WiFi 7，有了新进展

最新一代的 Wi-Fi 协议带来了更好的速度和数据处理能力，但它在桥接各种通信技术方面作用甚微。这反过来又使得设计芯片变得更加困难和昂贵，因为它们必须集成和支持多种无线技术，包括同一技术的不同版本。

无线通信技术往往是其自身成功的受害者，每一代新一代技术都承诺解决上一代技术的狂热采用所造成的拥塞问题。在当今世界，无线连接每天都会出现新的用例，从自动驾驶汽车到医院查房机器人，再到对云的进一步依赖，其中包括微软有意将 Windows 打造成面向消费者的基于云的服务，这是不可避免的。需求的激增催生了一系列通信协议，每种协议都有自己的定位，甚至还有新的协议，例如Matter，可以互连旧协议。

Wi-Fi 曾经被认为是“蜂窝技术的近亲”，但现在却是最常用的无线通信技术，据 Wi-Fi 联盟称，每年有超过 38 亿台设备发货，近 200 亿台设备在使用中。集团创造了该术语并于 2000 年将其注册为商标。

从技术上讲，Wi-Fi 是 IEEE 802.11 协议，是802 协议的无线局域网 (WLAN) 子集，涵盖局域网 (LAN)、个域网 (PAN) 和城域网 (MAN)。基于网络。802.11协议自1997 年首次发布以来，多年来一直在不断修订，因此获得了各种后缀。整整一代人已经长大了，却不知道以太网电缆是什么。

IEEE 802 中指定的服务和协议映射到七层开放系统互连 (OSI)网络参考模型的最低层（第 2 层，数据链路和第 1 层，物理）。IEEE 802 将第 2 层进一步划分为两个子层：逻辑链路控制(LLC) 和介质访问控制( MAC )，它控制负责与传输介质交互的硬件。

传统 Wi-Fi 主要是一种室内技术，范围约为 150 英尺，具体取决于频率。可以通过有线信号扩展器或无线中继器来增加其覆盖范围，但在较高频率下，由于衰减和吸收，仍然存在信号被墙壁或其他固体物体阻挡的风险。在户外，如果路径畅通，信号范围可能为 300 英尺或更远。低功率HaLow Wi-Fi (802.11ah)以较低频率运行，传输距离可达一公里。

Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 表示：“在较低频率下，一切对于无线电波来说都像是玻璃。” “但是当频率越来越高时，事情会变得越来越不透明，甚至很小的障碍物也会阻挡信号。此外，长波长比较长波长更容易绕过拐角。因此，在更高的波长下，您需要更多的视线。有了 6G 蜂窝网络和 Wi-Fi 7，您将必须安装更多本地化基站。”

Wi-Fi 支撑着大多数物联网应用，无论是消费者还是企业，这就是问题所在。如果每台家用电器都需要频谱，从智能灯泡到驶入车库的电动汽车，每台办公设备都需要频谱，从无线打印机到会议室的 4D 显示器，那么干扰和网络速度下降似乎是不可避免的。

Broadcom 无线通信和连接部产品营销总监 Gabriel Desjardins 表示：“消费者对提高 Wi-Fi 性能有着巨大的需求。” “我们收到了来自客户的无尽要求。这本身并不是消费者了解的事情，但考虑到许多运营商将在未来几年内推出 10 Gb 光纤或 10 Gb 电缆，消费者会要求他们每月支付 X 美元来获得升级的光纤，他们需要与之匹配的无线网络。”

此外，高通技术规划高级总监安迪·戴维森 (Andy Davidson) 表示，扩展现实 (ER) 正在从沉浸式游戏等娱乐用途跃升至销售演示和虚拟实践培训等企业用途。它们都需要超出蓝牙连接耳机限制的延迟标准。

