Wi-Fi7 关键技术分析综述

钱智红，成 刚

（1.上海诺基亚贝尔软件有限公司，上海 201206；2.上海诺基亚贝尔股份有限公司，上海 201206）

0 引言

通常Wi-Fi 技术标准每隔5 年左右就会更新迭代，在国内支持Wi-Fi6 技术的产品已经成为市场主流的同时，下一代Wi-Fi7 标准也已经完成了主要规范的定义。迄今，IEEE 工作组已经发布了Wi-Fi7（IEEE 802.11be）的草案3.0 版本[1]。预计至2024 年5 月，IEEE 将发布Wi-Fi7 最终版本，完成所有的Wi-Fi7 标准制定。

而对应的Wi-Fi 联盟认证项目是从2021 年开始建立市场任务组，预计2023 年底完成Wi-Fi7 认证项目开发。另外，目前已经有设备厂家在基于Wi-Fi7 芯片开发新产品，可以预测2024 年将是商用Wi-Fi7 路由器和终端相继涌现的元年。

IEEE 把802.11be 又称为极高吞吐量（Extremely High Throughput，EHT），即对于Wi-Fi6 之后的性能大幅度提升给予了非常高的期望。IEEE 工作组起初在制定802.11be 标准的时候，把规范发布分成两个阶段，分别定义了很多关键技术和对应的技术指标。从最新的标准制定进展来看，原先第二阶段的主要内容将放在2028年左右的Wi-Fi8 标准中，比如多AP 接入协作技术、16个多输入多输出空间流等。

本文首先概述Wi-Fi7 的关键技术指标和特征，然后着重介绍和分析多链路同传技术和多资源单位技术的工作原理以及对业务带来的变化或影响，并且阐述Wi-Fi7 物理层的调制方式和带宽的变化，接着对Wi-Fi7 演进到Wi-Fi8 的潜在技术进行分析和探讨，最后对Wi-Fi技术发展做总结和展望。

1 Wi-Fi7 的关键技术分析

历数Wi-Fi 标准发展演进的关键技术，Wi-Fi 技术创新主要包含物理层编码调制技术来提升连接速率，通过信道绑定来拓展带宽，通过空间复用或者频域复用来提升带宽以及多用户并发接入数量等，可见更高的速率、更高的带宽和更多的接入用户数量一直是Wi-Fi 技术迭代升级的主要目标。

在Wi-Fi6 的技术基础上，Wi-Fi7 在这些核心领域继续拓展和创新，达到了Wi-Fi 技术迄今在速率、带宽和用户并发数量的超高性能指标。此外，考虑到业务时延已经成为影响用户体验的关键因素，Wi-Fi7 也把超低时延作为其技术演进的重要指标。Wi-Fi7 与Wi-Fi6 的关键性能指标如表1 所示[1-3]。

表1 Wi-Fi7 关键性能指标

表2 是Wi-Fi7 的关键技术特征，它既包括在原有Wi-Fi6 技术上的效率或性能提升，比如4096-QAM 调制和320 MHz 带宽等，也包括新技术在Wi-Fi7 标准中的引入，比如多链路同传技术、多资源单位技术、低时延识别技术等[2]。Wi-Fi7 通过实现这些核心技术，从而支持超高速率、超高带宽、超高并发用户接入以及超低时延的技术指标[1-3]。

表2 Wi-Fi7 关键技术特征

1.1 多链路同传技术

Wi-Fi 标准演进到Wi-Fi6E 时，AP 或者终端可以同时支持2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 三个频段。但标准只支持一个AP 与一个终端之间在一个频段的信道上建立物理层和MAC 层连接，只能在这一个连接上进行数据传送，即单链路传输模式，这种方式没有充分发挥AP 与终端之间多频段的物理配置的能力。

而Wi-Fi7 标准支持AP 与同一个终端在2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 频段的信道上同时建立连接，相当于把三个频段捆绑在一起形成更大的传输通道，AP 与终端就在多条连接上同时传送数据，因而能显著提升AP 与终端的传输吞吐量。

Wi-Fi7 把这种多条链路连接同时传送数据的技术称为多链路同传技术[1-2]，把相关的设备称为多链路设备（Multiple Link Device，MLD）。其中，具有多链路功能的AP 设备被称为多链路AP（AP MLD），具有多链路功能的终端（Station）被称为多链路STA（non-AP MLD）。

