根据Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)数据,下一代360度AR/VR应用对无线带宽的需求最高已经达到200Mbps;另据来自英美2000位游戏玩家的一线调研报告,“97%的游戏玩家曾经遇到过延迟问题”。从应用出发,大带宽、低时延的下一代无线网络呼之欲出。
Wi-Fi联盟在2019年推出IEEE 802.11ax标准(Wi-Fi 6)的4年后,即将推出新一代IEEE 802.11be标准,即Wi-Fi 7。
WIFI联盟为IEEE 802.11be标准设定的目标主要为两个:最大吞吐量至少达到30Gbps(a maximum thoughtput of at least 30Gbps)、最差的时延和抖动水平得到提升(improved worst case latency and jitter)。这两个目标,一个提升数据传输速率;一个降低时延。
下文将分上、下两篇,分别介绍Wi-Fi 7独有的技术,其中上篇重点介绍提升速率的技术。
1. Wi-Fi 7相关基本概念
Wi-Fi通信在物理上的传输载体是电磁波。可以Wi-Fi通信的电磁波,一般分为三个频段(band):2.4GHz频段、5GHz频段、6GHz频段。
频段进一步划分为较小的信道(Channel)。
以2.4GHz频段为例,频率从2.401GHz到2.483GHz,被分为13个信道(2.4G频段一共14个信道,中国只开放前13个信道)。
· 信道带宽(Bandwidth),也称频宽,信道最大频率减去最小频率的差值,表示这个信道覆盖频率范围。
2.4G频段中每个信道带宽是22MHz。一般说信道带宽20MHz,因为这22MHz中有2MHz是隔离带,用以区隔相邻信道,不传输数据。
· 子载波(Tone),信道进一步细分,把20MHz信道细分为256个子载波,每个子载波频宽78.125KHz。256个子载波中,有些是传输管理信息,只有234个传输数据,又被称为有效子载波。子载波是无线传输在频域上最小单位。
· 符号(Symbol),无线传输在时域上的传输单位。
· 速率(Rate),就是单位时间内,从AP(Access point,无线接入点)和STA(Station,无线终端)之间传输的信息量。速率一般用比特/秒(bps)为单位来计量。
更多参考:到底Wi-Fi 7是一种什么样的技术?
2. Wi-Fi 7与Wi-Fi 6区别之一:
提升Wi-Fi 7速率的技术
2.1 编码方式:4096-QAM
编码方式是一种无线信号调制技术,以无线电波的不同幅度、相位或频率的组合来表示数据信息。编码方式决定了在一个符号(Symbol)里所能承载的比特(bit)数量。
Wi-Fi 6 采用最高 1024-QAM 调制,每个Symbol承载 10bit 信息。Wi-Fi 7 采用最高 4096-QAM 调制,每个Symbol承载 12bit 信息。Wi-Fi 7编码能力是Wi-Fi 6的1.2倍,传递信息密度更大。
可以形象理解为:无线通信就是在AP和STA两地之间通过汽车运输货物。信道、子载波就是道路的宽窄,一个Symbol就是一辆货车,货物就是数据信息。Wi-Fi 6一车运输10bit,Wi-Fi 7一车运输量提升为12bit,Wi-Fi 7单车运载信息量是Wi-Fi 6的1.2倍。
2.2 码率: 5/6
实际传输时,单个Symbol的12bit不会都用来传输数据,要拿出一定bit用作纠错信息码,补救传输过程中可能的错误。单Symbol中排除纠错信息码,有效传输信息占12bit的比例就是码率。
Wi-Fi 6的1024-QAM调制的码率最高是5/6,Wi-Fi 7的4096-QAM码率最高也是5/6。在码率上,Wi-Fi 7并没有提升。
可以形象地理解为:运载信息的汽车空间不能装满货物,有一定空间用作管理。Wi-Fi 7的有效运载率和Wi-Fi 6一样,均为5/6。
2.3 最大信道: 320MHz
在中国,Wi-Fi 6支持2.4GHz、5GHz两个频段,其中5GHz又可细分为5.2GHz频段(5G低频段)和5.8GHz频段(5G高频段)。
