浅谈 Wi－Fi 7 新技术
2020 年 1 月，Wi-Fi（无线保真）Alliance 正式宣布开放 6 GHz（5 925 MHz–7 125 MHz），并给予了一个新的名称 Wi-Fi 6E，同年四月美国 FCC（Federal Communications Commission）也投票通过了开放 6 GHz 频谱为非授权频带（unlicensed）并允许给 Wi-Fi 使用，Wi-Fi 也正式地迈入了“三频”时代，除了 Wi-Fi 6 与前代 Wi-Fi 所使用的 2.4 GHz 与 5 GHz 频段，Wi-Fi 6E 也能在 6 GHz 的频段下运作。
2021 年中旬，市面上一些主流的 Wi-Fi 设备商开始量产并销售 Wi-Fi 6E 的产品，从 2022 年开始，Wi-Fi 6E 俨然成为市场上的主流规格，无论是欧美运营商的招标方案还是高档家用 Wi-Fi 网络设备如家用路由器、Mesh、无线信号拓展器甚至于高规格的笔记本电脑等等都已将 Wi-Fi 6E 列入基本规格，就当大家正摩拳擦掌准备迎接 Wi-Fi 6E 盛世到来的时刻，Wi-Fi 7 却以迅雷不及掩耳的速度占领了大部分 Wi-Fi 产业与技术相关的版面，为什么 Wi-Fi 7 会引起大多数人的注意？Wi-Fi 7 相对于之前的 Wi-Fi 技术有哪些新的技术革新？它目前的进度如何？以下我们会针对这些问题来做探讨。
Wi-Fi 7 时间表
一项新的 Wi-Fi 技术必须由 IEEE 与 Wi-Fi Alliance 共同来定义其技术规格、认证测试计划与认证执行服务，从 IEEE 官方公布的时间表来看（图 1），Wi-Fi 7 规范正式发布的日期预计会落在 2024 年第二季度左右，也就是说要到 2024 年才会有正式拿到 Wi-Fi 7 认证的 Wi-Fi 网络设备在市场上问世。
图 1 Wi-Fi 7 规范制定时间表
什么是 Wi-Fi 7 ？
在我们讨论 Wi-Fi 7 之前，我们先来回顾一下历代 Wi-Fi 规格的演进与技术亮点。2018 年年底，Wi-Fi Alliance 为了简化复杂的 Wi-Fi 标准命名，于是正式将原有的 802.11ax 改名为 Wi-Fi 6，同时溯及既往，将既有的 802.11ac 改为 Wi-Fi 5，802.11n 则改名为 Wi-Fi 4（图 2）。
图 2 新 Wi-Fi 标准的命名
到了 2020 年，Wi-Fi 6E 紧接在 Wi-Fi 6 后问世，Wi-Fi 6E 开放了 6 GHz 的频段给 Wi-Fi 使用，从此 Wi-Fi 正式进入到“真三频”的架构（2.4 GHz/5 GHz/6 GHzTri-Band architecture）（图 3）。
图 3 Wi-Fi 6E 实现真三频的架构
Wi-Fi 标准目前停留在 Wi-Fi 6E，IEEE 与 Wi-Fi Alliance 的科学家、学者与成员们正如火如荼的讨论并提出 Wi-Fi 7 相关的技术规范与 MRD（Marketing Requirements Document），根据 Wi-Fi Alliance 最新的会议纪录，最新的 MRD 文件已在 2022 年的 3 月正式被 WFA 所批准，而 IEEE 的工作小组也会在 2022 年 3 月发表最新 IEEE P802.11be™/D2.0 的标准草案文件。
Wi-Fi 7 所依照的 IEEE 规范为 802.11be-Extremely High Throughput（ETH）， 对比 Wi-Fi 4 的 HT（High Throughput）、Wi-Fi 5 的 VHT（Very High Throughput）、与 Wi-Fi 6 的 HE（High Effi ciency），Wi-Fi 7 顾名思义地将 Wi-Fi 的吞吐量更往上推进。
