Wi-Fi 6E已到，Wi-Fi 7還會遠嗎？

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)絡設備如家用路由器、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了大部分 Wi-Fi 產(chǎn)業(yè)與技術相關的版面，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 技術有哪些新的技術革新？它目前的進度如何？以下我們會針對這些問題來做探討。

1 Wi-Fi 7時間表

一項新的 Wi-Fi 技術必須由 IEEE 與 Wi-Fi Alliance 共同來定義其技術規(guī)格、認證測試計劃與認證執(zhí)行服務，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)絡設備在市場上問世。

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)格的演進與技術亮點。

2018 年年底，Wi-Fi Alliance 為了簡化復雜的 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-Fi 4（圖 2）。

圖2 新Wi-Fi標準的命名

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 相關的技術規(guī)范與 MRD（Marketing Requirements 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 Effi ciency），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)格與新的技術雖然還尚未完全確定，但是其中幾個核心的關鍵技術已被某些 Wi-Fi 主芯片廠商與業(yè)界的規(guī)范領先者與制定者所背書；圖 4 列出了從 Wi-Fi 4 到 Wi-Fi 7 標準的演進與關鍵技術及差異，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。

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

Wi-Fi 7 延續(xù)了之前 Wi-Fi 6 的精神，希望能過一些新的技術來提升網(wǎng)絡傳輸?shù)耐掏铝颗c增進 Wi-Fi 網(wǎng)絡的效率，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)絡環(huán)境下更會凸顯出 Wi-Fi 網(wǎng)絡的缺點，如 Wi-Fi 工作頻段的干擾（Interference of ISM Bands），因多任務分時切換延遲所產(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 的關鍵技術如 OFDMA，Resource Unit，MU-MIMO 導入到 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 Wi-Fi 網(wǎng)絡傳輸更有效率，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 技術可以允許一個 Wi-Fi 設備利用 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)絡系統(tǒng)造 成延遲，對于一些對于延遲相對敏感的應用如無線 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。

source: MediaTek

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，愈復雜的 MLO，其對硬件的要求與軟件算法程序的復雜程度也愈高。

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 并設定為 STR 模式，而另一個 Radio 則設定在 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)絡系統(tǒng)的延遲與吞吐量效能提升更有幫助，關于 eMLSR 與 STR 之間的效能比較請參考圖 10 與圖 11。

4 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，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 Preamble 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 Preamble 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 13 顯示 Wi-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)絡環(huán)境下能夠提升 3 倍信道帶寬的可用性。

Source: MediaTe

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 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。

5 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，其實類似 Multi-AP Operation 的技術早在 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 芯片供應商自行定義且開發(fā)的特殊功能，如網(wǎng)狀網(wǎng)絡控制器與代理人（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)同運行最重要的關鍵技術就是 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的干擾抑制協(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。

Wi-Fi 設備廠商可以根據(jù)不同的 Wi-Fi 網(wǎng)絡架構(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，由 PHY Driven 的 coordination method 比較容易實現(xiàn)，技術門檻也比較低，由 MAC Driven 的 coordinationmethod 技術上比較復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 技術的進步與創(chuàng)新，愈來愈多新奇的、充 滿想象的應用也將實現(xiàn)真正的“無線“一個化”，如 Facebook 的元宇宙（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 ...可能就是這些新應用的驅(qū)使帶動下，讓近幾年 Wi-Fi 技術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？

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)