无线传输中,基础信道就是20MHz。2.4GHz频段中支持3个非重叠20MHz信道(参见图二),5.2GHz频段支持8个非重叠信道,5.8GHz频段支持5个非重叠信道。Wi-Fi 6一共支持16个非重叠20MHz信道。
要提高速率,最直接方式是提高道路的宽度。通过信道捆绑技术,把多个连续信道捆绑成更大带宽的信道。
信道捆绑技术把连续2个20MHz信道捆绑为40MHz信道,把2个连续40MHz信道捆绑成80MHz信道,Wi-Fi 6最高支持把2个连续80MHz信道捆绑成160MHz信道。
Wi-Fi 7标准中启用6GHz频段,在这个频段上有大量连续信道,并且干扰少,信道质量高,更适合捆绑信道。Wi-Fi 7支持最大捆绑成320MHz信道。
一个20MHz的信道可以包含234个有效子载波(参见“Wi-Fi 7相关基本概念”)。一个160MHz信道包含1960个有效子载波。一个320MHz信道包含3920个有效子载波。
要让Wi-Fi的速率达到峰值,就只在最大信道上传输数据。Wi-Fi 6单次最大可以传输1960个有效子载波;Wi-Fi 7单次可以传输3920个。Wi-Fi 7最大单次传输有效子载波数量是Wi-Fi 6的2倍。
可以形象地理解为:Wi-Fi 6在最大160MHz带宽下一次可以最多并排跑1960辆车;Wi-Fi 7在最大320MHz带宽下一次最多可以跑3920辆车。
2.4 符号传输时间: 13.6μs
以上讲的编码方式、码率、有效子载波数量,都是从空间角度,即频域维度而言;而波的传输,还有传输时间角度,时域维度。
从时域维度看,传输单位是符号(Symbol)。为避免Symbol在传输时的相互干扰,在相邻Symbol传输的中间设定保护间隔(Guard Interval),GI。单位是微妙(μs)。1秒 (s)=1000000 微秒 (μs)。
一个完整的Symbol传输时间=单Symbol传输时间+GI
Wi-Fi 6和Wi-Fi 7的单Symbol传输时间没有变化。单Symbol传输时长都是12.8μs。选择GI 0.8μs来计算,1000000/(12.8+0.8)=73529。表示一秒钟可以发出73529个Symbol。
在Symbol传输能力上,Wi-Fi 7和Wi-Fi 6的能力一样,没有提升。
可以形象地理解为:在Wi-Fi 7的320MHz捆绑信道上,每排可以并排跑3920辆车,而1秒钟可以跑73529排。
2.5 空间流数量:16*16 MIMO
在Wi-Fi 6和Wi-Fi 7中,采用多用户-多进多出(MU-MIMO)技术,Multi-User Multiple-Input Multiple-Output。在AP发射端和STA接收端使用多根天线,同时传输和接受多个数据流,以提高无线传输的速率。每个独立的数据流都是一个空间流,通过不同的天线传输和接收。
Wi-Fi 6最多支持8条空间流,即一个AP同时对8个外部接收端传输数据(这8个接收端不一定是8个STA,也可以是3个STA的8个接收端)。每一条空间流在1秒钟都可以传输前述的数据量,8条空间流,就是同时传输上述数据的8倍。而Wi-Fi 7扩展到16条流。
Wi-Fi 7的空间流传输能力是Wi-Fi 6的2倍。
可以形象地理解为:从AP端到STA端,一条流就是一层道路。16条空间流,就是有16层的道路,上下层列,同时在跑车运输信息。当然这里是1个AP端,STA端就不止一个了,可能是多个STA端。但是这里要计算的是AP在Wi-Fi 7下的最大数据传输能力,可以这么计算。
2.6 理论速率计算公式
至此,就可以隆重推出Wi-Fi理论速率峰值的计算公式:
Wi-Fi理论速率=编码方式*码率*最大信道有效子载波数量*单位时间符号传输数量*空间流数量
=12*5/6*3920*73529*16
=46.12Gbps
由此得出:
1)Wi-Fi 7理论速率最大峰值可以达到46.12Gbps;
2)相比Wi-Fi 6理论速率峰值9.6Gbps,Wi-Fi 7的理论峰值速率是Wi-Fi 6的4.8倍;
3)Wi-Fi 7相比Wi-Fi 6,速率提升主要源于以下几个技术点