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[原创] WiFi 7标准,终将发布

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资料通过chatgpt查找,仅供各位参考
发表于 2023-12-22 10:34:16 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省汕头市

Wi-Fi联盟宣布Wi-Fi 7规范将于明年第一季度末最终确定,为企业采用标准化硬件打开大门。

Wi-Fi 联盟表示:“基于 IEEE 802.11be 技术的 Wi-Fi CERTIFIED 7 将于 2024 年第一季度末之前推出。” “Wi-Fi 7 设备现已进入市场,Wi-Fi CERTIFIED 7 将促进全球互操作性,并将先进的 Wi-Fi 性能带入下一个互联设备时代。”

Wi-Fi 7 正在成为无线连接领域的一大亮点,提供高达 40 Gbit/s 的速度。对于大多数人来说,这可能使其成为传统有线以太网的强大替代品。它使用三个频段(2.40 GHz、5 GHz 和 6 GHz)以及 320 MHz 信道宽度和 4096-QAM 来实现这些速度。此外,Wi-Fi 7 建立在 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 的基础上,包括 MU-MIMO 和 OFDMA 等功能,以加快连接速度。总而言之,与 Wi-Fi 6 相比,性能提升高达 4.8 倍。

虽然当今市场上有大量用于 PC 和路由器的 Wi-Fi 7 徽章适配器,但它们遵循所谓的“草案”Wi-Fi 7 规范。这不会使它们在消费者层面上变得更糟,并且大多数现有的“草案”设备在固件更新后将支持完整标准。但对于居住在拥挤的办公楼中的企业来说,完全认可的设备是必须的,因为它们必须在非常特定的频率下工作。

这项新技术的一个问题是,Wi-Fi 联盟将其定位为AR /VR,这意味着直接无线连接,这在现代环境中很难实现。

该联盟的另一份声明写道:“Wi-Fi 7 支持新兴用例的卓越连接,具有高水平的交互性和沉浸感。” “随着用户对 AR/VR/XR、云计算和工业物联网等高容量、低延迟技术的需求在各个细分市场中不断增长,即使在 2.4 和 5 GHz 频段的密集环境中,Wi-Fi 7 设备也将提供优化的性能能够使用 6 GHz 的国家将全面体验 Wi-Fi 7 无与伦比的性能。”

WiFi 7是什么?

WiFi的沿革

在第一个 Wi-Fi 标准长达七年的开发过程结束时,很明显其 2 Mbps 的最大标称数据速率太小,无法取代 100 Mbps 以太网。这就是为什么很快,社区就开发了一系列标准修正案,即 802.11a/b/g,通过在 2.4GHz 和 5 GHz 频段中使用新的 MCS,将数据速率提高到 54 Mbps。802.11a 引入了信道带宽为 20 MHz、64 个tones、符号长度为 3.2 µs 加上 0.8 µs 的保护间隔的正交频分复用 (OFDM),形成了以下 Wi-Fi 版本的框架。

Wi-Fi 4 (802.11n) 通过利用多种技术进一步提高数据速率(高达 600 Mbps)。首先,它引入了比之前的 3/4 更高的 5/6 编码率,并可选择将 OFDM 符号之间的保护间隔从 0.8 µs 减少到 0.4 µs。其次,它将信道宽度加倍至 40 MHz。第三,它引入了 MIMO 技术,这是 802.11n 最重要的突破。借助 802.11n,一对设备可以使用多根天线在它们之间同时传输多达四个空间流 (SS)。如果没有新的 MAC 功能,PHY 的高标称数据速率将不会为最终用户带来好处。最重要的 MAC 特性是两种聚合方法,即聚合 MAC 服务数据单元 (A-MSDU) 和聚合 MAC 协议数据单元 (A-MPDU),它们显著减少了由报头(headers)和帧间空间(inter-frame spaces)引起的开销 . A-MSDU 将多个聚合数据包附加到一个 MAC header 和checksum。A-MPDU 为每个聚合数据包分配一个 MAC header 和frame checksum。因此,A-MPDU 通过允许在短噪声突发的情况下解码至少一些数据包来提高传输可靠性,但代价是略微增加了开销。

