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Wi-Fi7上使用的黑科技

作者：容域科技 發(fā)布時間：2024-09-25
Wi-Fi技術(shù)是基于電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議。2018年Wi-Fi聯(lián)盟正式宣布，簡化相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的名稱如下表所示：
 
Launched Generational name Technology supported
2024 Wi-Fi7 802.11be
2019 Wi-Fi 6 802.11ax
2013 Wi-Fi 5 802.11ac
2009 Wi-Fi 4 802.11n
2003   802.11g
1999   802.11a/b
1997   802.11
 
 
Wi-Fi7也稱為802.11be標(biāo)準(zhǔn),是Wi-Fi6 802.11ax的下一代Wi-Fi技術(shù)。Wi-Fi7在無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和時延做了很大的改進(jìn)，并致力于為用戶提供更好的使用體驗。本文將重點介紹一下Wi-Fi7上的黑科技：
  1. Wi-Fi 7 物理層新特性
    Wi-Fi 7 的理論峰值速率為46.12Gbps, Wi-Fi 6 的理論峰值速率是 9.6Gbps，Wi-Fi 7的速率是Wi-Fi 6的4.8倍。Wi-Fi 7速率提升來自于3個方面：調(diào)制方式，最大信道有效子載波數(shù)量，空間流數(shù)量。
調(diào)制方式：
  1. Wi-Fi 7最高支持4096-QAM：
  1. Wi-Fi信號調(diào)制方式有BPSK、QPSK和QAM。信號調(diào)制就是將數(shù)字信號的bit映射為符號的調(diào)制過程。最簡單的BPSK和QPSK是一種相位調(diào)制，BPSK用0°和180°的2個相位表示0和1，即2種符號，傳遞1 bit的信息(0或1)。QPSK則使用0°、90°、180°和270°共4個相位，能夠表示00、01、10和11共4種符號，傳遞2 bit的信息，所以其傳輸?shù)男畔⒘渴荁PSK的2倍。而QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交幅度調(diào)制，是一種同時對相位和振幅的調(diào)制方式。
  2. Wi-Fi 6 最高調(diào)制是1024-QAM就是210個符號調(diào)制可以承載10bit數(shù)據(jù)信息。Wi-Fi 7 采用最高 4096-QAM就是212個符號調(diào)制可以承載12bit數(shù)據(jù)信息。所以 Wi-Fi 7的最高編碼能力是Wi-Fi 6的1.2倍。在一定的子載波頻寬下，QAM的點數(shù)越多意味著符號之間差異就越小，對調(diào)制的要求就越高。此外，噪聲干擾和信道信號衰減也會使接收到的矢量變得模糊和發(fā)生變形。
    1. Wi-Fi 7最大帶寬320M：
  3. Wi-Fi 7標(biāo)準(zhǔn)中啟用6GHz頻段，6GHz 頻段是從5925MHz到7125MHz， 一共有1200MHz連續(xù)頻率范圍。這樣Wi-Fi 7可以實現(xiàn)捆綁3個連續(xù)的320M獨立信道，可以容納3920個子載波。
  4. 所謂子載波（Tone或Subcarrier），可以簡單認(rèn)為是可以獨立調(diào)制的一小段頻域資源，通過調(diào)制（如BPSK,QPSK,QAM等），子載波上可以承載一定bit的數(shù)據(jù)信息。子載波是無線傳輸在“頻域”上的最小單位。802.11ax OFDMA的子載波頻寬是78.125KHz，在傳統(tǒng)的802.11a/g/n/ac中，OFDM的子載波頻寬312.5KHz。所以，802.11ax 在20MHz信道最多可以支持256個子載波，其中234個子載波是用來傳輸數(shù)據(jù)的，稱之為有效子載波。信道越寬，支持的子載波數(shù)目越多，鏈路速率就越高。下圖是各種信道帶寬下支持的子載波數(shù)目：
Channel Bandwidth Wi-Fi6 Wi-Fi 7
20MHz 234 234
20MHz 468 468
80MHz 980 980
160MHz 1960 1960
320MHz / 3920
 
