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(biāo)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(dāng)大家正摩拳擦掌準(zhǔn)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(jìn)度如何？以下我們會針對這些問題來做探討。
Wi-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(rèn)證測試計劃與認(rèn)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(rèn)證的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在市場上問世。
圖1 Wi-Fi 7規(guī)范制定時間表
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(jìn)與技術(shù)亮點。2018年年底，Wi-Fi Alliance為了簡化復(fù)雜的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)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-Fi 4（圖2）。
圖2新Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的命名
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(jìn)入到“真三頻”的架構(gòu)（2.4 GHz/5 GHz/6 GHzTri-Band architecture）（圖3）。
圖3 Wi-Fi 6E實現(xiàn)真三頻的架構(gòu)
Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)目前停留在Wi-Fi 6E，IEEE與Wi-Fi Alliance的科學(xué)家、學(xué)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 Requirements Document），根據(jù)Wi-Fi Alliance最新的會議紀(jì)錄，最新的 MRD文件已在2022年的3月正式被WFA所批準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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 Effi ciency），Wi-Fi 7顧名思義地將Wi-Fi的吞吐量更往上推進(jìn)。
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(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)與關(guān)鍵技術(shù)及差異，目前4096-QAM調(diào)變方式、頻帶擴(kuò)充到320 MHz與16×16 MU-MIMO為三個優(yōu)先被IEEE與WFA所承認(rèn)的新規(guī)格。
圖4 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的變革與關(guān)鍵技術(shù)
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(jī)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)。
圖5 Wi-Fi 7的關(guān)鍵新技術(shù)與功能
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(jìn)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(dǎo)入到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 Effi ciency）的由來。
為了讓W(xué)i-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：多路連接運作（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。
多路連接運作MLO
多路連接運作的主要目的就是讓W(xué)i-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(dāng)時的交通狀況與需要來做負(fù)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(jī)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(jī)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WiFi 7 MLO可以通過不同的頻段同時傳輸。
圖6 Wi-Fi 7 MLO vs Wi-Fi 6
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(fù)載條件下，Wi-Fi 7 MLO的Station對比于支持單一鏈路連結(jié)的Wi-Fi 6 Station降低了約80%的延遲。
圖7 MLO的優(yōu)勢-吞吐量
Wi-Fi 7 MLO (2×2 BW160+2×2 BW320) vs.Wi-Fi 6 SL (2×2 BW160)
圖8 MLO優(yōu)勢-無線網(wǎng)絡(luò)延遲
Wi-Fi 7 MLO (2×2 BW40+2×2 BW160) vsWi-Fi 6 SL (2×2 BW160)
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。
圖9 MLO的種類與效能差異
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連接（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(biāo)準(zhǔn) 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。
圖10 Hybrid eMLSR的優(yōu)勢-吞吐量
Hybrid EMLSR 2×2 BW40+ (1×1 BW160+1×1 BW320) vs.STR 2×2 BW40+2×2 BW320
圖11 Hybrid eMLSR的優(yōu)勢-無線網(wǎng)絡(luò)延遲
Hybrid EMLSR 2×2 BW40+ (1×1 BW160+1×1 BW320) vs.STR 2×2 BW40+2×2 BW320
MRU (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(dá)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(jìn)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80MHz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(jī)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(qiáng)了OFDMA的效率，Preamble Puncturing的技術(shù)在Wi-Fi 6被引進(jìn)，但在Wi-Fi 7中配合MRU的特性，讓Preamble Puncturing的工作機(jī)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(jī)制來分配給“多個”用戶，也就是說，在單一用戶的使用場景下Preamble Puncturing是無法發(fā)揮功用的，透過MRU，在做完P(guān)reamble Puncturing后的RU可以全部分配給一個用戶，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12基于OFDMA調(diào)變的所有RU組合列表
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。
圖13 MRU提升Wi-Fi Station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 451 μs 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 406 μs 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 302 μs 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(jìn)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。
圖14不同Wi-Fi規(guī)范下基于4個用戶點對點的延遲比較
Multi-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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將 Mesh 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化來達(dá)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(jìn)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 |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。
圖15 Multi-AP Coordination的布建方式
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-AP Coordination 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 coordination method 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。
圖16 MAC Driven的Multi-AP Coordination Methods
圖17 PHY Driven的Multi-AP Coordination Methods
根據(jù)著名市調(diào)機(jī)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(jìn)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“無線一體化”，如 Facebook 的原宇宙（Meta Universe）運用、4 K/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(jī)器手臂、機(jī)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...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，回想 2019 年 Wi-Fi 6 問世到 2024 年 Wi-Fi 7 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布之前，Wi-Fi 6E 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(yuǎn)嗎？
圖 18 Wi-Fi 6/6E/7 的市場份額預(yù)估
本文選自《電子產(chǎn)品世界》雜志 2022 年 7 月刊
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