网上最全 Wi-Fi 7 的核心技术讲解！
2023-07-14
Wi-Fi 7（802.11be）是IEEE Wi-Fi 802.11系列的最新协议版本，目前还没有正式发布，初步草案于 2021 年 3 月推出，预计最终版本发布时间是2024年5月份。但即便是草案发布，也激起了产业界浓厚的兴趣。从今年初开始，我们已经看到很多设备供应商如雨后春笋般都声称已支持了Wi-Fi 7，比如高通的 骁龙8 Gen 2、Netgear、TP-Link和华硕等无线路由器厂家，以及小米为代表的Xiaomi 13 Pro智能手机。感觉上一个版本Wi-Fi 6/6E还是在2019/2020年发布的，很多人还没有来得及更新Wi-Fi 6的路由器，Wi-Fi 7就来了，让人不得不感叹技术迭代的日新月异。
Wi-Fi 7和Wi-Fi 6相比在很多性能指标上大幅度提升，具体参见下表。从Wi-Fi 0到Wi-Fi 7性能到跃迁，能看出来，都是踩着肩膀一步一步演进过来的，如果没有这些技术的累积，也不会有现在的Wi-Fi 7。
当然，即便如此，从Wi-Fi 6到Wi-Fi 7性能提升依然惊人。这种提升背后意味着很多先进技术的运用。本文准备系统梳理一下Wi-Fi 7的新特性和核心技术。由于这些技术繁杂，为了方便大家理解，我进行了简单的归类。有些技术相对集中在物理层和链路层的优化，就分别归类在对应的技术层，有些技术牵扯面相对复杂，多层协调配合，比如：MU-MIMO、OFDMA、多AP间的协同调度、时间管理，我就分别单独成章来说明。
1. 物理层技术
1.1 同时支持3个频段
从支持2个频段2.4 GHz (2.400 ～ 2.495 GHz)和5 GHz (5.170 ～ 5.835 GHz)，升级到支持3个频段，而且在6GHz频段支持从5.925 到 7.125 GHz 高达1200MHz的频段范围。
1.2 更大的带宽使用能力
大家能看出来，在2.4GHz和5GHz两个频段，真正授权使用的频段范围是很有限的，但是6GHz这次开放的频谱就非常慷慨，这也为Wi-Fi 7进行更高的吞吐量设计提供了底层支撑。具体而言，Wi-Fi 7的信道带宽包括：20MHz、40MHz、80MHz、160MHz、240MHz和360MHz，其中160MHz、240MHz和360MHz这些信道带宽可以是连续的，也可以是不连续的。不连续信道带宽并非Wi-Fi 7独有，而是从Wi-Fi 6（802.11ax）继承下来的能力。6 GHz 频段支持多达 6 个重叠的 320 MHz 信道和 3 个非重叠信道。
1.3 更高的调制阶数
正交幅度调制（QAM）是Wi-Fi 7中的一项核心技术。QAM是一种数字调制技术，可以将数字信号映射到多个幅度和相位不同的载波上，以实现高速数据传输。我们经常在QAM后面看到XXXX的数字。这个数字就是调制符号（Modulation Symbol）的意思。调制符号指在特定的调制方案下，用于携带数据的基本单位。调制符号代表了一种特定的信号状态，其包含的信息可以通过调制解调过程来传输和接收，通常由一组离散的信号状态或符号点表示。每个调制符号代表一定数量的比特（或位），这个数量取决于所使用的调制方案和调制阶数。
QAM调制将信号的振幅和相位两个维度来表示不同的调制符号。在QAM中，调制符号的个数和调制阶数相关，例如16-QAM表示有16个不同的调制符号，64-QAM表示有64个不同的调制符号，Wi-Fi 4使用的是64-QAM，Wi-Fi-5是256-QAM，Wi-Fi 6是1024-QAM。每个调制符号可以携带一定数量的比特信息，调制阶数越高，每个调制符号所携带的比特数就越多，从而实现更高的数据传输速率。Wi-Fi 6的1024-QAM，意味着调制符号承载10bits。Wi-Fi 7的4096-QAM，意味着调制符号承载12bit。在相同的编码下，Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以获得20%的速率提升。然而，随着调制阶数的增加，调制符号之间的差异也变得更加微小，对于接收端来说，更容易受到噪声和干扰的影响。
