Jeff Lin

Wi-Fi 7 - The next generation of wireless communication

2020年1月，Wi-Fi （無線保真）Alliance正式宣布開放6 GHz （5 925 MHz - 7 125 MHz ），并給予了一個新的名稱Wi-Fi 6E，同年四月美國FCC （Federal Communications Commission）也投票通過了開放6 GHz頻譜為非授權(quán)頻帶（unlicensed）并允許給Wi-Fi使用，Wi-Fi也正式地邁入了“三頻"時代，除了Wi-Fi 6與前代Wi-Fi所使用的2.4 GHz 與5 GHz頻段，Wi-Fi 6E也能在6 GHz的頻段下運作。

2021年中旬，市面上一些主流的Wi-Fi設(shè)備商開始量產(chǎn)并銷售Wi-Fi 6E的產(chǎn)品，從2022年開始，Wi-Fi 6E儼然成為市場上的主流規(guī)格，無論是歐美運營商的招標方案還是高檔家用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如家用路由器、Mesh、無線信號拓展器甚至于高規(guī)格的筆記本電腦等等都已將Wi-Fi 6E列入基本規(guī)格，就當大家正摩拳擦掌準備迎接Wi-Fi 6E盛世到來的時刻，Wi-Fi 7 卻以迅雷不及掩耳的速度占領(lǐng)了大部分Wi-Fi產(chǎn)業(yè)與技術(shù)相關(guān)的版面，為什么Wi-Fi 7會引起大多數(shù)人的注意？Wi-Fi 7相對于之前的Wi-Fi技術(shù)有哪些新的技術(shù)革新？它目前的進度如何？以下我們會針對這些問題來做探討。

1Wi-Fi 7時間表

一項新的Wi-Fi技術(shù)必須由IEEE與Wi-Fi Alliance共同來定義其技術(shù)規(guī)格、認證測試計劃與認證執(zhí)行服務(wù)，從IEEE官方公布的時間表來看（圖1），Wi-Fi 7規(guī)范正式發(fā)布的日期預(yù)計會落在2024年第二季度左右，也就是說要到2024年才會有正式拿到Wi-Fi 7 認證的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在市場上問世。

2什么是Wi-Fi 7？

在我們討論Wi-Fi 7之前，我們先來回顧一下歷代Wi-Fi規(guī)格的演進與技術(shù)亮點。

2018年年底，Wi-Fi Alliance為了簡化復(fù)雜的Wi-Fi 標準命名，于是正式將原有的802.11ax改名為Wi-Fi 6，同時溯及既往，將既有的802.11ac改為Wi-Fi 5，802.11n 則改名為Wi-Fi4（圖2）。

到了2020年，Wi-Fi 6E緊接在Wi-Fi 6后問世，Wi-Fi 6E開放了6 GHz的頻段給Wi-Fi使用，從此Wi-Fi正式進入到“真三頻”的架構(gòu)（2.4 GHz/5 GHz/ 6 GHzTri-Band architecture）（圖3）。

Wi-Fi標準目前停留在Wi-Fi 6E，IEEE與Wi-Fi Alliance的科學家、學者與成員們正如火如荼的討論并提出Wi-Fi 7相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與MRD（Marketing Re-quirements Document），根據(jù)Wi-Fi Alliance 最新的會議紀錄，最新的MRD文件已在2022年的3月正式被WFA所批準，而IEEE的工作小組也會在2022年3月發(fā)表最新IEEE P802.11be?/D2.0的標準草案文件。

Wi-Fi 7 所依照的IEEE 規(guī)范為802.11be-Extremely High Throughput（ETH），對比Wi-Fi 4 的HT（High Throughput）、Wi-Fi 5 的VHT（Very High Throughput）、與Wi-Fi 6 的HE（High Efficiency），Wi-Fi 7 顧名思義地將Wi-Fi的吞吐量更往上推進。

如以上所述，Wi-Fi 7的完整規(guī)格與新的技術(shù)雖然還尚未完全確定，但是其中幾個核心的關(guān)鍵技術(shù)已被某些Wi-Fi主芯片廠商與業(yè)界的規(guī)范領(lǐng)先者與制定者所背書;圖4列出了從Wi-Fi 4到Wi-Fi 7標準的演進與關(guān)鍵技術(shù)及差異，目前4096-QAM調(diào)變方式、頻帶擴充到320 MHz與16×16 MU-MIMO為三個優(yōu)先被IEEE與WFA所承認的新規(guī)格。

關(guān)于Wi-Fi 7 的規(guī)格、新技術(shù)與新功能從IEEE、Wi-Fi Alliance、Wi- Fi NOW等與Wi-Fi新技術(shù)與運用相關(guān)的官方機構(gòu)所釋放出來的信息，加上近來坊間媒體與設(shè)備商的積極討論與推測，愈來愈多Wi-Fi 7的新技術(shù)漸漸浮出臺面，圖5 列出了幾個目前討論度與可信度最高且具有關(guān)鍵作用的新技術(shù)。