如以上所述，Wi-Fi 7 的完整规格与新的技术虽然还尚未完全确定，但是其中几个核心的关键技术已被某些 Wi-Fi 主芯片厂商与业界的规范领先者与制定者所背书；图 4 列出了从 Wi-Fi 4 到 Wi-Fi 7 标准的演进与关键技术及差异，目前 4096-QAM 调变方式、频带扩充到 320 MHz 与 16×16 MU-MIMO 为三个优先被 IEEE 与 WFA 所承认的新规格。
图 4 Wi-Fi 标准的变革与关键技术
关于 Wi-Fi 7 的规格、新技术与新功能从 IEEE、Wi-Fi Alliance、Wi-Fi NOW 等与 Wi-Fi 新技术与运用相关的官方机构所释放出来的信息，加上近来坊间媒体与设备商的积极讨论与推测，愈来愈多 Wi-Fi 7 的新技术渐渐浮出台面，图 5 列出了几个目前讨论度与可信度最高且具有关键作用的新技术。
图 5 Wi-Fi 7 的关键新技术与功能
Wi-Fi 7 延续了之前 Wi-Fi 6 的精神，希望能通过一些新的技术来提升网络传输的吞吐量与增进 Wi-Fi 网络的效率，Wi-Fi 从一开始被发明出来就知道它不是一种高效率的架构，尤其在多用户、高密度的网络环境下更会凸显出 Wi-Fi 网络的缺点，如 Wi-Fi 工作频段的干扰（Interference of ISM Bands），因多任务分时切换延迟所产生的 time out（Handshaking Time Out）、up-link 与 down-link 的吞吐量不同步（Asymptomatic Throughput of Up-link and Down-link）等等...加上 Wi-Fi 所使用的无线频段是“免费”的，因此 Wi-Fi 技术本身所造成的频段资源浪费与低效率与移动通信所使用的 3G、LTE 与 5G 技术相比，确实有一大段差距，这也是为什么 IEEE 与 WFA 从 Wi-Fi 6 开始决定将 LTE 的关键技术如 OFDMA，Resource Unit，MU-MIMO 导入到 Wi-Fi，同时，这也是之前说提到 Wi-Fi 6 在 IEEE 的规范命名为 HE（High Effi ciency）的由来。
为了让 Wi-Fi 网络传输更有效率，Wi-Fi 7 开发了很多创新的新功能，其中最关键、最令人期待与最多人讨论的为：多路连接运作（multi-link operation，MLO）、多重资源单位（multi-resource unit，MRU）与 Multi-AP Operation 多 AP 协同运作。
多路连接运作 MLO
多路连接运作的主要目的就是让 Wi-Fi 设备能透过不同的频段（2.4 GHz/5 GHz /6 GHz Bands）与频道（Channels）同时传送并接收数据，而且可以根据当时的交通状况与需要来做负载平衡（Load Balance）或是资料的汇流（Data Aggregation），由于所有的工作都是可以跨频段与频道，因此大大地提升了整个网络系统的传输速度并降低了多用户同时联机传输所产生的延迟现象。
目前市面上所使用的 Wi-Fi 技术可以允许一个 Wi-Fi 设备利用 2.4 GHz、5 GHz 或 6 GHz 的频段来传输数据，但是在同一个时间内只能使用一种频段，切换不同的频段需要一定的切换时间，因此会对网络系统造成延迟，对于一些对于延迟相对敏感的应用如无线 VR 装置、实时的多人高清联机游戏、元宇宙等等 ...，如何降低延迟时间即为一个急需解决的课题，Wi-Fi 7 的 MLO 技术为这个问题找到了解决方案，图 6 说明 WiFi 7 MLO 可以通过不同的频段同时传输。
图 6 Wi-Fi 7 MLO vs Wi-Fi 6
如以上所述，通过 MLO 可以提升吞吐量与延迟，从图 7 可以看出支持 Wi-Fi 7 MLO 的 Station 相对于单一链路连结的 Station 提升了接近三倍的吞吐量，图 8 显示出在 40% 至 70% 的网络负载条件下，Wi-Fi 7 MLO 的 Station 对比于支持单一链路连结的 Wi-Fi 6 Station 降低了约 80% 的延迟。
图 7 MLO 的优势-吞吐量
Wi-Fi 7 MLO (2×2 BW160+2×2 BW320) vs.