2. 链路层技术
2.1 多链路操作 (MLO)
Wi-Fi 6 及之前版本的终端设备（STA） 虽然也支持多个 Radio、多频率， 但是同时只能和 AP 建立一个 Radio 的链接。而到了 Wi-Fi 7 版本， 工作组新定义了多链路操作 (Multi-Link Operation，MLO)，即能够同时 和 AP 建立多个 Radio 数据链路。 如下图所示， Wi-Fi 7 的 STA 和 AP 同时在 2.4 GHz 、5 GHz 和 6 GHz 上建立链路，并且三条链路能够“同时”工作， 提升STA的整体吞吐能力。
MLO，又称为多链路聚合技术，通过使用多个物理层链路和共享的MAC层协调，可以有效地管理和分配不同频段的网络资源，以实现在不同频段、不同无线链路上同时并行的数据传输。通过同时使用多个链路，MLO可以增加容量，提供更高的数据传输速率和更好的用户体验。
2.2 增强型链路适配和重传协议
Wi-Fi 7采用了混合自动重复请求 (HARQ) 技术来增强链路适配和重传协议。HARQ 是一种数据传输的高效方式，可以将数据分成小块进行传输，并在每个小块的传输之后立即进行确认。如果某个小块传输失败，则可以在后续传输中进行重传，从而提高数据传输的可靠性和效率。是一种结合 FEC (Forward Error Correction，前向纠错) 与 ARQ (Automatic Repeat reQuest) 方法的技术。具体操作是：当发送方将数据发送给接收方时，接收方会检查数据的准确性。如果接收方发现数据有错误或丢失，它会发送一个NACK给发送方，表示需要进行重新发送。发送方在收到NACK后会重新发送数据，直到接收方收到正确的数据并发送一个确认信息（ACK）。这个重传过程会一直持续，直到数据被正确接收。
增强型链路适配和重传协议并不是Wi-Fi 7中首次提出的技术，它们在之前的Wi-Fi版本中也已经有应用。不过，在Wi-Fi 7中，这些技术得到了进一步的优化和改进，以提高Wi-Fi网络的性能和可靠性：
- 采用更高效的重传协议：Wi-Fi 7引入了一种名为“复杂度自适应混合自动重传请求（CA-HARQ）”的协议，该协议可以根据信道质量和网络负载情况动态地调整重传的次数和时间间隔，从而提高传输效率和性能。
- 增量冗余技术：每次数据重传都包含与先前传输不同的信息。换句话说，在每次重传时，接收方都会获得额外的信息。
3. 多用户多输入多输出技术（MU-MIMO）
3.1 MIMO
MIMO，即Multiple Input Multiple Output（多输入多输出），是一种使用多天线发送和接收信号的技术。MIMO能够区分发往或来自不同空间方位的信号。通过空分复用和空间分集等技术，在不增加占用带宽的情况下，提高系统容量、覆盖范围和信噪比。当然和MIMO相对应的还有单入单出SISO（Single-Input Single-Output）、单入多出SIMO（Single-Input Multiple-Output）和多入单出MISO（Multiple-Input Single-Output），差别就是字面意思，当然后者这些都是老的技术了，所以不多做解释。
3.2 空间流（Spatial Stream）
在MIMO技术中，每根天线每路信号都是一个空间流（Spatial Stream），每个空间流都需要独立的天线进行发送和接收。我们经常在MIMO前面看到M*N的表达。这里面M就是发送端天线数量，N就是接收端天线数量。例如4×3 MIMO表示4根天线发送，3根天线接收。这个指标有时也称为MTNR。其实市面上很多无线路由器都会看到很多根明显的天线。这些天线往往能够同时支持发送和接收，所以根据天线的数量就基本能判断M和N的数值。例如一台有着4根天线的无线路由器，可以认为是4×4 MIMO。