Wi-Fi 7延續(xù)了之前Wi-Fi 6的精神，希望能通過一些新的技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝颗c增進Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的效率，Wi-Fi從一開始被發(fā)明出來就知道它不是一種高效率的架構(gòu)，尤其在多用戶、高密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下更會凸顯出Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的缺點，如Wi-Fi工作頻段的干擾（Interference of ISM Bands），因多任務(wù)分時切換延遲所產(chǎn)生的time out （Handshaking Time Out）、up-link 與down-link 的吞吐量不同步（Asymptomatic Throughput of Up-link and Down-link）等等…加上Wi-Fi 所使用的無線頻段是“免費”的，因此Wi-Fi技術(shù)本身所造成的頻段資源浪費與低效率與移動通信所使用的3G、LTE與5G技術(shù)相比，確實有一大段差距，這也是為什么IEEE與WFA從Wi-Fi 6開始決定將LTE的關(guān)鍵技術(shù)如OFDMA，Resource Unit，MU-MIMO 導入至IJ Wi-Fi，同時，這也是之前說提到Wi-Fi 6在IEEE的規(guī)范命名為HE （High Efficiency）的由來。

為了讓Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸更有效率，Wi-Fi 7開發(fā)了很多創(chuàng)新的新功能，其中最關(guān)鍵、最令人期待與最多人討論的為：多路鏈結(jié)運作（multi-link operation，MLO）、多重資源單位（multi-resource unit，MRU）與Multi-AP Operation多AP協(xié)同運作。

3多路鏈結(jié)運作MLO

多路鏈結(jié)運作的主要目的就是讓Wi-Fi設(shè)備能透過不同的頻段（2.4 GHz/5 GHz /6 GHz Bands）與頻道（Channels）同時傳送并接收數(shù)據(jù)，而且可以根據(jù)當時的交通狀況與需要來做負載平衡（Load Balance）或是資料的匯流（Data Aggregation），由于所有的工作都是可以跨頻段與頻道，因此大大地提升了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸速度并降低了多用戶同時聯(lián)機傳輸所產(chǎn)生的延遲現(xiàn)象。

目前市面上所使用的Wi-Fi技術(shù)可以允許一個Wi-Fi設(shè)備利用2.4 GHz、5 GHz或6 GHz的頻段來傳輸數(shù)據(jù)，但是在同一個時間內(nèi)只能使用一種頻段，切換不同的頻段需要一定的切換時間，因此會對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成延遲，對于一些對于延遲相對敏感的應(yīng)用如無線VR 裝置、實時的多人高清聯(lián)機游戲、元宇宙等等…，如何降低延遲時間即為一個急需解決的課題，Wi-Fi 7的MLO技術(shù)為這個問題找到了解決方案，圖6說明Wi-Fi 7 MLO可以通過不同的頻段同時傳輸。

如以上所述，通過MLO可以提升吞吐量與延遲，從圖7可以看出支持Wi-Fi 7 MLO的Station相對于單一鏈路連結(jié)的Station提升了接近三倍的吞吐量，圖8 顯示出在40%至70% 的網(wǎng)絡(luò)負載條件下，Wi-Fi 7 MLO 的Station 對比于支持單一鏈路鏈接的Wi-Fi 6 Station 降低了約80%的延遲。

MLO有幾種不同的運作模式，從Intel所公布的文件數(shù)據(jù)（圖9），列出了四種典型的MLO種類，根據(jù)其布建的難易復(fù)雜度與效能分別為MLSR、eMLSR、Non-STR MLMR 與STR MLMR，結(jié)論為：支持愈多路無線信號同時運作的MLO模式對于吞吐量或是延遲方面的性能提升效能就愈大;但是，天下沒有白吃的午餐，愈復(fù)雜的MLO，其對硬件的要求與軟件算法程序的復(fù)雜程度也愈高。

另一家Wi-Fi芯片提供商聯(lián)發(fā)科技（MediaTek）提出了一個名為“Hybrid eMLSR”的MLO架構(gòu)，eMSLR的原理是將三個不同頻段鏈接（2.4 GHz、5 GHz、6 GHz）透過2個Radio來傳輸，其中一個Radio只傳輸2.4 GHz并設(shè)定為STR模式，而另一個Radio 則設(shè)定在eMSLR模式并在5 GHz與6 GHz頻段傳輸，Hybrid eMLSR實現(xiàn)比標準eMLSR更好的性能，若同時混合不同帶寬單路傳輸，對于整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的延遲與吞吐量效能提升更有幫助，關(guān)于eMLSR與STR之間的效能比較請參考圖10與圖11。