挑战的核心是频谱分配。电磁频谱是一个狭窄而拥挤的领域，一个多世纪以来一直被分为许可频段和非许可频段。如果电磁频谱是原始土地，那么指定频段就是分配给土地的边界。

FCC 将频谱分为许可频段和非许可频段，这是 Wi-Fi 和蜂窝网络之间的主要区别之一。许可频谱是蜂窝公司的领域，其中频谱受到法律保护，不被盗用。Wi-Fi 网络使用的未授权频谱是一条开放的高速公路。好消息是没有通行费。但也没有交通警察，有限的车道可能会变得拥挤不堪。也就是说，无执照并不意味着不受监管。运营商需要了解其区域的具体使用规则。

最初，Wi-Fi 只允许在 2.4 GHz（3 个通道）和 5GHz（24 个通道）下运行。这个意义上的“频道”是经过进一步划分的频率部分，类似于电视和广播频道，而不是香农信息论意义上的频道。随着设备数量的增加，对这些频道的竞争也随之加剧，特别是因为许多旧设备在出厂时就设置为特定频道。即使在今天，如果无法切换频道，客户也可能会遇到来自竞争设备的延迟。

2020 年 4 月，FCC 做出了一项受欢迎的决定，允许使用 6 GHz 频段，这使得美国（59 个频道）和世界其他大部分地区可以使用 1,200 MHz 频谱，以及近 500 MHz欧盟的清洁频谱。值得注意的是，该频谱内的信道可以分为较窄和较宽的部分，因此 59 个信道可以是例如 20 MHz 的 59 个信道或 160 MHz 的 7 个信道。

这里的术语可能会令人困惑。当时已经有一个名为Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）的标准，该标准仅涉及功耗，而不涉及频谱。Wi-Fi 6于 2014 年启动并于 2021 年正式发布，引入了创新（如下所述），这也为即将推出的标准 Wi-Fi 7 (802.11be) 奠定了基础。当频谱开放时，面向消费者的名称被重新命名为“Wi-Fi 6E”，以表示扩展。Wi-Fi 6E 具有与 Wi-Fi 6 相同的所有功能，同时还能够在 6 GHz 频段下运行。（最新的蜂窝标准称为 6G，这无助于澄清。）

Wi-Fi 6的更新旨在实现业界减少延迟的普遍目标。“我们一直在寻找速度更快、延迟更低的互连，以提高网络容量和性能，其中包括我们的无线互连，”Synopsys 系统解决方案集团产品营销和战略项目总监 Rita Horner说道。

从本质上讲，Wi-Fi 6 通过两种不同的技术减少延迟，这两种技术都有助于缓解网络拥塞。

正交频分多址 (OFDMA)是正交频分复用 (OFDM )的多用户版本，而正交频分复用 (FDM) 又是经典频分复用 (FDM)的进步。这些技术允许将信道分割成子载波，并且每一代的分割都变得更加细粒度和灵活。

“正交频分复用技术通过多个不同的载波发送信号，”高通公司的戴维森说。“如果这些特定运营商中的任何一个出现问题，您都会得到其他运营商的备份，这意味着可以将更高质量的信号输入设备。OFDMA 将一些载波发送到一个设备，并将一些载波发送到另一设备。从本质上讲，您可以通过划分可用带宽来同时与多个设备进行通信。”

多用户、多输入、多输出 (MU-MIMO)控制来自天线的数据流数量。在 Wi-Fi 5 (802.11ac) 引入之前，虽然路由器可以与多个设备通信，但一次只能与一个设备通信。在 WiFi 5 MU-MIMO 中，这个数字增加到了 4 个，而在 Wi-Fi 6 中，这个数字增加了一倍，达到了 8 个。

结合 Wi-Fi 7 版本的 OFDMA，可以更好地控制流向不同设备的不同流量，MU-MIMO 将大幅减少拥塞。正交幅度调制 (QAM)的增加也有帮助，它控制信号的幅度和相位。Davidson 表示，在 4k QAM 下，Wi-Fi 7 的最高数据速率应提高 20%。

