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酝酿中的WiFi-7

随着2020年1月，802.11ax标准草案的6.0版本(Draft6.0)通过IEEE标准工作组的投票，WiFi-6的技术标准可以说是尘埃落定了。而作为向下一代过渡产品的WiFi-6E也已经有原型产品出现。出于技术演进的正常节奏，以及与其他无线通信方案竞争的需要，WiFi联盟需要制定下一代的wifi7的技术标准。而目前，最有可能成为WiFi-7的协议主体的，就是802.11be标准。它于2018年5月开始建立小组进行预研，并在2019年正式立项（PAR Approved，项目授权请求被批准）。

802.11be的项目授权需求为Extremely High Throughput（极高吞吐量）。在项目的预研阶段，人们以802.11ax为基准，进行了旨在提高技术指标的各种讨论，并且达成了一些共识，作为后续研究的基础。当然，802.11be十分年轻，如果一切照常第一版标准草案至少要等到2022年；正式商用产品则会在2023年底出现。因此，本文不确保准确，仅以知识普及为目的供以后参考，并且大概率会被打脸。

WiFi-7提升在哪里?

相比于WiFi-6，WiFi-7的提升之一就是在2.4Ghz，5Ghz之外延续了WiFi-6E引入的6GHZ频段。出于移动通信发展的需要，这一频段将被划分出来，向运营商开放使用，同时也不会限制小功率的类似路由器这样的设备使用这一频段。当然，这一频段并不是BE独有，除了wifi6E，5G+或者6G大概率也会使用这一频段。无论如何，根据香农公式：
$$C=W\ast {\log }_2(1+S/N)bit/s$$

频率的提升对于传输速度的提高线性相关。

区别于WiFi-6E，WiFi-7还有一项直接的升级，也就是支持最高 16x16的CMU-MIMO。相比于AX的最高8x8MU-MIMO（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，多用户多输入多输出），WiFi-7最高支持16根天线分别传输数据，路由器的吞吐量直接翻倍，单台路由器支持的设备更多，可以同时让更多的终端设备高速运行。而C指的是Coordinated协同。这意味着一台双天线的，支持2x2mumimo的终端可以两根天线分别连接两个路由器的某一根天线。这样提高了稳定性，也方便无线AP（接入点）的部署。

还有更宽的频宽。在2.4Ghz，或者准确地来说是（2412Mhz-2484Mhz），这个频段的总频宽只有80Mhz左右，并且密集排布了14个互相重叠的信道。只有1，6，11这3个信道互不干扰。5Ghz的情况稍微好一些，视地区不同规定，会有连续的200Mhz到800Mhz的频谱可供使用，因此WiFi-6最高支持160Mhz的频宽。此外，802.11ac已经实现了把两段不连续的80Mhz频带聚合成80+80Mhz，等效为160Mhz频宽。802.11be不仅会进一步支持320Mhz的频宽，不连续频带的聚合能力也会进一步提高。这样可以进一步利用6Ghz频段附近奢侈的，最高1.2Ghz的总频宽（欧洲是500Mhz）。如果使用了320Mhz频宽，单台终端的极限速度可以翻倍；CMU-MIMO的效率也会提高。

协议层的技术进步也很重要。传闻中802.11be有可能会使用最高4096阶QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）调制，用12个相位和12个幅值对信号进行编码，对应子载波信号表示12bit的数据量。相比WiFi-6的最高1024QAM(10bit)，在相同的80Mhz频宽下，速度至少会从600Mbit/s提高到720Mbit/s。

$$A=cos(\omega \ast t+\theta )I=Acos(\theta ),Q=Asin(\theta )$$

除此以外，802.11be会进行Multi-band operation（多信道操作优化），其实这一个技术已经有很多应用了。目前已经在WiFi协议中的，是无线AP或Mesh组网时，无线AP的2.4Ghz频段给终端使用，5Ghz频段则用于AP和交换机之间数据的回传；而在手机上，各家都开始支持同时连接5G,2.4Ghz,5Ghz。WiFi-7自然会在终端上支持2.4Ghz,5Ghz,6Ghz的三频并发。当然在Wi-Fi-7协议中会对各类数据包在不同频段的分配做更加细致的规定。

当然协议还包括考虑采用增强的链路自适应和传输协议（enhanced linkadaptation and transmission protocols），比如HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）。Wifi采用帧聚合，将以太网（ethernet）格式的几段数据聚集在一起，打包成WiFi格式。接收端则会返回每一段数据是否解码成功。HARQ允许把第一次解码失败的某段数据打包进随后的第二个WiFi格式数据包里，提高了传输效率。