从Wi-Fi7 设备的上层应用软件的角度来说，在多链路同传技术下，即使物理数据通道有多条，但AP 与终端之间仍然必须保持一对一的数据链路层的地址访问模式，这样应用软件就不需要识别Wi-Fi 数据传送是单链路还是多链路方式。

为了实现多链路同传下的统一的数据链路层模式，Wi-Fi7 标准把多链路设备的MAC 层分成高MAC 层和低MAC 层[1-2]，各自有对应的MAC 地址，参考图1 的多链路设备的协议栈。

图1 多链路同传技术下的MAC 层协议栈

(1) 高MAC 层：多个数据链路共享的公共MAC 层，对应多链路设备统一的MAC 地址，它负责对各链路发送前的数据报文进行成帧前的处理，或对接收数据报文做解析处理。

(2) 低MAC 层：各个物理链路各自对应的MAC 层，有对应的各个链路MAC 地址，主要处理链路上的数据收发相关的流程以及Wi-Fi 控制帧收发等。

Wi-Fi7 的多链路AP 与多链路终端之间的连接可以优化成只在一条链路上完成认证、关联和连接过程，此时AP 与终端的管理帧携带了其他链路的设备信息。即使不在每条链路上重复相同的过程，最后AP 与终端也能完成多链路的连接[2]。

参考图2，多链路AP 与多链路STA 首先通过2.4 GHz链路完成认证、关联和连接过程，然后实现3 条链路的数据传送。

图2 多链路同传技术下的连接方式

在图2 中，多链路建立连接之后，多链路设备有相互独立的物理链路和链路低MAC 层，而高MAC 层则包含了多链路设备点到点通信的统一MAC 地址。发送端的高MAC 层在多个链路调度数据并传送，接收端的高MAC 层也在多个链路同时接收数据，而数据帧封装以及数据帧解析的流程与传统的Wi-Fi 标准仍然保持一致。

Wi-Fi7 支持多链路同传模式，除了AP 与终端之间的连接流程有更新以外，多条链接传送数据的处理方式与之前的Wi-Fi 标准相比也有很大的变化，它主要包括多链路如何协同传送数据，以及不同链路在数据传送上的灵活性。

多链路协同传送数据[2]，指的是链路之间在传送数据时是否需要同步，或者异步独立传送。

(1) 多链路同步同传模式：多链路AP 与终端之间的多个链路同时发送数据或者同时接收数据，每个链路之间需要保证数据发送和接收在时间上的同步。

(2) 多链路异步同传模式：多链路AP 或终端在每条链路上独立竞争无线媒介的访问权，并各自传送数据，相互之间不需要对齐收发时间。

多链路设备采取同步还是异步模式，取决于实现上的复杂程度以及链路相互之间的干扰情况。如果不同链路的信道在频谱上间隔较远，可以采用链路之间的异步模式；而不同链路上的信道如果相隔较近，则可以采用同步模式，它可以减少相互之间由于信道侦听到干扰而引起的冲突回退。参考图3 所示的多链路同传下的同步和异步模式。

图3 多链路同传的同步和异步模式

多链路设备支持不同链路，在提升传输吞吐量的同时也在数据传送上提供了很大的灵活性，实际应用中可以有下面的数据传送的分工方式[2]：

(1) 按业务分类的链路传送：比如高带宽低延时业务可以在信道干扰较少的6 GHz 上传送，从而降低时延和提升用户体验。

(2) 按报文类型分类的链路传送：控制报文和业务数据在不同链路上传送，使得控制报文能被高优先级快速处理和响应。

(3) 按传送方向分类的链路传送：AP 与终端之间的数据发送和接收在不同链路上传送。

参考图4 的业务分类、报文类型分类以及传送方向分类的数据传送。Wi-Fi7 支持的多链路同传技术不仅拓展了Wi-Fi 数据传送的吞吐量，而且通过区分业务类型的方式，提高了传输数据的业务质量和改善用户体验。

图4 多链路同传下的数据传输

1.2 多资源单元技术

多资源单位技术（Multiple Resource Unit，MRU）[1-2]是指Wi-Fi7 支持对OFDMA 下的不连续的多个资源单位（Resource Unit，RU）进行组合捆绑，然后分配给所连接的终端。这种方式是Wi-Fi7 引入的新的信道捆绑技术，能够在干扰环境下更加灵活和有效地提升数据传送的有效带宽。

