Wi-Fi 7 关键技术研究综述

曹珂崯 张闽 张天舒

摘要：随着人工智能、大数据、物联网等技术的高速发展，4K/8K视频、在线大型游戏、虚拟现实（Virtual Reality，VR） 和远程办公等应用程序也应运而生。然而，现有的Wi-Fi 6标准难以满足其高吞吐量和低时延的网络需求。因此，IEEE将发布下一代无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN） 标准IEEE 802.11be，也称为Wi-Fi 7。文章重点介绍和分析了Wi-Fi 7的技术特点和应用场景，最后总结和展望了Wi-Fi 7的研究方向和潜在发展。

关键词： Wi-Fi 6；吞吐量；IEEE 802.11be；Wi-Fi 7

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2023）29-0082-03

0 引言

随着移动通信设备和数据流量爆炸式增长，无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN） 呈现密集部署的趋势。根据Wi-Fi联盟的研究报告显示，越来越多的家庭、企业和学校等场所利用Wi-Fi技术作为其主要的无线网络接入技术，全球使用Wi-Fi技术的终端设备预计超过90亿台[1]。Wi-Fi技术已经成为移动智能通信领域的主要无线网络接入方式。从1997 年开始，无线局域网使用IEEE 802.11标准已有20余年，经历了多次修订和完善，不断演进和发展的IEEE802.11标准如表1所示。

1997年，IEEE发布了第一个802.11标准，其理论最大速率可达到2 Mbps，采用相移键控（Phase ShiftKeying，PSK） 和跳频技术（Frequency-Hopping SpreadSpectrum，FHSS）技术。1999 年颁布的IEEE 802.11b 协议新增了直接序列扩频（Direct Sequence SpreadSpectrum，DSSS） 模式，可以提供11 Mbps的数据速率。

2002年提出的IEEE 802.11g/a协议，在物理层引入了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multi?plexing，OFDM） 技术，该技术可以提高频谱利用率，达到54 Mbps的数据速率。IEEE 802.11n于2009年正式发布，这是WLAN发展史上的里程碑，其核心技术是单用户的多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO） 和信道绑定技术。802.11n支持256-QAM的调制方式，其最大速率可以达到500 Mbps，比之前版本的速率提高了10倍以上。802.11ac于2014年正式发布，该协议支持5 GHz的免许可频段，同时兼容之前的网络协议，为用户提供更高的系统容量、更高的调制方式（1024-QAM） 和更快的传输速率（达到1Gbps） [3]。IEEE 802.11ac支持1024-QAM的调制方式，其最大速率可以达到1 Gbps。IEEE 802.11ax协议引入了多个新技术以支撑数据传输[4]，其中包括多用户传输的正交频分复用多址（Orthogonal Frequency Divi?sion Multiple Access，OFDMA） 技术、空间复用（SpatialReuse，SR） 技术、基于目标唤醒时刻（Target WakeTime，TWT） 节能。

当前，WLAN标准正处于第六代到第七代的过渡期，该标准每一代的变革都提出了关键技术来提升网络性能指标。由于高清4K/8K 视频（数据速率高达20Gbps） 、在线大型游戏（网络延迟低于5毫秒）、虚拟现实VR和远程办公等应用程序爆炸式增长，人们对高吞吐量和低延迟的网络需求日益激增。虽然2021 年发布的第六代IEEE 802.11ax标准已高度关注密集场景下的用户体验和网络性能指标，但面对高速率、低延迟的应用程序和密集部署的智能设备，Wi-Fi由于信道接入过多和相互间的干扰，网络性能呈下降趋势。在此背景下，电气和电子工程师协会于2019年5 月成立了工作组，标准预计于2024年年底发布。因此，第七代Wi-Fi（IEEE 802.11be標准）应运而生，并将其称为极高吞吐量WLAN（Extremely High Throughput，EHT） 。Wi-Fi 7引入了320MHz带宽、非连续频谱的使用、Multi-Link 多链路机制、4096-QAM、多资源单元（Multi-Resource Unit，Multi-RU） 、增强MU-MIMO 等新兴技术，以提供更高的数据传输速率和更低的网络时延。同时，Wi-Fi 7预计能达到30 Gbps的网络吞吐量，大约是Wi-Fi 6的3倍。Wi-Fi 7的出现标志着Wi-Fi呈飞速发展，办公、生产、娱乐都将进入全无线连接时代。