下一个 10 倍的数据速率增长是通过 802.11ac 修正案 (Wi-Fi 5) 实现的。该修正案扩展了先前版本 Wi-Fi 中使用的方法。因此,它将正交幅度调制 (QAM) 从 64-QAM 增加到 256-QAM,即每个符号的最大原始比特数从 6 增加到 8。信道带宽增加到 160 MHz。由于 2.4 GHz 中没有这样的宽带,802.11ac 只能在 5 GHz 中运行。由于频谱稀缺,修正案允许使用非连续的 80 + 80 MHz 信道,这些信道可以被一些频率间隙分开。

为了应对干扰,在每个数据包传输之前,每个设备都会自适应地选择用于此数据包的带宽:20、40、80 或 160 MHz。至于 MIMO,802.11ac 将 SS 的数量翻了一番,达到 8 个。该标准的制定者已经注意到,几乎不可能为某些设备部署两个以上的天线。此外,接入点(AP)可能只有一小部分数据用于每个客户站(STA)。

为了解决这些问题,802.11ac 引入了下行链路 (DL) 多用户 (MU) MIMO,允许 AP 将不同的 DL SS 分配给不同的 STA。所有这些都意味着将吞吐量提高到 7 Gbps。为了在如此高的数据速率下减少报头引起的开销,该修正案将聚合帧的最大长度从 802.11n 的 65 535 个八位字节增加到 4 692 480 个八位字节。

Wi-Fi 6 (802.11ax) 的发展与范式转变有关。802.11 工作组没有提高标称数据速率,而是专注于提高 Wi-Fi 网络的效率,特别是在密集的 2.4 GHz 和 5 GHz 部署中。首先,他们将正交频分多址接入 (OFDMA) 引入到 Wi-Fi,这允许为 STA 分配小但最有效的时频资源部分。除此之外,Wi-Fi 6 支持上行链路 (UL) MU MIMO 和 OFDMA 传输,并为信道绑定和载波侦听引入了更灵活的规则。AP 完全控制 UL MU 传输的参数,例如 MCS、持续时间等。特别是,它发送包含这些参数和启动 UL MU 传输。

为了提高户外场景的性能并增加 OFDMA 的灵活性,11be 将 OFDM 参数降频四倍,使tones的数量增加四倍。因此 OFDM 符号持续时间变为 12.8 µs 加上 0.8、1.6 或 3.2 µs 的保护间隔。在最短保护间隔的情况下,开销相对于 Wi-Fi 5 降低了 10%。为了提高标称吞吐量,Wi-Fi 6 启用 1024-QAM,比 Wi-Fi 5 的 256-QAM 多承载 25% 的原始数据 . 总而言之,标称数据速率增加了 37%,这与其前代产品所显示的十倍增长相比微不足道。

尽管在密集部署中性能要好得多,但标称吞吐量的如此低的收益可能不会吸引新客户。怀疑论者称,关注运行质量而忽视数量性能指标可能会减缓 Wi-Fi 6 设备的销售。这种担忧是 802.11 工作组转回增加 Wi-Fi 7 标称吞吐量的原因之一,同时改善用户体验(例如,观看未压缩速率为 20 Gbps 的 8K 视频时)并提供游戏所需延迟低于 5 毫秒的实时通信。

高数据速率不足以支持 RTA,因为数据包可能会等待很长时间才能使通道变为空闲或之前的数据包得到服务。因此,除了提供高数据速率之外,802.11be 修正案还处理 RTA 的服务质量 (QoS)。在 Wi-Fi 网络中,有多种方法可以提供 QoS。然而,在实践中只使用了其中的一种,即增强型分布式信道接入(EDCA)。EDCA 通过为它们分配不同的访问类别 (AC) 来区分语音、视频、尽力而为和背景流量类型。由于EDCA扩展了基本的参量通道接入,它不能保证QoS。相比之下,考虑到特定 QoS 要求并使用确定性信道访问的混合协调功能控制信道访问等标准化机制对于在实际设备中的实现来说过于复杂。