Wi-Fi 6 SL (2×2 BW160)
图 8 MLO 优势-无线网络延迟
Wi-Fi 7 MLO (2×2 BW40+2×2 BW160) vs.
Wi-Fi 6 SL (2×2 BW160)
MLO 有几种不同的运作模式，从 Intel 所公布的文件数据（图 9），列出了四种典型的 MLO 种类，根据其布建的难易复杂度与效能分别为 MLSR、eMLSR、Non-STR MLMR 与 STR MLMR，结论为：支持愈多路无线信号同时运作的 MLO 模式对于吞吐量或是延迟方面的性能提升效能就愈大；但是，天下没有白吃的午餐，愈复杂的 MLO，其对硬件的要求与软件算法程序的复杂程度也愈高。
图 9 MLO 的种类与效能差异
另一家 Wi-Fi 芯片提供商联发科技（MediaTek）提出了一个名为“Hybrid eMLSR”的 MLO 架构，eMSLR 的原理是将三个不同频段连接（2.4 GHz、5 GHz、6 GHz）透过 2 个 Radio 来传输，其中一个 Radio 只传输 2.4 GHz 并设定为 STR 模式，而另一个 Radio 则设定在 eMSLR 模式并在 5 GHz 与 6 GHz 频段传输，Hybrid eMLSR 实现比标准 eMLSR 更好的性能，若同时混合不同带宽单路传输，对于整体网络系统的延迟与吞吐量效能提升更有帮助，关于 eMLSR 与 STR 之间的效能比较请参考图 10 与图 11。
图 10 Hybrid eMLSR 的优势-吞吐量
Hybrid EMLSR 2×2 BW40+ (1×1 BW160+1× 1 BW320) vs.
STR 2×2 BW40+2×2 BW320
图 11 Hybrid eMLSR 的优势-无线网络延迟
Hybrid EMLSR 2×2 BW40+ (1×1 BW160+1× 1 BW320) vs.
STR 2×2 BW40+2×2 BW320
MRU (Multiple Resource Unit)
为了实现更快的吞吐量与传输效率，Wi-Fi 6 采取了的正交频分多址（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）的调变技术，它将无线射频信道的资源分成一个一个小的时频资源单位，这个资源单位也就是所谓的 RU（Resource Unit），每一个 RU 包含了多个子载波（Sub-Carrier），Wi-Fi 6 将子载波间距从 312.5 kHz 缩小为 78.125 kHz，增加了子载波可用数量，而 256 个子载波组成一个最小的 RU-26 资源单位，Wi-Fi 6 传输时，不同数量的子载波用资源单位 RU 整合分类，并且在同时间内，将不同的资源单位 RU 分配给不同的用户，达到同时间服务更多用户的目的。
RU 主要的目的是能在人潮众多或是在高密度的环境下，能同一时间支持更多使用者，进而提升 Wi-Fi 传输的吞吐量与降低延迟。搭配不同的带宽，RU 资源单位大小与数量也可弹性调整，例如带宽 20 MHz 时可以有 9 个 RU-26（9 个用户）或者 1 个 RU-242（1 个用户），或是在 80MHz 的带宽下，可以有 4 个 RU-106（4 个用户）加上 2 个 RU-242（2 个用户），共 6（4+2）个使用者同时传输。RU-242 以下的 RU 被定义为小资源单位，大于或等于 RU-242 以上的 RU 被定义为大资源单位，大资源单位 RU 可提高用户传输速度使其加快完成数据传输；而小资源单位 RU 可在有限的带宽内提供更多的用户，在用户密集的场所可有效减少信号传不出去所造成的用户不良感受。图 12 列出了不同带宽下所有 RU 组合。
Wi-Fi 7 基于 OFDMA 的 RU，提出了一个称为 MRU（Multiple RU）的新机制来支持 802.11be-EHT 的实体层规范。