信道捆绑技术起源于Wi-Fi4 标准，接着在Wi-Fi5 和Wi-Fi6 得到演进和发展。基本原理是以20 MHz 为单位的多个子信道进行捆绑，组合成40 MHz、80 MHz、160 MHz 等新的工作信道带宽，其中某个20 MHz 为主子信道。Wi-Fi4 和Wi-Fi5 要求多个子信道必须连续，参考图5，如果某个子信道受到干扰，则只能捆绑无干扰的主子信道以及与主子信道连续的其余子信道。

图5 Wi-Fi 信道捆绑技术演进

Wi-Fi6 第一次支持下行方向非连续子信道捆绑，子信道仍以20 MHz 为单位。此时，即使某个子信道受到干扰，图5 中Wi-Fi6 仍可以捆绑无干扰的主子信道以及非连续的其余子信道。而对于不能捆绑的20 MHz 子信道，Wi-Fi 标准要求它的发射信号功率很低，使得接收端不能检测和接收被屏蔽的信道数据，这种技术称为前导码屏蔽技术（Preamble Puncturing）[1]。

Wi-Fi7 则支持上行和下行方向的非连续子信道捆绑，更进一步，捆绑单位从20 MHz 子信道演进到颗粒度更小的OFDMA 资源单位RU，多个RU 捆绑构成高带宽的工作信道带宽。在Wi-Fi7 技术中，AP 可以通过向终端发送触发帧，其中含了前导码屏蔽子信道的RU 信息，然后终端根据这些信息发送数据报文；或者AP 可以通过信标帧广播非连续信道捆绑信息，然后终端与AP 建立连接的时候就开始使用非连续信道捆绑。

Wi-Fi7 的MRU 构成有两种情况[2]，即由20 MHz 内的相邻RU 组成MRU，或者由20 MHz 及以上的RU 组成MRU，并且支持MRU 和RU 的混合分配方式。图6 是Wi-Fi7 在20 MHz 下支持MRU 和RU 的混合分配方式。

图6 Wi-Fi7 的MRU 和RU 的混合分配

图6 中的20 MHz 信道有9 个26 tone RU，或4 个52 tone RU，或2 个106 tone RU。当3 个终端与AP 连接，AP 给终端1 分配52 tone RU1，给终端2 分配52+26 tone MRU1，给终端3 分配106 tone RU2。AP 给所有终端分配的RU 和MRU 相互之间不重叠，因而AP 与3 个终端在频谱上同时进行数据传送。

Wi-Fi7 支持MRU 资源分配的不连续性，给信道带宽的动态绑定带来了很大灵活性，但技术实现更为复杂，对非连续的子信道资源管理带来了挑战。因此，一方面，Wi-Fi7 通过增加前导码屏蔽的各种新规则来限制子信道捆绑的灵活性，比如为不同频段带宽规定所允许的子信道屏蔽的位置。另一方面，对于因为非连续信道捆绑而引起的中间空闲的RU，定义相应RU 的ID 或者终端关联的ID，作为预留给后续终端连接的资源[2]。

1.3 物理层的调制和带宽变化

除了多链路同传和多资源单位捆绑，Wi-Fi7 物理层的主要变化包括调制方式改进和带宽增加，两者都明显提升了Wi-Fi7 性能。

Wi-Fi6 的调制方式是1024-QAM，每个传输符号承载10 比特的信息，而Wi-Fi7 最大支持4096-QAM 调制方式，每个传输符号承载12 比特信息。因此，Wi-Fi7 每个符号承载信息的容量提高了20%。

如图7 所示，在4096-QAM 调制方式[1]，Wi-Fi7 定义了MCS 12 和MCS 13 两种速率。当信道带宽是80 MHz，一个空间流的情况下，Wi-Fi7 的MCS 13 速率可以达到720 Mb/s，相比Wi-Fi6 的MCS 11 速率提升了20%。

