MU-MIMO |
2020年4月23日，FCC宣布，考虑允许将6GHz频段中的1200MHz频谱开放给免许可应用，最终投票表决通过将6GHz（5925-7125MHz）的新频段开放给了免许可应用。欧盟随后也发布将6GHz低频段的500MHz（5925-6425MHz）带宽放开授权使用，其它世界各国也已经放开或正在逐步放开中。目前我国计划将高频段的700MHz（6425-7125MHz）带宽放开给5G或6G移动通信，低频段部分待定。
新的6GHz频段共有1200MHz带宽，可以提供59个20MHz、29个40MHz、14个80MHz、7个160MHz或者3个320MHz信道带宽。6GHz频段的带宽比之前2.4GHz+5GHz的总带宽还宽了一倍，Wi-Fi应用的可使用频宽变为了之前的三倍，极大地缓解了当前Wi-Fi频谱资源短缺的问题。Wi-Fi 6E作为Wi-Fi 6新频段的扩展，工作在6GHz频段，已批量落地应用。
目前Wi-Fi应用已授权频谱如下，黄色部分为当前国内授权可用信道。
图1 Wi-Fi应用授权频谱
Wi-Fi 7作为新一代的通信标准，将工作在2.4GHz、5GHz和6GHz三个频段上，最大带宽为320MHz。同时，为了更加灵活应用频谱，也支持240MHz带宽以及160MHz+80MHz、160MHz+160MHz的带宽绑定。
从频谱角度，在相同流数和相同编码的情况下，相比Wi-Fi 6的160MHz带宽，峰值理论吞吐量直接提升了一倍。
表2 802.11协议带宽
协议 | 支持的信道带宽 |
802.11 | 20MHz |
802.11a/b/g | 20MHz |
802.11n | 20MHz，40MHz |
802.11ac Wave1 | 20MHz，40MHz，80MHz |
802.11ac Wave2 | 20MHz，40MHz，80MHz，80+80MHz，160MHz |
802.11ax | 20MHz，40MHz，80MHz，80+80MHz，160MHz |
802.11be | 20MHz，40MHz，80MHz，80+80MHz，160MHz，160+80MHz，240MHz，160+160MHz，320MHz |
Wi-Fi 6采用最高1024-QAM调制，每个符号承载10bit信息；随着硬件调制解调能力的不断提升，Wi-Fi 7将采用最高4096-QAM调制，每个符号承载12bit信息，因此相对于Wi-Fi 6来说，Wi-Fi 7的信息承载量会提升20%。
图2 1024-QAM与4096-QAM星座对比图
与Wi-Fi 6相同，Wi-Fi 7也支持800ns，1600ns，3200ns三种GI。如下表所示，在800ns GI情况下，结合320MHz的带宽，单流理论最大传输速率从1.2Gbps提升到了2.88Gbps。
表3 单流传输速率表
MCS | 调制方式 | 码率 | 20MHz (Mbps) | 40MHz (Mbps) | 80MHz (Mbps) | 160MHz (Mbps) | 320MHz (Mbps) |
0 | BPSK | 1/2 | 8.6 | 17.2 | 36.0 | 72.1 | 144.1 |
1 | QPSK | 1/2 | 17.2 | 34.4 | 72.1 | 144.1 | 288.2 |
2 | 3/4 | 25.8 | 51.6 | 108.1 | 216.2 | 432.4 | |
3 | 16-QAM | 1/2 | 34.4 | 68.8 | 144.1 | 288.2 | 576.5 |
4 | 3/4 | 51.6 | 103.2 | 216.2 | 432.4 | 864.7 | |
5 | 64-QAM | 2/3 | 68.8 | 137.6 | 288.2 | 576.5 | 1152.9 |
6 | 3/4 | 77.4 | 154.9 | 324.3 | 648.5 | 1297.1 | |
7 | 5/6 | 86.0 | 172.1 | 360.3 | 720.6 | 1441.2 | |
8 | 256-QAM | 3/4 | 103.2 | 206.5 | 432.4 | 864.7 | 1729.4 |
9 | 5/6 | 114.7 | 229.4 | 480.4 | 960.7 | 1921.5 | |
10 | 1024-QAM | 3/4 | 129.0 | 258.1 | 540.4 | 1080.9 | 2161.8 |
11 | 5/6 | 143.4 | 286.8 | 600.4 | 1201.0 | 2401.9 | |
12 | 4096-QAM | 3/4 | 154.9 | 309.7 | 648.5 | 1297.1 | 2594.1 |
13 | 5/6 | 172.1 | 344.1 | 720.6 | 1441.2 | 2882.4 |