Wi-Fi 7 所提出的 MRU 与 Wi-Fi 6 的 RU 不同的地方在于，Wi-Fi 6 的 RU 分配上，一个节点只能被分配一个 RU，而且不能够跨 RU 分配，而在 Wi-Fi 7 的 MRU，一个节点可以被允许分配到多个 RU。
MRU 的另一个好处就是能减低干扰对可用频道的影响并加强了 OFDMA 的效率，Preamble Puncturing 的技术在 Wi-Fi 6 被引进，但在 Wi-Fi 7 中配合 MRU 的特性，让 Preamble Puncturing 的工作机制更加的灵活，在 Wi-Fi 6 的架构下，做完 Preamble Puncturing 之后，其 RU 还是需要通过 OFDMA 的机制来分配给“多个”用户，也就是说，在单一用户的使用场景下 Preamble Puncturing 是无法发挥功用的，透过 MRU，在做完 Preamble Puncturing 后的 RU 可以全部分配给一个用户，而且即使在不连续的频谱（Non-Continuous Spectrum）下，一样可以执行 Preamble Puncturing。
图 12 基于 OFDMA 调变的所有 RU 组合列表
图 13 显示 Wi-Fi 7 的 MRU 能让 RU 将信号干扰所造成的可用频道损耗从 75% 降到 25%，这也是为什么支持 MRU 功能的 Wi-Fi 7 Station 相对于 Wi-Fi 6 的 Station 在多用户与高密度的网络环境下能够提升 3 倍信道带宽的可用性。
图 13 MRU 提升 Wi-Fi Station 信道带宽的可用性
除了提升带宽的可用性外，支持 MRU 功能的 Wi-Fi 7 AP 对于降低多用户同时传输的使用场景所造成的延迟有显着的提升。
举个例子，假设 4 个用户要求同时传输不同长度的资料，用户 1 到用户 4 所要传输的原始数据长度分别为 2:2:3:1，基于 Wi-Fi 5 AP 的架构，在 SU(Single User)的多任务传输方式下，总共需要 451 μs 才能传输完 4 个用户的所有数据；在 Wi-Fi 6 的架构下，OFDMA-RU 提供了效率较高的传输方式，由于没有支持 MRU，所以需要分两次来传输，第一次传输的数据长度为 1:1:1:1（RU-484 ton for each user），第二次传输为1:1:2:0（RU-484 tone for user 1 and user 2；RU-996 tone for user 3），总共需要 406 μs 才能传输完 4 个用户的所有数据；在 Wi-Fi 7 的架构下，MRU 提供了效率最高的传输方式，藉由不同 RU 尺寸的互相组合，与之前提到的 Preamble Puncturing，只需要 302 μs 便可完成所有用户的传输。
图 14 为在不同 Wi-Fi 规范下基于 4 个用户同时传输时点对点（End-to-End）的延迟比较，支持 MRU 的 Wi-Fi 7 AP 能用更有效率的方式来分配 RU 进而缩短点对点之间的延迟时间，与 Wi-Fi 5 比较，能降低 33% 的延迟；与 Wi-Fi 6 比较，能降低 25% 的延迟。
图 14 不同 Wi-Fi 规范下基于 4 个用户点对点的延迟比较
Multi-AP Operation
多 AP 协同运作（Multi-AP Operation 或是 Multi-AP Coordination）跟之前所提的 MLO、MRU 一样都是 Wi-Fi 7 将采纳的新技术，其实类似 Multi-AP Operation 的技术早在 Wi-Fi 5 就已经出现，并且取了一个浅显易懂的名字——“Wi-Fi Mesh”，当时的 Wi-Fi Mesh 的技术主要都是由芯片厂商提供，如 Qualcomm 的 Wi-Fi SON，Broadcom SmartMesh，因此无可避免地会遇到兼容性的问题，后来 Wi-Fi Alliance 定义了 EasyMesh™ 的标准规范，将 Mesh 协议标准化以解决 Mesh 兼容性的问题。