浅谈 Wi-Fi 7 新技术

      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