3.3 MU-MIMO
但我们还要明白一点，在实际使用中，WLAN路由器的天线数和接入路由器的智能终端的天线数是不对称的。路由器可以有好多根天线，但智能终端，特别是手机，通常也就是1～2根天线。如果MIMO使用中，路由器和终端之间是单点通信，就会出现向下兼容。举例说明：如果一个4*4 MIMO的支持2Gbps的传输速率，当它与1个天线的手机连接和传输时，最高理论传输速率就会降到1/4，也就是500Mbps，其他1.5Gbps都被闲置了。这种局限就是所谓的SU-MIMO（Single-user MIMO）。为了充分发挥多天线的潜能，从Wi-Fi 5开始就支持MU-MIMO（Multi-user MIMO），允许发射端同时和多个用户传输数据。Wi-Fi 5标准开始支持4用户的MU-MIMO，Wi-Fi 6标准将用户数增加到了8个。而Wi-Fi 7标准将用户数增加到了16个，可以更好地支持多用户和高密度网络场景。
3.4 三个调制解调技术
在MIMO的天线编解码和调制解调过程中，经常会听到下面3个概念：空间分集（Spatial Diversity）、空分复用（Spatial Multiplexing）和波束成形（Beamforming），这三个技术使用的目的有所不同：
- 空间分集（Spatial Diversity）：利用多个天线（或天线链）接收来自同一发送源的多条独立信道，通过在接收端对这些信道进行合理的组合，以提高系统的可靠性和抗干扰能力。通过在不同的接收天线上接收到多个独立的信号副本，空间分集可以减小信号衰落和多径效应的影响，从而提供更稳定和可靠的信号接收。所以空间分集的目的是可靠传输。
- 空分复用（Spatial Multiplexing）：是一种通过在MIMO系统中同时传输多个数据流的技术。它利用多个天线在相同的时间和频率资源上发送不同的数据流，以提高信道容量和数据传输速率。通过将数据流分配到不同的天线并利用天线之间的独立性，空分复用可以实现并行的数据传输，从而显著提高无线系统的吞吐量。空分复用的目的是提升传输速率。
- 波束成形（Beamforming）：是一种通过调整天线的相位和振幅来改变信号传输方向的技术。无线电波可以在某些特定方向上扭曲变形，强化拉伸，就像探照灯的光束一样。波束成形可以在发送端或接收端实现，通过优化天线信号的权重和相位来形成一个狭窄的波束，从而改善信号的传输性能。波束成形的目的是为了提升信号穿透率。当波束被专门引导到接收设备，并以精确到功率到达每个设备，可以最大限度提升信号质量。波束成形技术还可以让无线电波从建筑物反射折射衍射最后传送到某个方向更远的区域。它旨在将无线信号的能量集中在特定方向上，以提高信号的传输距离、覆盖范围和抗干扰能力。
4. 多用户正交频分多址（OFDMA）技术
4.1 OFDMA
多用户正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术是一种用于无线通信系统的频谱分配技术。在OFDMA中，整个频带被分成多个小频段（或者叫子载波），子载波（subcarrier）是Wi-Fi信号的基本单位，每个子载波都具有特定的频率和相位。每个小频段可以分配给一个或多个用户同时使用，而且不同用户可以分配不同数量的小频段，这就允许多个用户同时在同一频带上传输数据，从而提高了频谱利用率。
相较于之前的Wi-Fi版本，Wi-Fi 7对OFDMA技术做了一些改进。首先，Wi-Fi 7中的OFDMA技术将子信道的数量增加到了数百个，这意味着更多的用户可以同时连接到同一个Wi-Fi网络上。其次，Wi-Fi 7中的OFDMA技术可以灵活地将子信道分配给不同的用户，可以根据不同用户的需求进行动态分配，提高了Wi-Fi网络的灵活性和适应性。