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 芯片供应商自行定义且开发的特殊功能，如网状网络控制器与代理人（Mesh Controller and Agents）、Wi-Fi 智能漫游（Wi-Fi Smart Roaming）等等，在现今的 802.11 通信框架（802.11 Protocol Framework）对于 AP 与 AP 之间的协同运作方式并没有太多着墨，在 Wi-Fi 7，IEEE 特别提出了 Multi-AP Operation 的规范，对各个 AP 之间的频道选择与负载调整进行优化来达到最高效的使用率并让 Wi-Fi 无线资源能被公平且平衡地分配。
Wi-Fi 7 的多 AP 协同运行最重要的关键技术就是 AP 之间的协同进程安排（Coordinated Scheduling），它必须同时考虑到时间与频度的维度还有单元间干扰抑制协调（inter-cell interference |coordination；ICIC）与 MIMO 的分发等等条件，AP 与 AP 之间互相干扰愈降低，则通信的品质与无线信号的可用度也就愈高。
Multi-AP Operation 有以下几种方式布建方式，分别为 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），如图 15。
图 15 Multi-AP Coordination 的布建方式
Wi-Fi 设备厂商可以根据不同的 Wi-Fi 网络架构与配置来决定 Multi-AP Coordination 的方式，以上所提到的五种 Multi-AP Coordination 布建方式分成由媒体接入层驱动（MAC-Driven）（图16）或是由物理层驱动 （PHY-Driven）（图17）两种技术，由 PHY Driven 的 coordination method 比较容易实现，技术门槛也比较低，由 MAC Driven 的 coordination method 技术上比较复杂且需要投入较高的建置成本，但是效果也相对显著。
图 16 MAC Driven 的 Multi-AP Coordination Methods
图 17 PHY Driven 的 Multi-AP Coordination Methods
根据著名市调机构 Yole 的预测（图18），从 2024 开始 Wi-Fi 7 会开始在市场铺货，到 2026 年，Wi-Fi 6E 的市场份额会正式超越 Wi-Fi 6 成为 Wi-Fi 主流的规格，Wi-Fi 7 的比例也会从 2014 年的 3% 提升到 8%，随着 Wi-Fi 技术的进步与创新，愈来愈多新奇的、充满想象的应用也将实现真正的“无线一体化”，如 Facebook 的原宇宙（Meta Universe）运用、4 K/8K 高分辨率无线显示屏幕，实时互动的高解析线上游戏，与动作视觉同步机器手臂、机器人，高清无线监控系统，AI 高速数据传输与分析等等...可能就是这些新应用的驱使带动下，让近几年 Wi-Fi 技术的变革比之来得更快，回想 2019 年 Wi-Fi 6 问世到 2024 年 Wi-Fi 7 标准正式发布也不过 5 年不到的时间，相比于从 Wi-Fi 4 升级到 Wi-Fi 5（2009-2014）与 Wi-Fi 5 升级到 Wi-Fi 6（ 2014-2019）所花费的时间都来得快。
Wi-Fi 6E 已在 2021 年开始出货，在 2024 年 Wi-Fi 7 标准正式发布之前，Wi-Fi 6E 势必成为未来 2 年的 Wi-Fi 设备的主流规格，我们已经走在 Wi-Fi 6E 的 道路上了，离 Wi-Fi 7 还会远吗？
图 18 Wi-Fi 6/6E/7 的市场份额预估
本文选自《电子产品世界》杂志 2022 年 7 月刊