11be标准化流程时间表

2018 年 5 月,当 Wi-Fi 6 特性开发完成,802.11 工作组转而打磨 11ax 修正案时,该组成立了一个新的 EHT Topic Interest Group (TIG) . 其主要目标是在 1 和 7.125 GHz 之间的频段上定义 802.11 的新功能,主要目标是通过扩展 11ac 和 11ax 的 PHY 来提高峰值吞吐量。

2018 年 7 月,EHT TIG 转变为 EHT 研究组,定义了新项目的范围并确定了 11be 的候选特征列表。

与此同时,802.11 讨论了如何在 Wi-Fi 网络中支持 RTA。这方面的工作始于 2017 年 11 月 ,作为 802.11 无线下一代常务委员会活动的一部分,介绍了 Wi-Fi 时间敏感网络 (TSN)。该提案引起了广泛关注,并于 2018 年 7 月推出了 RTA TIG。由于支持 RTA 需要高标称数据速率和一些 MAC 功能来加速标准开发过程,802.11 工作组同意在未来的 11be 修正案中提供对 RTA 的支持。

2018 年,FD TIG 研究了如何在 Wi-Fi中实现 FD 以及该技术可以提供多少增益。11be 开发人员也应考虑这些活动的结果。

2019 年 3 月,EHT Study Group 转型为正在制定 11be 修正案的 TGbe 。它的目标是在两年内完成初稿,即到 2021 年 3 月。最终版本预计到 2024 年初。虽然标准草案尚未准备就绪,但所有已批准的功能都可以在最新版本的规范框架文档中找到 。

为了满足具有挑战性的时间表,该小组在两个分别关注 PHY 和 MAC 功能的特别小组中并行评估各种功能。尽管这样优化,但队列中的提交很多,等待时间超过几个月。为了加快标准开发过程,该小组同意选择一小组可在 2021 年发布的高优先级功能(第 1 版)。此类功能应以低复杂度提供高增益。该集应包括支持 320 MHz、4K-QAM、明显的 OFDMA 改进、多链路。反对此提议的主要问题与 PHY 和 MAC 更改的复杂性有关,这些更改将需要支持第 2 版推迟的功能。

与 Wi-Fi 7 相关的另一个重要问题是它与在相同免许可频段运行的蜂窝网络的 3GPP 技术共存。为了研究与 Wi-Fi 和蜂窝网络相关的共存问题,IEEE 802.11 成立了共存常设委员会 (Coex SC)。Coex SC的任务是与3GPP建立联系,建立同步工作。尽管开展了许多活动,甚至于 2019 年 7 月在维也纳与 3GPP 和 IEEE 802.11 参与者举行了联合研讨会,但尚未批准任何技术解决方案。对这种无果而终的活动的一个可能解释是,IEEE 802 和 3GPP 都不愿意改变自己的技术以使其与并发技术保持一致。因此,目前尚不清楚 Coex SC 内部讨论的哪些解决方案将成为 Wi-Fi 7 的一部分。

WiF 7的七大创新

11be 项目包含了非常雄心勃勃的目标,这些目标与更高的标称数据速率、更高的频谱效率、更好的干扰缓解和提供 RTA 支持有关。为了实现这些目标,802.11 工作组讨论了来自不同领域的大约 500 项提案,这些提案可以映射到 Wi-Fi 7 的七大创新之一。

1) EHT PHY

Wi-Fi 7 获准通过将 MU-MIMO 中的带宽和 SS 数量加倍来扩展先前 Wi-Fi 标准的 PHY,这将标称吞吐量提高了 2 × 2 = 4 倍。PHY 还通过利用 4K-QAM 引入了更高速率的 MCS,使标称吞吐量增加了 20%。因此,与 Wi-Fi 6 的 9.6 Gbps 相比,Wi-Fi 7 将提供高达 2×2 × 1.2 = 4.8 倍的标称数据速率。因此,Wi-Fi 7 的最大标称吞吐量为 9.6 Gbps × 4.8 ≈ 46 Gbps。此外,PHY 协议的革命性变化与以前的 PHY 标头的通用化和开发向前兼容的帧格式有关。