4MRU （Multiple Resource Unit）

為了實現(xiàn)更快的吞吐量與傳輸效率，Wi-Fi 6采取了的正交頻分多址（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）的調(diào)變技術(shù)，它將無線射頻信道的資源分成一個一個小的時頻資源單位，這個資源單位也就是所謂的RU（Resource Unit），每一個RU包含了多個子載波（Sub-Carrier），Wi-Fi 6將子載波間距從312.5 kHz縮小為78.125 kHz，增加了子載波可用數(shù)量，而256個子載波組成一個最小的RU-26資源單位，Wi-Fi 6傳輸時，不同數(shù)量的子載波用資源單位RU整合分類，并且在同時間內(nèi)，將不同的資源單位RU分配給不同的用戶，達到同時間服務(wù)更多用戶的目的。

RU主要的目的是能在人潮眾多或是在高密度的環(huán)境下，能同一時間支持更多使用者，進而提升Wi-Fi傳輸?shù)耐掏铝颗c降低延遲。搭配不同的帶寬，RU資源單位大小與數(shù)量也可彈性調(diào)整，例如帶寬20 MHz時可以有9個RU-26（9個用戶）或者1個RU-242（1個用戶），或是在80 MHz的帶寬下，可以有4個RU-106（4個用戶）加上2個RU-242（2個用戶），共6（4+2）個使用者同時傳輸。RU-242以下的RU被定義為小資源單位，大于或等于RU-242以上的RU被定義為大資源單位，大資源單位RU可提高用戶傳輸速度使其加快完成數(shù)據(jù)傳輸;而小資源單位RU可在有限的帶寬內(nèi)提供更多的用戶，在用戶密集的場所可有效減少信號傳不出去所造成的用戶不良感受。圖12列出了不同帶寬下所有RU組合。

Wi-Fi 7基于OFDMA的RU，提出了一個稱為MRU（Multiple RU）的新機制來支持802.11be-EHT的實體層規(guī)范。

Wi-Fi 7所提出的MRU與Wi-Fi 6的RU不同的地方在于，Wi-Fi 6的RU分配上，一個節(jié)點只能被分配一個RU，而且不能夠跨RU分配，而在Wi-Fi 7的MRU，一個節(jié)點可以被允許分配到多個RU。

MRU的另一個好處就是能減低干擾對可用頻道的影響并加強了OFDMA的效率，Preamble Puncturing的技術(shù)在Wi-Fi 6被引進，但在Wi-Fi 7中配合MRU的特性，讓Preamble Puncturing的工作機制更加的靈活，在Wi-Fi 6的架構(gòu)下，做完P(guān)reamble Puncturing之后，其RU還是需要通過OFDMA的機制來分配給“多個”用戶，也就是說，在單一用戶的使用場景下是Preamble Puncturing是無法發(fā)揮功用的，透過MRU，在做完P(guān)reamble Puncturing后的RU可以全部分配給—個用戶，而且即使在不連續(xù)的頻譜（Non-Continuous Spectrum）下，一樣可以執(zhí)行Preamble Puncturing。

圖13顯示W(wǎng)i-Fi 7的MRU能讓RU將信號干擾所造成的可用頻道損耗從75%降到25%，這也是為什么支持MRU功能的Wi-Fi 7 Station相對于Wi-Fi 6的Station在多用戶與高密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠提升3倍信道帶寬的可用性。

除了提升帶寬的可用性外，支持MRU功能的Wi-Fi 7 AP對于降低多用戶同時傳輸?shù)氖褂脠鼍八斐傻难舆t有顯著的提升。

舉個例子，假設(shè)4個用戶要求同時傳輸不同長度的資料，用戶1到用戶4所要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)長度分別為2：2：3：1，基于Wi-Fi 5 AP的架構(gòu)，在SU（Single User）的多任務(wù)傳輸方式下，總共需要4519才能傳輸完4 個用戶的所有數(shù)據(jù);在Wi-Fi 6的架構(gòu)下，OFDMA-RU提供了效率較高的傳輸方式，由于沒有支持MRU，所以需要分兩次來傳輸，第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為1：1：1：1（RU-484 ton for each user），第二次傳輸為1：1：2：0（RU-484 tone for user 1 and user 2;RU-996 tone for user 3），總共需要406μs才能傳輸完4個用戶的所有數(shù)據(jù);在Wi-Fi 7的架構(gòu)下，MRU提供了效率最高的傳輸方式，藉由不同RU尺寸的互相組合與之前提到的Preamble Puncturing，只需要302μs便可完成所有用戶的傳輸。

圖14為在不同Wi-Fi規(guī)范下基于4個用戶同時傳輸時點對點（End-to-End）的延遲比較，支持MRU的Wi-Fi 7 AP能用更有效率的方式來分配RU進而縮短點對點之間的延遲時間，與Wi-Fi 5比較，能降低33% 的延遲;與Wi-Fi 6比較，能降低25%的延遲。