对于消费者来说，优势是显而易见的，但信号的复杂性凸显了为什么射频工程师有如此多的空缺职位。Ansys 的 Swinnen 表示：“这些越来越高阶的调制方案将良好的数字信号（零和一）转变为具有重叠和相移的多电平信号。” “它变成了非常复杂的电磁信号，非常模拟，需要长距离仔细建模。所有传统的数字工具都无法实现这一点。您需要进行完整的模拟套件进行分析，包括电磁学和完整的电阻/电感/电容建模，而不仅仅是电阻/电容。”

美国国家仪器公司半导体和电子高级总监 Chen Chang 表示，测试工程师还会有更多考虑因素。“由于带宽增加、高阶调制、空间流数量增加以及多链路设备，Wi-Fi 7 在测试和测试用例数量方面带来了更多的复杂性。Wi-Fi 7 的主要目标之一是更高的吞吐量。由于最大数据速率为 48 Gbps，许多用户将无法区分有线连接还是无线连接。在线游戏、4K/8K 视频和直播都将通过 Wi-Fi 7 实现无缝连接。这是通过多种技术实现的，所有这些都会增加这些新产品测试需求的复杂性。新的 320 MHz 宽信号将需要相应增加测量仪器瞬时带宽以支持 SEM 测试，如果要引入 DPD，则需要增加更多带宽。

与仅提供额外频谱的 Wi-Fi 6E 不同，Wi-Fi 7 将 6 GHz 接入作为其基本设计的一部分。例如，子信道首次可以进一步组合以提供超宽的 320 MHz 信道，从而提供更高的带宽。

“Wi-Fi 7 成为第一个可以利用额外频谱的标准，”戴维森说。“如果您想为用户提供更多容量，您往往会分成大量具有较窄带宽的设备，并在整个建筑物中重复使用。对于企业应用程序来说，它们通常仍处于 40 MHz 和 5 GHz，因为它们可以拥有更多接入点 (AP)。当他们拥有更多接入点时，就能让更多人访问速度更快的后端。因此，您可以通过拆分来为更多用户提供更多容量。然而，在这些企业中，您还希望获得更高速度的优势。例如，借助 6 GHz 的优势，您可以将基础级别提升至 80 MHz 通道。因此，您可以在 2.4 中为 IoT 设备提供 20 MHz 通道，在 5 中为高速设备提供 40 MHz 通道，

从最终用户 IT 部门的角度来看，Wi-Fi 7 提供了新级别的分配控制。但在某些方面，从设计工程的角度来看，它只是对上一代的进一步优化。

“你必须重新设计芯片，但不一定从头开始，”德贾丁斯说。“它基本上只是协议的修改，与 Wi-Fi 6E 没有太大区别。有 PHY 的变化、更宽的通道带宽、更高的调制格式，但这些东西相对简单。我们已经从 2011 年的 40 MHz 频道升级到 12 年后的 320 MHz 频道。这些只是增量芯片复杂性修改。”

但有一个重要的、新颖的附加功能是 Wi-Fi 7 价值的关键——多链路操作 (MLO) 的结合。

“尽管接入点上有多个不同的无线电，但客户端始终连接到其中一个频段，并且必须选择连接哪个频段。Wi-Fi 7 的重大变化是客户端现在可以同时连接到多个频段的 AP。”Davidson 说道。“它可以一次使用它们之一，也可以根据设备的功能组合使用它们。”

Desjardins 还强调了 MLO 的重要性。“Wi-Fi 7 在不同频段之间切换如此之快，它本质上可以在数据包级别进行切换。在第 2 层的 MAC 层，Wi-Fi 7 的工作方式与之前技术的工作方式不同。从来没有一种机制可以在多个通道之间进行快速切换。从来没有办法像现在这样绕过干扰或绕过拥塞。这是对MAC、芯片内部时序的修改和改进。”