4.2 Multi-RU机制
Wi-Fi 7引入Multi-RU机制。资源单元RU（Resource Unit）是用于划分时间-频率资源的单元。它可以理解为在OFDMA中的一个时间-频率块，用于分配给单个用户或用于传输特定的数据。在 Wi-Fi 6 引入的 OFDMA 机制中，RU (Resource Unit)作为频率划分的资源单位也同时被提出， 定义了 26-tone RU，52-tone RU，106-tone RU，242-tone RU，484-tone RU，996-tone RU 和 2×996-tone RU。然而用户只能在分配到的固定 RU 进行收发工作，大大限制了频谱资源调度的灵活性。为 解决该问题，进一步提升频谱效率， Wi-Fi 7 中定义了允许将多个 RU 分配给单用户的机制。考虑到 7 种 RU 的组合会非常复杂，Wi-Fi 7 协议中也对 RU 的组合做出了限制，定义了小规格 RU 和大规格 RU 两大类 RU。其中小规格 RU 包含 26、52、106-tone RU，大规格 RU 包含 242、484、996、2×996、 3×996-toneRU。并规定不同大类的 RU 之间不能组合，并且在相同大类也有组合限制。
4.3 前导码穿孔技术（Preamble Puncturing）
以前，信道繁忙意味着频段无法充分利用。数据只能通过主通道发送。现在，通过前导码打孔，可以阻止干扰，无浪费、无拥堵，从而开辟更多信道可供使用。
5. 多AP间的协同调度
5.1 多AP间的协同调度综述
目前在 802.11 的协议框架内，AP 之间的协作仅仅只有信道优化选择、AP 发射功率调整、负载均衡、 空间复用】资源高效利用等等，AP之间实际上是没有太多协作的关系。为了进一步实现一定区域内射频资源利用最大化， Wi-Fi 7中的多AP间的协同调度，包括小区间的在时域和频域的协调规划，小区间的干扰协调，以及分布式MIMO，可以有效降低AP之间的干扰，极大的提升空口资源的利用率。Wi-Fi 7 提出了多 AP 的协同调度 (Multi-APCoordination) ，包括：协同正交频分复用多址接入(Co-OFDMA ，Coordinated Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access) 、协同空间复用(Co-SR ，Coordinated Spatial Reuse) 、协同波束成形(Co-BF ，Coordinated Beamforming)和协同数据发送(Co-JT ，Coordinated Joint Transmission)、协同时间分割多址接入（Co-TDMA，Coordinated Time Division Multiple Access）、BSS （Basic Service Set）Coloring技术以及清晰信道评估CCA（Clear Channel Assessment）技术等。
5.2 协同正交频分复用多址接入（Co-OFDMA）
协同正交频分复用多址接入（Co-OFDMA）：通过在不同AP之间协调和分配子载波资源，这使得多个AP可以同时在不同的子载波上进行并行通信，实现在多个AP之间共享频谱资源，从而提高频谱利用效率和网络容量。
5.3 协同空间复用（Co-SR）
协同空间复用（Co-SR）：协调不同AP的发送和接收时隙，通过在空域上进行协调，不同AP可以在相邻的区域内同时传输数据，减少不同AP之间的干扰并提高空间复用效率、网络容量和吞吐量。
5.4 协同波束成形（Co-BF）
协同波束成形（Co-BF）：通过协同波束成形，利用多个AP之间的协同工作，通过集中信号能量并改变天线辐射方向，将无线信号以更强的方向性发送给特定的用户设备，提供更强的信号覆盖、增强的链路质量和传输效率。
5.5 协同数据发送（co-JT）