Wi-Fi 6最多能够支持MIMO 8×8，Wi-Fi 7将传输的空间流数进一步提升，支持MIMO 16×16。提升后，Wi-Fi 7理论传输数率相比Wi-Fi 6会直接翻倍，STA接入能力也翻倍。
图3 MIMO 8×8与MIMO 16×16传输示意图
在物理层，Wi-Fi 7结合320MHz带宽、4096-QAM调制和MIMO 16×16三个特性，达成了工作组在成立之初30Gbps的速率目标。
将三个提升进行综合计算，理论速率的最大值达到了46.1Gbps，计算公式如下：
· 
：11be协议数据传输速率。
· 
：子载波比特位数(Number of data bits per subcarrier)，=每个符号位数×码率×子载波个数
· 
：空间流数量
· 
：符号间隔
Wi-Fi 7在MCS13、MIMO 16×16和320MHz带宽下的理论传输速率为46.1Gbps：
随着技术迭代，Wi-Fi技术可用的频谱资源也在不断增加，目前可工作在2.4GHz、5GHz、6GHz三个频段。实际应用中，同一空口环境下，设备间传输很难做到同步，当AP或STA主信道被占用时，将会推迟报文的发送，而不是立刻利用其它闲置的信道资源。同时，不同频段间的干扰水平，频谱特征不一致，部分信道空口资源不佳，一直在该信道上传输报文就会出现较多的丢包与重传。为了更有效地整合利用频谱资源，Wi-Fi 7直接从协议侧定义多链路聚合的相关标准，包含多链路架构、信道接入、数据传输等。
多链路设备，典型特征为一个射频单元有至少两个以上的射频链路链接到空口，但对于LLC层仅只有一个MAC地址。相比于单链路设备，在射频链路上增加了冗余。设备根据使用场景与空口状态，进行不同链路的切换与协同，来保障数据能够更高效、更快速、低延迟地进行传输。
图4 多链路设备
信道接入可以简单分为同步模式和异步模式。异步模式下，多个射频链路之间独立进行信道探测，侦听与数据收发，实现容易，自由度高，适用于链路之间隔离度足够不会产生设备内相互干扰的情况。如果多个射频链路之间共享天线，或天线之间的距离很小，单板走线隔离不理想，频谱间隔不是很大的时候，其中一个射频链路的发射信号功率会部分泄漏到其他射频链路上。此时，另一个射频链路接收到的泄漏信号可能强于底噪甚至强于接收信号，接收的效果就会恶化或无法收到有用信号。采用同步模式，多个射频链路同时进行信号的发送与接收，可以规避设备内的干扰。
图5 多链路设备同步/异步模式（Ref.802.11be draft1.3,Fig35-14）
在多链路设备上进行数据传输的典型模式有复制传输和联合传输。复制传输，其中一个信道环境存在干扰时，接收端根据先到先得原则，可以有效地降低传输时延。联合传输，顾名思义就是将数据报文进行合理地拆分，同时在两个射频链路上进行数据传输，可以有效地提升传输效率。此外，多链路设备可以通过其中一个链路交换其它链路的工作状态和电源管理信息，使其仅在需要的时候进入工作状态，剩余时间休眠，更有效地节能。
图6 多链路设备复制传输与联合传输
Wi-Fi 6之前的协议标准主要采用的是正交频分复用（OFDM）调制方式，将信道切分为多个子载波，提升速率的同时有较强的抗干扰能力，但单一信道同一时间内只能为同一用户服务。Wi-Fi 6引入了正交频分多址（OFDMA）这一成熟的4G蜂窝技术，子载波带宽更窄，增加了RU的概念，单一信道同一时间内可以为多用户服务。
Wi-Fi 6中单个STA只能使用单个RU资源，缺乏一些灵活性，Wi-Fi 7突破了这一限制，允许单个STA同时占用多RU，并且不同尺寸的RU可以进行组合。基于实现复杂度和频谱资源利用效率的均衡，也会做一些限制，小型RU（<20MHz）只能与小型RU组合，大型RU(≥20MHz)只能与大型RU组合，不能将小型RU与大型RU进行组合。
图7 20MHz带宽Multi-RU举例
图8 大带宽Multi-RU举例
除Multi-RU技术外，另一个比较重要的是Preamble Puncturing技术扩展。Preamble Puncturing在Wi-Fi 6中作为可选特性引入，能够让宽带信号利用不连续的频谱进行数据传输，提升频谱利用效率。在Wi-Fi 6中Preamble Puncturing可用情况仅有较少的几种，Wi-Fi 7一方面将其扩展到240MHz/320MHz带宽；另一方面打孔机制更加灵活。
图9 Preamble Puncturing技术
在现有已发布的Wi-Fi协议中，更多涉及的都是单个AP本身如何达到更高的吞吐，更多的接入，对于多个AP之间进行组网协同传输研究较少。Wi-Fi 7不仅聚焦AP本身性能与可靠性的提升，同时也关注多个AP间进行更合理的资源配置，以达到整个网络的性能最优。
目前多AP间的协同调度的方式主要有四个，分别为CSR（Coordinated Spatial Reuse，协同空间重用）、JXT（Joint Transmission，联合传输）、C-OFDMA（Coordinated Orthogonal Frequency-Division Multiple Access，协同正交频分多址）和CBF（Coordinated Beamforming，协同波束赋形）。