  1. Wi-Fi 7 支持最大捆綁320MHz信道，可以承載3920個有效子載波。Wi-Fi 6支持最大捆綁成160MHz信道，160MHz信道可以承載1960個有效子載波。所以Wi-Fi 7一次傳輸最多的子載波數(shù)目是Wi-Fi 6 的2倍。
 
  1.  Wi-Fi 7 16x16 MIMO：
  1. Wi-Fi 6 最多支持8條空間流，而Wi-Fi 7擴(kuò)展到16條空間流。所以Wi-Fi 7 是Wi-Fi 6 最大支持空間流數(shù)量的2倍。16X16 MIMO 主要是用于AP設(shè)備的MU-MIMO，而通常的客戶端設(shè)備Station有兩根天線，只支持 2x2。理論峰值速率計算公式：Wi-Fi理論峰值速率 = 調(diào)制方式 * 最大信道有效子載波數(shù)量 *碼率* 單位時間符號傳輸數(shù)量 * 空間流數(shù)量 
  2. 320M 信道可以容納3920個子載波(tone)，每個子載波承載12bit 數(shù)據(jù)(4096-QAM), 而碼率是5/6，一個符號(Symbol)發(fā)送時間是13.6微秒，所以 一秒鐘可以發(fā)送73529個符號(Symbol)，如果空間流是最大值16，則相當(dāng)于再乘以16倍。將上述數(shù)值帶入公式如下：Wi-Fi理論峰值速率=12bit * 3920 * 5/6 * 73529(/sec) * 16 = 46.12Gbps
  3. Wi-Fi 7 和Wi-Fi 6 理論峰值速率對比如下表：
 
 
  Wi-Fi7 Wi-Fi6  
最大信道有效子載波數(shù)量 3920 tone 1960 tone 2倍
調(diào)制方式 12bit 10bit 1.2倍
碼率 5/6 5/6 1倍
單位時間符號傳輸數(shù)量 735299(個/秒) 73529(個/秒) 1倍
空間流數(shù)量 16 8 2倍
理論峰值速率 46.12Gbps 9.6Gbps 4.8倍
 
 
 
 
1.4 Wi-Fi 7 物理層幀結(jié)構(gòu)
 
U-SIG ：UL/DL標(biāo)志位, Basic Service Set (BSS) color, transmission (TX) opportunity (TXOP) 的持續(xù)時間,bandwidth,version等。
EHT-SIG common field：MCS,空間流數(shù)目, 編碼方式, GI(guard interval),and RU的分配。
EHT-SIG user specific field：STA 使用的專用信息。
EHT-STF & EHT-LTF：與Wi-Fi 6里類似，用于MIMO和OFDMA的時序和頻率精細(xì)調(diào)整。
 
  1. Wi-Fi 7 前導(dǎo)碼打孔技術(shù)
Wi-Fi 7引入了前導(dǎo)碼打孔即Preamble Puncturing技術(shù)。我們知道信道捆綁技術(shù)是有兩個前提的。首先必須捆綁連續(xù)的信道，并且只有在主信道無干擾的情況下，才能使用輔信道。所以如果某主段信道受到干擾，那么它的輔信道就無法傳輸信息了，導(dǎo)致信道資源的浪費。Wi-Fi 7的Preamble Puncturing技術(shù)就是來解決這個問題的。它的核心是提升了非連續(xù)信道的利用率，其效果是提升了實際速率。這個技術(shù)在Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)里是可選技術(shù)，到Wi-Fi 7標(biāo)準(zhǔn)中，這個成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
前導(dǎo)碼打孔的粒度是20MHz，表示一次它可以標(biāo)記出20MHz信道干擾。通過設(shè)置Disabled Subchannel Bitmap的值，如設(shè)置為：0x0000 1000 0011 0000，來標(biāo)記哪些信道有干擾。其中值為“1”的bit對應(yīng)的是有干擾的20M信道，即下圖中的黃色區(qū)域（Interference or disallowed spectrum），表示這個信道受到了干擾，但是后面的剩余的連續(xù)信道仍然可以使用。這樣就大大提高了信道的利用率。
 
