Wi-Fi 7、数据速率和延迟：了解IEEE 802.11be标准

来源：All About Circuits 作者：Robert Keim

谷歌搜索“Z世代的著名成员”，会发现各种我从未听说过的名字（不过，我确实认出了Greta Thunberg）。有一个名字明显缺席：IEEE 802.11，通常被称为绰号Wi-Fi。

Wi-Fi诞生于1997年，对人类生活的影响远远超过任何其他Z世代名人。它的稳步增长和成熟逐渐将网络连接从旧的电缆和连接器制度中解放出来，以至于在拨号时代不可想象的无线宽带互联网接入，在现在看起来被认为是理所当然的。

我年龄已经不小了，所以我还记得第一次通过RJ45插头成功连接这个快速扩展的在线多元宇宙的满足感。如今，我几乎不再需要RJ45，而我认识的一些生活在技术饱和年代的的青少年，甚至可能不知道它们的存在。

在60年代和70年代，AT&T开发了模块化连接器系统，以取代笨重的电话连接器。这些系统后来扩展到包括用于计算机网络的RJ45。（图片来源：CUI设备）

普通民众对Wi-Fi的偏好一点也不奇怪。与无线的巨大便利性相比，以太网电缆似乎几乎是原始的。但作为一名仅关注数据链路性能的工程师，我仍然认为Wi-Fi不如有线连接。802.11be是否会使Wi-Fi更接近完全取代以太网， 甚至可能是一个飞跃？

※ Wi-Fi标准简介：Wi-Fi 6和Wi-Fi 7

Wi-Fi 6是IEEE 802.11ax的公开名称。Wi-Fi 6于2021年初发布。受益于802.11协议二十多年的累积改进，Wi-Fi 6是一个强大的标准，看起来似乎并不会被快速替代。

高通公司的一篇博客文章将Wi-Fi 6总结为“旨在同时将尽可能多的数据驱动到尽可能多的设备的功能和协议的集合”。Wi-Fi 6引入了各种可提高效率和提高吞吐量的高级功能，包括频域多路复用、上行链路多用户MIMO和数据包的动态分段。

Wi-Fi 6采用OFDMA（正交频分多址）技术，可提高多用户环境中的频谱效率。（图片来源：Cisco）

那么，为什么802.11工作组已经在制定新标准的路上了呢？为什么我们已经看到了关于第一个Wi-Fi 7演示的头条新闻？尽管Wi-Fi 6整合了最先进的无线电技术，但Wi-Fi 6至少在两个重要方面仍不能令人满意：数据速率和延迟。

通过提高Wi-Fi 6的数据速率和延迟性能，Wi-Fi 7的架构师希望提供快速，流畅，可靠的用户体验，而目前这些需求通过以太网电缆仍然更容易实现。

※ 数据速率与Wi-Fi协议的延迟

Wi-Fi 6支持接近10Gbps的数据传输速率。这在绝对意义上是否“足够好”是一个高度主观的问题。然而，从相对意义上讲，Wi-Fi 6数据速率客观上乏善可陈：与前身相比，Wi-Fi 5的数据速率提高了1000%，而Wi-Fi 6的数据速率比Wi-Fi 5提高了不到50%。

理论流数据速率绝对不是量化网络连接“速度”的全面手段，但它足够重要，值得那些依靠Wi-Fi获得持续商业成功的人的密切关注。

过去三代Wi-Fi网络协议的比较。（图片来源：Intel）

延迟这一概念一般是指输入和响应之间的时间差。

在网络连接中，过度的延迟可能会降低用户体验，就像有限的数据速率一样（甚至更严重）。如果您必须在网页开始加载之前等待五秒钟，那么超快的位级传输对您没有多大帮助。延迟对于实时应用（如视频会议、虚拟现实、游戏和远程设备控制）尤为重要。用户对加载中的视频，高延迟的游戏和拖沓的界面只有这么多耐心。

※ Wi-Fi 7的数据速率和延迟

IEEE 802.11be的项目授权报告将提高数据速率和减少延迟作为明确目标。让我们仔细看看这两种升级途径。

※ 数据速率和正交幅度调制

Wi-Fi 7的架构师希望看到最大吞吐量至少为30Gbps。我们不知道哪些功能和技术将被纳入最终确定的802.11be标准，但一些最有希望提高数据速率的候选者是320MHz信道宽度、多链路操作和4096-QAM调制。

通过访问来自6GHz频段的额外频谱资源，Wi-Fi可以将最大信道宽度增加到320MHz。与Wi-Fi 6相比，320MHz的信道宽度可将最大带宽和理论峰值数据速率提高两倍。

在多链路操作中，具有自己链路的多个客户端站共同充当“多链路设备”，这些设备具有一个到网络逻辑链路控制层的接口。Wi-Fi 7将可以访问三个频段（2.4GHz、5GHz和6GHz）;Wi-Fi 7多链路设备可以在多个频段内同时发送和接收数据。多链路操作有可能大幅提高吞吐量，但实现过程中会带来一些重大的挑战。

在多链路操作中，多链路设备只有一个MAC地址，即使它包含多个STA（代表站，意味着笔记本电脑或智能手机等通信设备）。（图片来源：IEEE）

QAM代表正交幅度调制。这是一种I/Q调制方案，其中相位和幅度的特定组合对应于不同的二进制序列。我们可以（理论上）通过增加系统“星座”中的相位/幅度点的数量来增加每个符号传输的位数（见下图）。

这是一个16-QAM的星座图。复平面上的每个圆都表示对应于预定义二进制数的相位/幅度组合。（图片来源：IEEE）

Wi-Fi 6使用1024-QAM，它支持每个符号10位（因为2^10=1024）。通过4096-QAM调制，如果系统能够在接收器处实现足够的SNR以实现成功解调，则系统可以为每个符号传输12位。

※ 延迟特性：MAC层和PHY层

实时应用程序可靠功能的最高延迟阈值是5~10ms；在某些使用场景中，低至1毫秒的延迟是非常有益的。在Wi-Fi环境中，实现如此低的延迟并非易事。

在MAC（媒体访问控制）层和物理层（PHY）上运行的功能将有助于将Wi-Fi 7延迟性能带入低于10毫秒的领域。其中包括多接入点协调波束成形、时间敏感型网络和多链路操作。

Wi-Fi 7的主要特性。（图片来源：IEEE）

最近的研究表明，包含在通常被称为“多链路操作”中的多链路聚合可能有助于使Wi-Fi 7满足实时应用的延迟要求。

※ 您对Wi-Fi 7的未来持乐观态度吗？

我们还不知道Wi-Fi 7到底会是什么样子，但它无疑将包揽一些令人印象深刻的新射频技术和数据处理技术。这些研究值得吗？Wi-Fi 7是否会彻底改变无线网络，并最终扳倒以太网电缆的少数剩余优势？