所有这些都可以为 Wi-Fi 开辟更多用例。

“Wi-Fi 7 功能（例如多链路操作）很可能会带来低延迟，对于倒车摄像头等设备来说变得很重要，显然，设计人员需要确信驾驶员正在启动的视频信号Wi-Fi Alliance总裁兼首席执行官 Kevin Robinson 说道：。“如今，当您拥有多频段设备时，它实际上一次仅在其中一个频段或通道中有一个活动链接。通过多链路操作，您可以有两个 GHz 通道，可以有一个 5 GHz 和一个 6 GHz 通道，并且两个链路都可以处于活动状态，这意味着设备可以选择同时通过两个链路发送相同的数据包，从而增加冗余和提高可靠性。该设备还可以查看两条链路，并在其调度程序中决定可以首先访问哪条链路，并通过首先可用的链路发送数据包，从而改善延迟。除了这些功能之外，您还拥有 4k QAM、高阶调制，可以在较短距离内提高数据速率和传输效率。”

Wi-Fi 联盟的 Robinson 表示，正因为如此，Wi-Fi 7 还可以为供应商提供差异化优势。“这些功能需要芯片中具有令人难以置信的智能，无论是在固件还是软件堆栈中，以决定哪些数据位排队，我实际上想使用这些多个链接中的哪个？对于许多供应商来说，他们不仅在实现协议方面脱颖而出，而且在调度程序等事物的复杂性和性能方面脱颖而出，最终将提供这些功能的全部优势。”

Wi-Fi 7 仍在委员会中，但这并没有阻止公司生产基于 Wi-Fi 7 的设备，部分原因是 Wi-Fi 联盟的成员涵盖了足够多的行业自信地开始工作。例如，Broadcom最近宣布推出第二代 Wi-Fi 7 无线连接芯片组解决方案的样品。这一选择建立在该公司第一代 Wi-Fi 7 芯片的基础上——所有这些都是在 Wi-Fi 7 标准正式发布之前进行的。已批准。

Robinson 表示：“ .11 BE 标准可能会在明年晚些时候获得批准，但业界将早在该时间之前就已经推出可互操作的 Wi-Fi 7 设备。” “Wi-Fi 联盟内部正在进行的工作使产品能够在批准之前就进入市场，因为我们计划中包含的功能已经足够成熟并经过测试，因此它仍然允许 IEEE 对其他一些项目进行最后的润色。稍后可能会出现的功能。”

然而，博通公司的 Desjardins 指出，考虑到市场压力和优秀的工程人员，等待标准完全完成并发布可能有点天真的想法。“在过去的二十多年里，我们的标准工程师能够做的就是确保标准规范在批准前足够清晰，以便您能够可以设计出向前兼容的芯片，或者可能需要芯片中某种程度的非常小的可调性，”他说。“早在实际标准发布之前，所有这些领域的不同参与者之间就已经进行了大量的互操作。我从未见过有人在 Wi-Fi 的前向兼容性方面有重大失误。”

Wi-Fi 7 的安全性令人放心，因为它基于WPA3 ，并且已在 Wi-Fi 6 中成功实施。不过， Rambus安全 IP 产品营销高级总监 Bart Stevens向供应商发出了警告。“由于带宽更大，与以前的 Wi-Fi 标准相比，WPA3 转换的实施需要更多地关注高吞吐量和低延迟。”

本质上，本机协议越快，加密货币就需要越快才能跟上链接速度。Wi-Fi 安全采用高级加密标准 (AES)密码算法，该算法使用 128、192 或 256 位密钥，加密可能需要 10 到 14 个时钟周期，具体取决于密钥的大小。Stevens 表示：“旧 Wi-Fi 标准中的协议和实现有一个缺点，即每 10 到 14 个时钟周期只能处理 128 位数据，通常最高可达每秒几千兆位，但对于 Wi-Fi 6 来说仍然足够快” 。“有了 Wi-Fi 7，这个方案就跟不上了。”