  1. Wi-Fi 7多鏈路傳輸(MLO)
    1. 什么是MLO呢？
字面的意思是多鏈路傳輸技術(shù)（Multi-Link Operation）。盡管目前大多數(shù)AP和終端設(shè)備都具有雙頻2.4/5GHz 或 三頻2.4/5/6GHz，但是在同一時刻 AP 和某一個終端只能在一個頻段上建立連接，比如在2.4G上或者5G上。MLO功能可以實現(xiàn)在同一時刻AP可以和某一個終端同時在2.4G和5G和6G上建立鏈接，并傳輸數(shù)據(jù)。MLO功能實現(xiàn)跨頻段將多個鏈路捆綁成一個虛擬鏈路，在MAC層實現(xiàn)packet-level的鏈路聚合。
MLO 的好處：
  1. 顯著提升吞吐量：將多個頻段（Bands）或者信道（channel）聚合為多鏈路，提高鏈路速率。
  2. 改善時延：通過多鏈路負(fù)載均衡，緩和單鏈路擁塞導(dǎo)致的時延。
  3. 增加傳輸可靠性：通過多鏈路復(fù)制數(shù)據(jù)報文的方式，降低丟包率。
  4. 多鏈路無縫切換：它允許網(wǎng)絡(luò)流量在干擾或擁塞情況下無縫流動到另一個鏈路。如從2.4G無縫切到5G。
  5. 按鏈路分配流量：把不同的應(yīng)用的流量分配到不同的鏈路上，滿足區(qū)別化服務(wù)的要求。
MLO功能 同時連接2.4 GHz、5GHz和6GHz頻段，提高吞吐量、降低時延、提高可靠性。在新興的應(yīng)用領(lǐng)域如：VR/AR、在線游戲、遠(yuǎn)程辦公和云計算等都是理想的選擇。
MLD 是Muilti-Link Device 的縮寫，即多鏈路設(shè)備。
  1. MLD是由單個AP或STA這樣的附屬設(shè)備形成的單個邏輯設(shè)備。它使用UMAC (Unified upper MAC)來控制附屬設(shè)備。數(shù)據(jù)流在MLD TA和MLD RA之間傳輸。
  2. MLD TA: 使用同一空間的SN (Sequence Numbers)標(biāo)識報文。報文通過UMAC在跨多個鏈路上進(jìn)行分發(fā)。
    1. 什么是MLD
  3. MLD是由單個AP或STA這樣的附屬設(shè)備形成的單個邏輯設(shè)備。它使用UMAC (Unified upper MAC)來控制附屬設(shè)備。數(shù)據(jù)流在MLD TA和MLD RA之間傳輸。
  4. MLD TA: 使用同一空間的SN (Sequence Numbers)標(biāo)識報文。報文通過UMAC在跨多個鏈路上進(jìn)行分發(fā)。
  5. MLD RA: 按序列號對報文進(jìn)行組裝，丟棄重復(fù)項，創(chuàng)建Block Ack。如果物理鏈路層有重傳，那對邏輯的UMAC層是不可見。
Multi-Link Device 的分類：
3.2.1基于MLD的Links能不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的角度可以分為STR和NSTR。
  1. STR：Simultaneously TX and RX表示在兩個物理鏈路上可以同時收和發(fā)，不受限制。如下圖Link1在有發(fā)數(shù)據(jù)的同時，Link2 有接收數(shù)據(jù)。工作在異步模式，Wi-Fi 7相當(dāng)于“全雙工“，在這之前，眾所周知與有線傳輸不同，Wi-Fi一直是“半雙工”鏈路。
 
 
 
  1. NSTR：Non-Simultaneously TX and RX 表示不支持在兩個link上同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。如下圖，Link1 和Link2 的收發(fā)數(shù)據(jù)是同步的。它適用于當(dāng)兩個Link頻段比較接近如5G+5G/6G，由于容易相互干擾，那最好工作在NSTR模式。
 
3.2.2基于MLD的當(dāng)前工作的Radio的數(shù)量分類：MLMR和MLSR。
  1. MLSR: Multi-link single radio 多鏈路支持兩個及以上的link，某一時刻，只有一個Radio在工作。
  2. EMLSR：Enhanced Multi-link single radio 支持同時監(jiān)聽多個link，但是只能在一個Radio上工作。
  3. MLMR: 支持同時有兩個及以上的Radio在工作。
  4. STR MLMR：多個Radio可以同時TX和RX。
  5. NSTR MLMR：多個Radio要么同時TX，要么同時RX。
 