图7 Wi-Fi7 的调制方式下的MCS 速率

Wi-Fi6 支持160 MHz 的信道频宽，而Wi-Fi7 的最大信道频宽是320 MHz[1]，相应的Wi-Fi7 吞吐量也就直接提高1倍。320 MHz 的频段只能在6 GHz 的频谱上进行分配。美国FCC 为Wi-Fi 分配的6 GHz 可用频宽为1.2 GHz[2，5]，如图8 所示，FCC 规定的频谱中可以支持3 个不重叠的320 MHz 频宽[2]。而欧洲分配的6 GHz 可用频宽为480 MHz，因此只有一个不重叠的320 MHz 信道。国内暂时没有为Wi-Fi技术分配6 GHz 频段的计划，因此Wi-Fi7在国内应用只能工作在2.4 GHz 和5 GHz 两个频段，信道带宽最大支持到160 MHz。

图8 FCC 对Wi-Fi7 的320 MHz 频宽分配

2 从Wi-Fi7 到Wi-Fi8

参考图9，Wi-Fi 技术迭代演进到Wi-Fi7，一直主要围绕着以单个Wi-Fi AP 为短距离无线网络核心，从物理层调制效率、信道绑定的带宽拓展、多天线下的空间复用、子载波组合下的频分复用等方式充分挖掘Wi-Fi 的AP 所有物理资源、空间资源和频谱资源，从而推动Wi-Fi 连接向速率更高、带宽更高、连接用户数更多的方向发展。

图9 Wi-Fi 传统技术的发展趋势

但到了Wi-Fi7 之后，传统的设备物理资源、空间资源和频谱资源等还有多少潜力可以挖掘，就成为Wi-Fi8技术讨论的焦点和核心之一[2,6]。

比如，是否在6 GHz 上支持640 MHz 频宽，但即使是FCC 频谱，也只能支持一个640 MHz 信道；是否支持16K QAM 的调制方式，相比Wi-Fi7 可以带来16.66%的数据速率提升，但调制阶数越高，实现复杂度越大，而提升的速率却有限；是否支持Wi-Fi7 规范曾希望纳入的16条空间流，但对于家庭场景来说，似乎并没有这样的多天线需求，16 条空间流不仅增加了Wi-Fi AP 设备天线的数量和成本，也增加了实现的复杂度。

除了挖掘单个Wi-Fi AP 资源潜力的讨论，Wi-Fi8 中热议的技术话题中也包括如何利用多个Wi-Fi AP 相互协作来提升系统效率和性能[3-4]。在越来越多AP 部署的场景中，AP 之间的无线信号更容易相互重叠和相互影响，如果能减少AP 的相互干扰，并且让它们建立协作模式而传送数据，则能充分利用多AP 下的Wi-Fi 网络的频域资源和空间资源，提升短距离范围内的无线网络的系统效率和性能。多AP 协作原先是Wi-Fi7 规范讨论的一部分，因为技术相对复杂，所以IEEE 就把它放到Wi-Fi8 标准中讨论。

参考图10，从频谱资源的角度，多AP 协作可以基于OFDMA 技术的子载波组合的资源单位；从空间资源的角度，多AP 协作可以是基于波束成型下的信号发送；从AP 之间的主从角度，则多AP 之间可以相互配合来协作发送数据[3-4]。目前多AP 协作的技术规范正在Wi-Fi8工作组的讨论中。

图10 多AP 协作的方式

3 结束语

预计在2024 年，支持Wi-Fi7 的路由器和终端逐渐进入市场，Wi-Fi 联盟认证也将全面展开。而2025 年之后Wi-Fi7 的需求将会快速增长，成为家庭无线网络产品的市场主流。

Wi-Fi7 的关键技术之一是支持6 GHz，目前北美开放了6 GHz 上的1 200 MHz 的免授权频谱，欧洲和其他部分海外地区也相继在制定标准细则或准备开放。中国国内目前还没对Wi-Fi 技术开放6 GHz 频谱的计划，但2024 年之后，国内市场仍然会出现可以支持2.4 GHz和5 GHz 下的Wi-Fi7 产品，并且多链路同传、多资源单位、4096-QAM 等技术组合将给中国新一代的Wi-Fi7 产品带来性能上的关键提升。

Wi-Fi 技术诞生二十多年来保持旺盛的生命力，快速演进和迭代，Wi-Fi 已经被证实为这个时代在短距离无线数据连接下的最成功技术之一。