802.11be的协议层还将会很大概率支持多信道、多频段的链路聚合。举一个理想化的例子。两台终端设备，分别运行在5990-6010Mhz，6010-6030Mhz，那么对于路由器的某一根天线来说，这两条信道就可以聚合成一条5990-6030Mhz的，频宽40Mhz的信道。这样一来，路由器能够负载的终端数量会有很大的提升。

802.11be(EHT)在正式立项的时候，也吸收了另一个预研究阶段的任务组,Real Time Application.而这个项目组的目标是把Wifi的延迟降低到5ms。这相比802.11ax的大约20ms又前进了一大步。

至少现在看起来，WIFi7十分美好。然而，毕竟我只是在做出预测，实际上，wifi7，尤其是现在宣传的，极限速率30Gbps的wifi7还有很多问题。

WiFi-7和其他下一代通讯技术面临的不确定性

频段问题，是所有下一代无线通讯技术的关键。还是根据香农公式，相比对数增长的信噪比、逼近极限的编码效率，提高频率必然是最简单直接的提高传输速率的方式。目前，根据一些会议的信息，我国确定（5925-7125Mhz）供6G使用，并且大概率允许WiFi使用这一频段，美国确定同样的频段供WiFi使用，并且也可能支持6G使用这一频段，而欧洲和非洲国家则有可能会使用6425-7125Mhz作为6G的首要频段。日本开放对应频段的时间则可能稍微延后。显然，能否有足够宽的频宽以支持320Mhz信道，成为影响WiFi-7进展的因素之一。除此以外，能否达到最大频宽也受到了信号衰减的影响。在无线传输功率受到政策限制的前提下，更大的信道频宽意味着每一条子信道能够使用的功率会下降，导致信噪比降低。为了保证稳定性，信号较弱的时候频宽会衰落回较窄的状态，以确保数据传输完整。这也就意味着，穿墙能力本就更弱的6Ghz频段在穿墙后难以发挥其物理优势。

调制方式同样也受到信号强度的制约。根据WiFi标准，只有当信号的误差矢量幅度小到一定程度时，才能够处理特定调制方式所需要的误差限制。举例来说，根据802.11ac(WiFi-5),如果需要达到协议编码效率最高的256QAM，5/6码率（每5个有效信息带1个校验码），那么误差幅度矢量必须小于-32dB（对比参考矢量），或者信噪比必须大于64dB。

至于路由器最大16天线，和大多数普通用户无关。目前只有旗舰手机可能支持4x4mimo；能够达到WiFi-6极限的8根天线的家用路由器，价格也都十分打扰。这些提升显然是针对工业和企业应用的。而在MU-MIMO这一方面，遗留问题依然存在，由于后发优势，WiFi-7的体验会略好于WiFi-6。根据实测，如果MU-MIMO路由器连接2台设备，这几台设备和路由器交换的总速率通常是达不到单台设备数据传输速率的2倍的。（见下图）采用802.11ac协议时，4根有效天线的旗舰路由器的总传输速率对比单台的倍数随设备数增多而减少。显然这是由于路由器芯片性能、电磁波传播规律的导致的。WiFi-7的后发优势或许能让芯片的吞吐能力有一定的提高，但效果并不显著。此外，MU-MIMO还有一大问题。如果连接MU-MIMO路由器的某一台设备只支持SU-MIMO（单用户），那么就无法享受到MU-MIMO带来的优势，而是其他的MU-MIMO设备要和这台SU-MIMO设备在时域互相争抢。解决这个问题只能靠有意识地更换新设备来解决。

WiFi的未来

前文已经提到，WiFi-7的6Ghz频段将会和下一代移动通信技术（比如6G）共享，并且WiFi也在越来越多地采用已经在4G、5G中使用过的同类型技术。并且，由于5G的覆盖范围较小，室内应用中WiFi和5G、6G的部署成本都是需要考虑的问题。对于大型商场、智能工厂这类应用来说，5G、6G和WiFi的融合是一种可能发生的情况。而对于移动终端来说，天线的数量也已经到达了瓶颈。如果只考虑速率，60Ghz的802.11ay已经出现数年，可以在室内应用吊打USB3.0。

WiFi的未来将会如何?我们拭目以待。

参考文献：
IEEE 802.11n真聚合机制的研究
Wi-Fi 7(802.11be)前瞻1：展望下一代的Wi-Fi技术
如何形象的理解什么是QAM，8QAM，16QAM，和载波对应关系如何？
关于wifi 6技术，这篇说得最详细
OFFICIAL IEEE 802.11 WORKING GROUP PROJECT TIMELINES
我的华硕AX89X 160频宽和MU-MIMO问题
配图来自互联网，图源见水印。

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