在Wi-Fi 5及之前，对于同频信道间的干扰，通常是通过动态调整CCA门限进行控制。识别干扰信号强度后，调节CCA门限，忽略同频弱干扰信号来并发传输。Wi-Fi 6引入了BSS Coloring机制，在PHY头中添加BSS color字段来对不同BSS进行着色。STA可以及时识别干扰停止传输，也能忽略非本BSS干扰进行并发传输。以上的方法都属于针对单AP的操作，Wi-Fi 7更进一步，不局限于单个AP，整体协调多个AP间的发射功率和BSS范围，从而降低干扰，使得覆盖更加均衡，提升了整个网络的总吞吐量。
图10 协同空间重用(CSR)
可以视为多个AP和多个STA组成的虚拟MIMO系统，STA可由多个分布式AP联合服务。以此来实现AP与STA间快速关联，提升用户移动时的重连速度。
图11 联合传输(JXT)
OFDMA将同一个带宽下的所有子载波划分成若干个子载波组，每一个组被称作一个RU（Resource Unit，资源单元），可以分配给不同的用户使用。RU的划分只在单AP上独立进行，当临近AP有干扰时，依然会发生冲突。Wi-Fi 7将OFDMA从单AP扩展到多AP，临近范围下，多个AP与多个接入STA共享RU资源。通过C-OFDMA调度，同一时刻让AP与STA建立的RU在频谱上不会出现干扰，并行工作，有效地提升了频谱资源利用效率。
图12 协同正交频分多址(C-OFDMA)
以往WLAN系统中波束赋形，是由每个AP独立进行的，幅相调节仅以与直接传输数据的STA信噪比最优为目标，导致了AP间干扰不可控。EHT建议在向传输的STA形成波束的同时，消除其对特定领域STA的干扰，避免网络之间的相互干扰。
图13 协同波束赋形(CBF)
除上述技术外，Wi-Fi 7协议还涉及到非正交多址（NOMA）、混合自动重传请求HARQ以及更优的信道探测等技术。2022年即将发布的Release1版本重点关注的特性主要集中在物理层，包含320MHz带宽、4096-QAM调制、多链路操作和OFDMA增强等。MIMO 16×16和HARQ等特性将会在Release2版本中进行推出。Wi-Fi 7相比以往的协议，在技术上又进行了一次全面的升级，将大大提升数据传输速率并提供更低的时延，相信在以后的应用场景中将会有更好的表现。
Wi-Fi 7采用了更宽的320MHz带宽、更高阶的4096-QAM调制以及MU-MIMO 16×16传输，协议的理论最大速率可以达到46.1Gbps。这意味着Wi-Fi 7能支持更高的吞吐应用，例如8K或者16K视频实时传输、超清超高刷新率VR/AR体验等。
Wi-Fi 7可工作在2.4GHz、5GHz、6GHz三个频段，同时使用MLO技术灵活调度不同频带的资源，自动规避延时大和质量不佳的信道。MRU、多AP协同等技术的引入，极大地提高了信道资源利用率。拥有众多新特性加持，Wi-Fi 7能够保障更低时延，即使面对苛刻的高带宽、低时延应用，也无惧挑战。
Wi-Fi 6设备工作在2.4GHz、5GHz频段，Wi-Fi 7设备可工作在2.4GHz、5GHz、6GHz三个频段，比之前增加一个新频段，相同场景下的接入能力更强。更高阶的调制方式、MIMO能力翻倍以及更大带宽的支持，让Wi-Fi 7在高密场景下的STA接入数量更多、吞吐量更高、速率也更快。同时，Preamble Puncturing和MRU技术让频谱资源利用更加高效，哪怕部分信道被占用，也能及时完成报文传输，避免多次空口竞争带来的资源浪费。多AP协同智能调整AP信道和信号功率，以合适的信号覆盖确保终端的无线网络体验、降低空口冲突和干扰，大幅提升AP在高密场景下的并发能力及性能。
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
EHT | Extremely High Throughput | 极高吞吐量 |
RU | Resource Unit | 资源单元 |
CSR | Coordinated Spatial Reuse | 协同空间重用 |
C-OFDMA | Coordinated Orthogonal Frequency-Division Multiple Access | 协同正交频分多址 |
CBF | Coordinated Beamforming | 协同波束赋形 |
JXT | Joint Transmission | 联合传输 |
HARQ | Hybrid Automatic Repeat Request | 混合自动重传请求 |
NOMA | Non-orthogonal Multiple Access | 非正交多址 |
MLD | Multi-link Device | 多链路设备 |
MLO | Multi-link Operation | 多链路操作 |
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