1 Wi-Fi7 技术特点

无线速率的提升离不开频段、无线信道的扩展以及调制方式的升级。Wi-Fi 7引入了一系列新兴技术，促进了Wi-Fi的发展，并优化了无线网络的整体性能，相比Wi-Fi 6，其主要特点在于极高吞吐量、超低时延、低功耗等。

1.1 支持320MHz 带宽和非连续频谱的使用

频谱资源是无线网络的关键，任何新一代无线电技术需利用频谱资源作为其通信载体。过去20多年间，Wi-Fi一直在2.4GHz和5GHz的免许可频段上工作，承载着日益增长的网络需求。由于2.4GHz 和5GHz免许可频谱资源有限且短缺，现有的Wi-Fi技术在面对新兴的应用程序时，将出现用户服务质量降低、网络速率慢和高时延等问题。因此，Wi-Fi 7工作组成员将目光放到了联邦通信委员会通过的6GHz频谱上，利用6GHz上的频谱资源作为提升Wi-Fi 7峰值吞吐量的直接方法[5]。如图1 所示，接入点（AccessPoint，AP） 在2.4GHz 频段上可使用高达20MHz 的带宽，5GHz 频段上可达160MHz 带宽，而Wi-Fi 7 将在6GHz频段上使用320MHz带宽，该频谱带宽是5GHz 频带中可用带宽的两倍多。根据香农公式定理可知[6]，320MHz频谱带宽可实现Wi-Fi 7极高吞吐量的目标。除了支持6GHz频段，Wi-Fi 7还支持非连续频谱的使用，并增加了新的带宽使用模式，比如连续240MHz信道、非连续160+160MHz信道、非连续160+80MHz信道和连续320MHz信道等。在没有可使用的连续频谱资源情况下，Wi-Fi 7使用非连续频谱有助于相邻的网络实现共存，提供组合型的高带宽以提高网络吞吐量。

1.2 支持Multi-RU 机制

Wi-Fi 6引入OFDMA技术，将特定的子载波分配给不同的用户，实现多个用户的同时传输以提升信道利用率。多个用户可以在每个时间片上同时发送数据包，并为每个用户分配合适的资源单元（ResourceUnit，RU） ，从而同时提高多个用户的性能指标。在20 MHz 高效的物理层协议数据单元中，RU 被分为26-tone、52-tone、106-tone 和242-tone。对于Wi-Fi 而言，信道带宽越大，能够被分配的RU数量就越多，能够支持同时传输的用户就越多。然而Wi-Fi 6协议规定，一个RU只能用于一个用户传输数据包，难以满足用户高速率和低时延的需求，大大限制了频谱资源调度的灵活性。为解决此问题，Wi-Fi 7提出将多个RU同时分配给一个用户，以提升频谱资源的利用率。针对Multi-RU机制存在多个RU调度复杂的缺点，提出以下限制：小于242-tone 的RU 只能和小于242-tone的RU合并用以传输；大于等于242-tone的RU只能和大于等于242-tone 的RU 合并用以传输；小于242-tone的RU不能和大于等于242-tone的RU合并用以传输。因此，Multi-RU机制保证了频谱资源的灵活调度，大大提升了频谱利用率和网络速率。

1.3 支持Multi-Link 多链路机制

为实现低功耗、低时延和高效率的建设目标，Wi-Fi 7将允许在多个链路上同时发送数据包，信道可以占用不同的频带，甚至可以占用相同的频带。Multi-Link多链路机制主要包括增强型多链路聚合的MAC 架构、多链路信道接入和多链路传输等相关技术。Multi-Link多链路机制可以聚合不同带宽和不同数量的链路用以传输数据，例如同时使用160MHz 和20MHz这两条链路带宽，以传输一位用户的数据。当用户设备占用相同的频带资源时，Wi-Fi 7 扩展了TWT节能技术以支持低功耗设备和应用。当用户设备在数据链路上未发送或接收数据时，可以使其处于休眠状态。当该用户设备需要传输数据时，可以将其唤醒以实现节能。TWT节能技术允许用户设备之间协商唤醒时间和休眠时间，并预测用户设备的延迟时间，以避免链路间发生冲突，从而实现低时延、低功耗。