协同数据发送（co-JT）：允许多个AP的数据组合成一个更强大的信号，在同一时间发送协同数据给同一个用户设备。可以提高用户设备的接收信号质量、传输速率和覆盖范围。
5.6 协同时间分割多址接入（Co-TDMA）
协同时间分割多址接入（Co-TDMA）：允许多个AP在不同的时间片段上发送数据，通过协同调度和分配时间资源，避免了AP之间的冲突和干扰，减少传输延迟，并提供更稳定和可靠的连接，提高网络容量和频谱利用效率。
5.7 基本服务集着色机制（BSS Coloring）
基本服务集着色机制（BSS Coloring）：在传统 Wi-Fi 网络中，当多个 Wi-Fi 路由器或接入点（AP）在同一频道上运行时，它们会相互干扰，导致网络性能下降。在多个Wi-Fi热点覆盖的环境中会出现乒乓效应，这种现象也称为”空气电路”。在这种情况下，Wi-Fi终端设备会频繁地在不同的Wi-Fi热点之间进行切换，这会导致连接不稳定和数据传输的延迟。BSS Coloring技术通过标识和区分不同的BSS。当其他 Wi-Fi 7 设备接收到这个数据包时，会根据这个标记识别这个数据包是否来自同一网络中的其他设备，如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；如果颜色不同，则认为两者之间无干扰，两个Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。可以避免干扰现象的发生，提高Wi-Fi网络的性能和可靠性。
5.8 清晰信道评估（CCA）
清晰信道评估（CCA）：是一种动态信道监测技术，用于检测、感知并评估周围环境中的信道活动情况。根据实时的信道状态进行调整。这可以帮助AP选择相对空闲的信道以提供更好的性能，并减少与其他AP之间的干扰。
6. 时间管理技术
6.1 时间敏感网络（TSN）
TSN是一组用于实时和时间敏感应用的网络技术标准，旨在通过以太网实现高可靠性、低延迟和确定性的通信。它为Wi-Fi网络提供了一种可靠地支持实时应用的方式，包括工业自动化、智能制造、车联网等领域。TSN技术通过定义时间同步机制、流量调度和优先级控制等功能，实现了对实时数据传输的保证。
Wi-Fi 7参考TSN的模式，完善当前无线局域网的机制。同时，也需要考虑受限的空口环境(例如，链路不可靠 性、缺乏准确的时钟同步、不对称的路径延迟等等) ，以及老产品的兼容性。分布式 MIMO、多 AP 协作等功能需要基于各个节点的时钟同步。
6.2 TWT目标唤醒时间技术
目标唤醒时间 (Target Wake Time，TWT)是指无线终端设备在与无线接入点 (AP) 通信时，通过协商设定睡眠和唤醒时间，实现设备节能的技术。
在以往的Wi-Fi标准中，无线终端设备会在持续监听无线信道，随时准备接收AP发送的数据帧，这会导致设备的能耗较高。而在TWT技术的引入下，AP可以告知设备在何时唤醒以接收数据，从而使设备在不需要进行通信时，可以进入睡眠状态以节省能源。同时，这也可以提高网络的吞吐量和响应速度，因为AP可以在指定的时间将数据帧发送给设备，避免了设备的重复监听。TWT技术的应用场景比较广泛，可以用于智能家居、物联网、工业4.0等领域。它的引入在Wi-Fi 6中已经有所体现，但在Wi-Fi 7中进行了进一步的优化和改进，以提高设备的睡眠和唤醒效率，并进一步降低能耗。
7. 写在最后
最后，我还是要补充强调一点：尽管上面谈到了很多Wi-Fi 7的关键技术，但毕竟协议最终版还没有发布，所以这些关键技术还都有变化和调整的可能，所以最后一定会有未涵盖到或者有待优化改进的地方。如果大家对这个话题感兴趣，可以去跟进协议标准的讨论过程。
好的技术和性能表现固然重要，但能在纷繁复杂的现实场景中依然性能卓越，不掉链子更为重要。前文我们提到过这个问题。有兴趣的小伙伴可以点击：《Wi-Fi诞生以来最难的问题，现在有解了！》