我们将永远生活在一个多协议的世界中吗？

既然“可怜的表弟”已经成长为根深蒂固且富有的人，人们很容易会问，是否有任何协议最终可能会合并或相互取代。由于多种原因，大多数消息来源都认为这种情况值得怀疑。

“人们将生活在一个多协议的世界中。这就是现实，”罗宾逊说。“很难想象只有一种技术就能满足每一个用例的场景。Wi-Fi 和蜂窝网络是相辅相成的。Wi-Fi 将成为室内的主要连接技术，特别是住宅和企业，其中包括物联网用例。Matter 堆栈位于 Thread 和 Wi-Fi 之上。Wi-Fi 代表了大量的Matter设备，这一点不会改变。”

理查森同意了。“我相信它将是多协议的，因为每个协议都针对具有实际价值的特定用例。例如，蓝牙继续蓬勃发展。即使正在添加其他技术（例如用于测量距离的 UWB），它仍与蓝牙结合使用，因为蓝牙已经比其他技术更好地实现了低功耗发现。Wi-Fi 具有速度快、功率大、建筑物内连接成本低等优点。然后蜂窝网络可以让您随时随地保持连接。随着时间的推移，这些技术中的每一种都可能会借鉴彼此的想法，或者达到实现相同理论想法的程度，例如 OFDMA（最初是一种蜂窝方案）被添加到 Wi-Fi 中。但随着时间的推移，每种技术都有其明确的地位。

Desjardins 认为，未来更有可能出现分歧，而不是趋同。至于蜂窝网络与 Wi-Fi，他说这个问题已经被问过并得到了回答。

“无论在 5G 蜂窝发布时代做出多少努力来证明这是一项单一技术，但这还没有发生，”他说。“很多人都试图证明 Wi-Fi 和蜂窝网络或未经许可和许可技术之间的融合。它只是不起作用。这些技术的架构方式具有一定的优点和缺点。蜂窝网络显然非常适合户外覆盖，非常适合高速移动。但这是一项安装成本昂贵的技术。Wi-Fi 更像是一种室内技术，尽管它也可以在室外使用。当你在高速公路上开车时，这不起作用。它实际上是一种固定或缓慢移动的技术，但推出起来却非常便宜。”

尽管如此，仍有很多东西需要支持。Desjardins 表示：“两种不同的非常重要的技术具有截然不同的优点和缺点，因此不可能将它们集成到单一技术中。” “与此同时，还有其他技术拥有自己的空间，运行得非常好。显然，蓝牙非常适合音频。成本非常低。市场上有 300 亿台设备，远远多于 Wi-Fi，因此它有自己的优势。然后我们看到 ZigBee 和 Thread 等技术开始发挥作用，它们非常便宜，而且不需要移动那么多数据。因此，您在整个通信空间中有许多不同的要求，从每月发送 1 个字节但不消耗电池且成本不高，始终以低延迟实现高达 5 或 10 GB 的恒定吞吐量。这些是完全不同的，因此多种技术将继续存在。这些行业太大、太根深蒂固，任何客户都无法真正击败它们。”

虽然普遍的共识是单独的通信协议将继续服务于不同的领域，但是德科技产品经理 Daren McClearnon指出，出于实际原因，频谱使用已经混合在一起。

McClearnon说：“苹果公司在推出上一代iPhone 时就开始了这一点，并且能够通过 Wi-Fi 进行翻盖通话。” “多模式无线电架构将继续扩展。例如，在 5G 中，有 28 GHz 和频率范围两个 (FR2) 频段，他们正在为城市峡谷进行巧妙的波束成形。在光纤、DOCSIS、有线网络、移动网络和卫星之间，您在每个高度阶段都经历了这场数据革命，埋在地下和空中，提供了日益无处不在的覆盖范围。只要有钱可赚，就会有技术层面的创新动力来填补这些空白。”

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