1.4 支持MU-MIMO 机制

如今，MU-MIMO机制是许多无线网络技术用以增加其容量的关键技术。无线通信往往需要一个基站同时与多个移动台之间进行通信，使得数据实现并行传输。随着数据流量和用户设备爆炸式增长，对于Wi-Fi而言，一个接入点将与多个用户设备同时连接，以实现吞吐量最大化和传输公平性。为了满足网络设备激增所带来的日益增长的流量需求，Wi-Fi工作组提出了MU-MIMO机制，各个用户设备占用相同的信道资源，数据都在相同的子载波上传输。Wi-Fi 6增加至8 个空间流以实现数据传输。Wi-Fi 6 通过MU-MIMO机制可同时服务多达8个用户进行上行链路和下行链路的数据传输。为了配合MU-MIMO机制，接入点会向所有用户精确发送触发帧。该触发帧指示空间流的数量和功率控制信息，使得每个用户可以根据离接入点的无线电距离来增加或减少发射机的功率。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基础上，由8个空间流增加至16个空间流，以获得更高的网络容量和网络速率，其理论上可达Wi-Fi 6的两倍多。目前，在802.11 的工作模式下，AP与AP之间实际上是没有协作的。而Wi-Fi 7还将支持分布式MIMO传输技术，多个接入点可以同时提供16条数据流，从而实现多个用户同时传输数据。MU-MIMO机制使得多个接入点之间互相协调，多个空间流同时传输数据，大幅提升网络系统的效率。

1.5 支持4096-QAM

正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM） 可以将两种调幅信号汇聚到一条信道上，利用星座图实现对数据的调制和解调，因此，可以拓展双倍的有效信道带宽。Wi-Fi 7改进了原有编码的调制解调策略，将前一代的1024-QAM扩展为4096-QAM，使得星座图中一个点可以带动的数据量从10个比特提升至12个比特，Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以获得20%的速率提升，其峰值速率可达到30 Gbps。

2 Wi-Fi7 技術典型应用场景

2.1 多媒体领域

如今，家庭、学校、商场等场所的智能设备大多以Wi-Fi作为主要的网络接入技术。智能设备中的应用程序迫切需要高速率、高带宽、低时延和低功耗的Wi-Fi技术，Wi-Fi 7引入的新兴技术解决了以上问题。随着5G时代的到来，4K/8K超高清视频已经应用在笔记本电脑、平板、手机和高清电视等智能设备上，Wi-Fi 7的极高吞吐量能够为4K/8K流媒体提供极速上传和下载，使用户更加便捷地享受优质的视频画面。同时，VR、在线大型游戏和远程办公等多媒体应用程序也将因为Wi-Fi 7的到来而蓬勃发展，并为用户带来良好的多媒体应用体验。

2.2 智能制造领域

Wi-Fi 7的提出与实施有利于智能制造领域的发展。工业革命浪潮中，稳定、快速、连续和智能的无线网络将成为各工业领域数智转型的稳定网络基石。工业互联网是实现智能制造的基础设施[7]，5G和Wi-Fi技术的发展推动工业互联网的布局和规划，从而支持物联网、云计算、大数据等智能制造产业的高速发展。Wi-Fi 7 充分利用其关键技术，包括免许可的6GHz频段、更高阶的数字信号调制解调技术、Multi-Link 多链路机制，从而为智能制造产业保驾护航。Wi-Fi 7将巩固“中国制造2025”的概念，使得智能制造领域的机器和工业设备实现更快速和更稳定的操作，可实现工业车间生产一体化、智能化和网络化。

2.3 交通运输领域

近年来，随着科技的发展和智慧城市体系的建设，城市交通运输系统也逐渐智能化。智能交通系统是融合计算机技术、网络通信技术、传感器技术等新兴科学技术于传统交通系统，实现实时、高效的交通运输系统。随着车联网的兴起和Wi-Fi的广泛使用，很多车辆都配有车载Wi-Fi，Wi-Fi 7的优点（低时延、低功耗、高速率）推动着智能交通系统的快速发展。比如，人们出行经常需要实时的交通信息，Wi-Fi 7技术可以快速预测道路交通情况，让出行者及时规避拥堵路段，进而推动交通运输系统向智能化、高效率的方向发展。

3 结论

本文首先从使用Wi-Fi技术的终端设备和数据流量爆炸式增长引出Wi-Fi 7，从而对Wi-Fi 7的关键技术进行了分析，并介绍了Wi-Fi 7的典型应用场景。Wi-Fi 7将于2024年发布，Wi-Fi技术不断更新，未来将与多媒体技术、人工智能、云计算、大数据、物联网等领域紧密结合在一起。Wi-Fi 7在实现高速率、低功耗、低延迟的同时，期待与未来的6G技术相结合，层出不穷的无线网络技术将为人们带来高可靠的网络服务，便利人们的生活。如今，Wi-Fi 7正在紧锣密鼓地研究中，可以预见，Wi-Fi 7将会在未来的无线通信网络技术中占据非常重要的地位。

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