2) 具有 802 TSN 特性的 EDCA

为了支持 RTA,TGbe 检查了 IEEE 802 TSN 的主要发现,并讨论了如何改进 EDCA。标准委员会正在进行的讨论与退避程序、AC 以及数据包服务策略有关。

3) 增强型 OFDMA

在 11ax 中引入的 OFDMA 为优化资源分配提供了新的机会。但是在11ax中,OFDMA不够灵活。首先,它允许 AP 仅向客户端 STA 分配一个预定大小的资源单元 (RU)。其次,它不支持直接链接传输。这两个缺点都会降低频谱效率。此外,传统 OFDMA 缺乏灵活性会降低密集部署的性能并增加延迟,这对于 RTA 至关重要。TGbe 解决了这些 OFDMA 挑战。

4) 多链路操作

Wi-Fi 7 获得认可的革命性变化之一是原生支持多链路操作,这有利于巨大的数据速率和极低的延迟。虽然现代芯片组目前可以同时使用多个链路,但链路是独立的,这限制了这种操作的效率。11be 努力在链路之间找到这样的同步级别,以允许有效使用信道资源并且不会在密集部署中受到干扰。

5) 信道探测优化

宽信道中的高阶 MU-MIMO 和 OFDMA 要求设备交换大量信道状态信息。探测过程引起的大量开销消除了缩放 PHY 在理论上提供的增益。因此,人们非常关注可以减少信道探测开销的方法。

6) 提高频谱效率的高级 PHY 技术

在 TGbe 推出之前,802.11 工作组已经讨论了几种先进的 PHY 技术,这些技术应该可以在传输重试和相同或相反方向的同时传输的情况下显着提高频谱效率。尽管混合自动重传请求 (HARQ)、FD 操作和非正交多址接入 (NOMA) 在文献中得到广泛研究,但尚不清楚这些技术提供的增益是否足够高以补偿 必要的改变。在 Release 1 的工作期间,TGbe 专注于直截了当的高优先级功能,该小组对此毫不怀疑,社区有时间进一步评估 Wi-Fi 环境下的 HARQ、NOMA 和 FD。

7) 多AP协作

11be 引入的另一个重要创新是多 AP 协作。802.11 工作组主要关注附近 AP 之间的完全分布式协调。尽管许多供应商都有自己的企业 Wi-Fi 网络集中控制器,但此类控制器的能力受到配置长期参数和信道选择的限制。TGbe 讨论了附近 AP 之间更紧密的合作,包括协调调度、波束成形,甚至分布式 MIMO 系统。一些考虑的方法依赖于successive interference constellation (SIC)。11be 将支持协调调度,但存在与更复杂方法相关的一定程度的不确定性。

WiFi 7与WiFi 6的区别

1) 编码方式:4096-QAM

编码方式是一种无线信号调制技术,以无线电波的不同幅度、相位或频率的组合来表示数据信息。编码方式决定了在一个符号(Symbol)里所能承载的比特(bit)数量。

Wi-Fi 6 采用最高 1024-QAM 调制,每个Symbol承载 10bit 信息。Wi-Fi 7 采用最高 4096-QAM 调制,每个Symbol承载 12bit 信息。Wi-Fi 7编码能力是Wi-Fi 6的1.2倍,传递信息密度更大。

1024-QAM和4096-QAM技术对比

2) 码率: 5/6

实际传输时,单个Symbol的12bit不会都用来传输数据,要拿出一定bit用作纠错信息码,补救传输过程中可能的错误。单Symbol中排除纠错信息码,有效传输信息占12bit的比例就是码率。