5Multi-AP Operation

多AP 協(xié)同運作（Multi-AP Operation 或是Multi- AP Coordination）跟之前所提的MLO、MRU一樣都是Wi-Fi 7將采納的新技術(shù)，其實類似Multi-AP Operation的技術(shù)早在Wi-Fi 5就已經(jīng)出現(xiàn)，并且取了一個淺顯易懂的名字-“Wi-Fi Mesh”，當時的Wi-Fi Mesh的技術(shù)主要都是由芯片廠商提供，如Qualcomm的Wi-Fi SON，Broadcom SmartMesh，因此無可避免地會遇到兼容性的問題，后來Wi-Fi Alliance定義了EasyMesh?的標準規(guī)范，將Mesh協(xié)議標準化以解決Mesh兼容性的問題。

Wi-Fi Mesh 只是Multi-AP Operation 的前身，如上一段文章所提到，之前的Wi-Fi Mesh 大多是Wi-Fi芯片供應(yīng)商自行定義且開發(fā)的特殊功能，如網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)控制器與代理人（Mesh Controller and Agents）、Wi-Fi智能漫游（Wi-Fi Smart Roaming）等等，在現(xiàn)今的802.11通信框架（802.11 Protocol Framework）對于AP與AP之間的協(xié)同運作方式并沒有太多著墨，在Wi-Fi 7，IEEE特別提出了Multi-AP Operation的規(guī)范，對各個AP之間的頻道選擇與負載調(diào)整進行優(yōu)化來達到最高效的使用率并讓Wi-Fi無線資源能被公平且平衡地分配。

Wi-Fi 7的多AP協(xié)同運行最重要的關(guān)鍵技術(shù)就是AP之間的協(xié)同進程安排（Coordinated Scheduling），它必須同時考慮到時間與頻度的維度還有單元間干擾抑制協(xié)調(diào)（inter-cell interference 丨coordination;ICIC）與MIMO的分發(fā)等等條件，AP與AP之間互相干擾愈降低，則通信的品質(zhì)與無線信號的可用度也就愈高。

Multi-AP Operation有以下幾種方式布建方式，分別為C-OFDMA（Coordinated Orthogonal Frequency Division Multiple Access）、CSR （Coordinated Spatial Reuse）、C-CDMA（Coordinated Collision Division Multiple Access）、CBF（Coordinated Beamforming）以及JXT（Joint Transmission），如圖15。

Wi-Fi設(shè)備廠商可以根據(jù)不同的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與配置來決定Multi-APCoordination的方式，以上所提到的五種Multi-AP Coordination布建方式分成由媒體接入層驅(qū)動（MAC-Driven）（圖16）或是由物理層驅(qū)動（PHY-Driven）（圖17）兩種技術(shù)，由PHY Driven的coordination method比較容易實現(xiàn)，技術(shù)門檻也比較低，由MAC Driven的coordinationmethod技術(shù)上比較復(fù)雜且需要投入較高的建置成本，但是效果也相對顯著。

根據(jù)著名市調(diào)機構(gòu)Yole的預(yù)測（圖18），從2024 開始Wi-Fi 7會開始在市場鋪貨，到2026年，Wi-Fi 6E的市場份額會正式超越Wi-Fi 6成為Wi-Fi主流的規(guī)格，Wi-Fi 7的比例也會從2014年的3%提升到8%。隨著Wi-Fi技術(shù)的進步與創(chuàng)新，愈來愈多新奇的、充滿想象的應(yīng)用也將實現(xiàn)真正的“無線“一個化”，如Facebook 的原宇宙（Meta Universe ）運用、4K/8K 高分辨率無線顯示屏幕，實時互動的高解析線上游戲，與動作視覺同步機器手臂、機器人，高清無線監(jiān)控系統(tǒng)，AI高速數(shù)據(jù)傳輸與分析等等等…可能就是這些新應(yīng)用的驅(qū)使帶動下，讓近幾年Wi-Fi技術(shù)的變革比之來得更快?；叵?019年Wi-Fi 6問世到2024年Wi-F i 7標準正式發(fā)布也不過5年不到的時間，相比于從Wi-Fi 4升級到Wi-Fi 5 （2009-2014 ）與Wi-Fi 5 升級到Wi-Fi 6 （2014-2019）所花費的時間都來得快。

Wi-Fi 6E已在2021年開始出貨，在2024年Wi-Fi 7標準正式發(fā)布之前，Wi-Fi6E勢必成為未來2年的Wi-Fi設(shè)備的主流規(guī)格，我們已經(jīng)走在Wi-Fi 6E的道路上了，離Wi-Fi 7還會遠嗎？