  1. Wi-Fi7 多資源單元(MRU)
  1. Wi-Fi 7采用了MRU 即 Multiple Resource Unit。Wi-Fi 6的OFDMA工作模式引入RU（Resource Unit）的概念。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RU主要有：26-tone RU（即26個子載波組成一個RU），52-tone RU，106-tone RU，242-tone RU，484-tone RU，996-tone RU，1992-tone RU。不同RU 類型在不同帶寬下支持的用戶數(shù)量如下圖：
 
Channel Bandwith
 
RU Type		  
20MHz		  
40MHz		  
80MHz		 160MHz/
80MHz+80MHz		 320MHz/
160MHz+160MHz
User Quanitity
RU-26 9 16 37 74 148
RU-52 4 8 16 32 74
RU-106 2 4 8 16 32
RU-242 1 2 4 8 16
RU-484 N/A 1 2 4 8
RU-966 N/A N/A 1 2 4
2x RU-966 N/A N/A N/A 1 2
4x RU-966 N/A N/A N/A N/A 1
 
 
 
在Wi-Fi 6中，一個用戶只能對應(yīng)一個RU。Wi-Fi 7提出了MRU概念，一個用戶可以分配最多2個RU，提升了信道資源利用率，提高速率，降低時延。Wi-Fi 7標(biāo)準(zhǔn)把RU分為小部RU和大部RU兩種類型，一個MRU 中必須是同在一類中的RU才可以組合在一起，即同為小部RU，或同為大部RU。
 
  1. Wi-Fi7 QoS 的改進(jìn)
5.1. WiFi 7 Restricted TWT技術(shù)
  1. Wi-Fi 7 引入了Restricted TWT 即 Restricted Target Wake Time，與Wi-Fi 6 TWT 非常相似。TWT, 它使設(shè)備能夠確定何時以何種頻率喚醒，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。從本質(zhì)上講，這允許AP有效地增加設(shè)備睡眠時間并節(jié)省電池壽命，這是對物聯(lián)網(wǎng)特別重要的功能。除了在客戶端設(shè)備節(jié)省電力外，目標(biāo)喚醒時間使AP和設(shè)備能夠協(xié)商并定義訪問介質(zhì)的特定時間。這有助于通過減少用戶之間對信道競爭，優(yōu)化頻譜效率。
 
  1. Wi-Fi 7 Restricted TWT 在原來的TWT上加入了“限制服務(wù)期“即RSP，表示在RSP內(nèi)，只有成員STA可以傳輸數(shù)據(jù)，而非成員不得侵占“限制服務(wù)期”。這樣可以為RSP成員提供更可靠的操作。參考下圖，作為非成員的STA2 不能在限制服務(wù)期RSP內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有成員STA1可以在限制服務(wù)期RSP內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且AP在限制服務(wù)期RSP內(nèi)也只能對STA1回復(fù)ACK。
 
5.2. Wi-Fi 7觸發(fā)的點對點傳輸
  1. Wi-Fi 7 引入了觸發(fā)的點對點傳輸(Triggered P2P) 。點到點傳輸是指：一個 STA 到另一個 STA 直接傳輸，不經(jīng)過AP 。但是點到點傳輸流量會對AP的操作產(chǎn)生干擾，并且目前802.11ax Wi-Fi 6 MU OFDMA 是不支持點到點傳輸?shù)摹?/span>
 
  1. Wi-Fi 7 引入的觸發(fā)的點對點傳輸(Triggered P2P)不同之處在于點到點傳輸流量是通過AP 觸發(fā)的。AP 代理STA 發(fā)出TXOP(Transmission Opportunity)。參考下圖，AP代表STA 1和STA 2請求TXOP，就如同AP以第三人稱“我正在申請STA 1和STA 2的TXOP”。多用戶RTS即MU-RTS來管理其他設(shè)備，避免碰撞，以保證STA 1和STA 2正在進(jìn)行的通信。
 
 

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