Wi-Fi 6的1024-QAM调制的码率最高是5/6,Wi-Fi 7的4096-QAM码率最高也是5/6。在码率上,Wi-Fi 7并没有提升。

WiFi6和WiFi7的码率对比

3 )最大信道: 320MHz

在中国,Wi-Fi 6支持2.4GHz、5GHz两个频段,其中5GHz又可细分为5.2GHz频段(5G低频段)和5.8GHz频段(5G高频段)。

2.4GHz、5GHz、6GHz的信道捆绑情况

无线传输中,基础信道就是20MHz。2.4GHz频段中支持3个非重叠20MHz信道(参见图二),5.2GHz频段支持8个非重叠信道,5.8GHz频段支持5个非重叠信道。Wi-Fi 6一共支持16个非重叠20MHz信道。

要提高速率,最直接方式是提高道路的宽度。通过信道捆绑技术,把多个连续信道捆绑成更大带宽的信道。

信道捆绑技术把连续2个20MHz信道捆绑为40MHz信道,把2个连续40MHz信道捆绑成80MHz信道,Wi-Fi 6最高支持把2个连续80MHz信道捆绑成160MHz信道。

Wi-Fi 7标准中启用6GHz频段,在这个频段上有大量连续信道,并且干扰少,信道质量高,更适合捆绑信道。Wi-Fi 7支持最大捆绑成320MHz信道。

一个20MHz的信道可以包含234个有效子载波。一个160MHz信道包含1960个有效子载波。一个320MHz信道包含3920个有效子载波。

WiFi6和WiFi7不同信道包含的有效子载波数量表

要让Wi-Fi的速率达到峰值,就只在最大信道上传输数据。Wi-Fi 6单次最大可以传输1960个有效子载波;Wi-Fi 7单次可以传输3920个。Wi-Fi 7最大单次传输有效子载波数量是Wi-Fi 6的2倍。

4) 符号传输时间: 13.6μs

以上讲的编码方式、码率、有效子载波数量,都是从空间角度,即频域维度而言;而波的传输,还有传输时间角度,时域维度。

从时域维度看,传输单位是符号(Symbol)。为避免Symbol在传输时的相互干扰,在相邻Symbol传输的中间设定保护间隔(Guard Interval),GI。单位是微妙(μs)。1秒 (s)=1000000 微秒 (μs)。

一个完整的Symbol传输时间=单Symbol传输时间+GI

WiFi6和WiFi7的symbol传输时间

Wi-Fi 6和Wi-Fi 7的单Symbol传输时间没有变化。单Symbol传输时长都是12.8μs。选择GI 0.8μs来计算,1000000/(12.8+0.8)=73529。表示一秒钟可以发出73529个Symbol。

在Symbol传输能力上,Wi-Fi 7和Wi-Fi 6的能力一样,没有提升。

5 )空间流数量:16*16 MIMO

在Wi-Fi 6和Wi-Fi 7中,采用多用户-多进多出(MU-MIMO)技术,Multi-User Multiple-Input Multiple-Output。在AP发射端和STA接收端使用多根天线,同时传输和接受多个数据流,以提高无线传输的速率。每个独立的数据流都是一个空间流,通过不同的天线传输和接收。

Wi-Fi 6最多支持8条空间流,即一个AP同时对8个外部接收端传输数据(这8个接收端不一定是8个STA,也可以是3个STA的8个接收端)。每一条空间流在1秒钟都可以传输前述的数据量,8条空间流,就是同时传输上述数据的8倍。而Wi-Fi 7扩展到16条流。

Wi-Fi 7的空间流传输能力是Wi-Fi 6的2倍。

WiFi7的16条空间流

6) 理论速率计算公式

Wi-Fi理论速率=编码方式*码率*最大信道有效子载波数量*单位时间符号传输数量*空间流数量

=12*5/6*3920*73529*16

=46.12Gbps

由此得出:

1)Wi-Fi 7理论速率最大峰值可以达到46.12Gbps;

2)相比Wi-Fi 6理论速率峰值9.6Gbps,Wi-Fi 7的理论峰值速率是Wi-Fi 6的4.8倍;

3)Wi-Fi 7相比Wi-Fi 6,速率提升主要源于以下几个技术点

WiFi7相比WiFi6速率提升要素表.jpg

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发表于 2024-1-9 14:33:16 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市
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