主流wifi标准和速率是多少(正在制定中的WiFi7)(1)

支持Wi-Fi 6/6E的设备还未普及,下一代Wi-Fi技术已经出现在地平线上。Wi-Fi 7(a.k.a 802.11be)标准已经公布了草案,同时,高通、MTK分别发布了支持它的样片,Intel也将在MeteorLake SoC Tile中支持它。作为第七代Wi-Fi技术,它出自Wi-Fi联盟EHT(Extremely High Throughput)协议组,所以有时候也被称作Wi-Fi EHT。人如其名,毫无疑问,吞吐量提高是Wi-Fi 7最大的亮点:单Link最大吞吐量是上一代Wi-Fi 6/6E的3.6倍!其中PHY部分2.4倍,MAC部分1.5倍,二者相乘 2.4 X 1.5 = 3.6。除此之外,信道利用率、QoS、延迟和功耗等等都有所提高。这些数字是怎么得到的,这些改善具体是什么呢?下面我们就来具体看一下。

背景知识

从Intel 迅驰(Centrino)这个品牌宣传开始,Wi-Fi技术逐渐走入千家万户。Centrino的小贴纸和其品牌营销,成为和“Intel Inside”并列的传奇品牌营销案例,为等灯党所津津乐道。除了商业智慧之外,Wi-Fi技术的成熟和不断演进功不可没。

自2018年秋季,Wi-Fi联盟引入新的的命名规则 ,从此晦涩难懂的802.11xx不再困扰广大用户,转而使用清晰易懂的数字编码。毕竟6比5好,这谁都知道,而ax比ac牛一些就让普通人抓狂了。彼时,最新802.11ax正式加冕Wi-Fi 6,而前两代(802.11ac和802.11n)则追封Wi-Fi 5和Wi-Fi 4。后来Wi-Fi 6E (802.11axe)引入了6GHz频段:

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据统计,2021年,家庭使用场景里,超过7成装置通过Wi-Fi传输数据,超过5成的IP的通讯基于Wi-Fi。需求的旺盛,加上新冠病毒肆虐带来家庭办公需求的增加,推动Wi-Fi更快地演进,满足不断增长的应用带来的挑战。这也是Wi-Fi 7这么快提出的一个重要原因。

Wi-Fi 7可以看做将Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E进行了合并提高,在介绍细节之前,这里先就介绍Wi-Fi技术时经常混淆的三个概念:Band(频段)、Channel(通道)和Stream(数据流),进行一些厘清。我们常用的Wi-Fi频段(Band)有三个,2.4GHz、5GHz和6GHz,他们依次频宽越来越宽(60MHz,500MHz和1.2GHz),但同时传输距离和绕过障碍的能力在减弱。我们可以将Band比作不同公路:它们分别是乡间小道、普通公路和城市主干道。道路要分车道,而Channel就是车道的宽度,小到人行的宽度(20MHz),大到超宽特种车的宽度(320MHz)。道路的宽度,决定了每种车道能够划成几条车道,乡间小路尽管可以划出三根人行道,但绝不能放得下一根大型车道;而城市主干道,则放下三根超大型车道还绰绰有余。Stream(数据流)就是在车道里跑的车辆长度,可以是普通汽车(2x2)、公共汽车(3x3),或是加长公车(4x4)。显然,加长加宽公交车行驶在超宽车道上,能运转更多的货物,也就是能传递更多数据,或者说吞吐量更大。只有理解这个,才能读懂下面关于吞吐量的计算。

Wi-Fi 7 PHY的改进

PHY部分对吞吐量提高最大的改变是加入了320MHz的Channel支持和调制方式支持4K QAM。16 x 16数据流MU-MIMO可以提高理论最大吞吐量上限,Multi-RU可以提高信道利用率。

320MHz Channel

Wi-Fi 7最大支持的通道Channel宽度从Wi-Fi 6/6E的160MHz提高了一倍,达到320MHz。它是如此之大,6GHz频段1.2GHz超宽频宽也仅仅可以放得下3个:

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​320MHz通道宽度可以是1个320MHz,也可以是两个160MHz。320MHz让单数据流(Stream)理论速度直接翻番,从Wi-Fi 6/6E的1.2Gbps翻倍成了2.4Gbps,提供了两倍的吞吐量(Throughput)。

4K QAM

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是Wi-Fi信号调制方式,从振幅和相位两个方向来调制信号。Wi-Fi 7调制方式从1K QAM升级为4K QAM(部分非标Wi-Fi 6支持4K QAM):

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​尽管它对信道质量更高要求,但对信道吞吐量提高是明显的。理论情况下,可以增加20%,这是Intel给出的综合了320MHz Channel和4K QAM的数据:

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综合Channel加宽和调制方式,PHY的改进对单数据流可以增加2.4倍吞吐量。这么说可能比较抽象,以我们生活场景举例。我们手机一般有两根天线,Stream 2x2,吞吐量理论值从2.4Gbps提升到了5.76Gbps:

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其他改进

Wi-Fi 7将MU-MIMO支持的最大数据流从8个提高到了16个,理论上又可以提高一倍整体吞吐量!但实际上,我们普通的设备都是两根天线,8根天线的设备不能保证没有,我是没见到过,所以提高单Stream吞吐量更加实用一些。最大16个Stream对单设备吞吐量没有用,但可以提高接入点同时服务设备的数量,契合现在接入设备越来越多的需求。配合Wi-Fi 7新引入的CMU-MIMO(C代表Coordinated),16个数据流可以由不同的接入点协同提供。

Multi-RU(MRU)是PHY部分改进比较大的技术点,尽管对提高单Stream吞吐量作用不大,但可以更好得利用信道。RU(resource unit)作为通讯分配的最小资源单位(Non-AP STA),可以解决小数据量传输浪费信道的问题。作为OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)和MIMO背后的底层技术,在Wi-Fi 6中还是单RU分配。这次MRU的引入,可以提供灵活的RU组合形式,充分利用信道资源。

Wi-Fi 7 MAC改进MLO(Multi-link Operation)

MLO个人认为是Wi-Fi 7诸多新功能中最有用的部分。现在Wi-Fi支持2.4GHz、5GHz和6GHz,但每次只能连接一个,要手工切换,不能同时连接两个。现在已经有一些非标准化的方法来解决这个问题,如搞两个网卡,搞两个Link,但需要定制。

MLO可以同时连接多个信道,不用切换,同时传输数据。这样必然会增加带宽,提高吞吐量。尽管“多”这个词让人想起翻倍的吞吐量增加,但由于6GHz频段带宽比5GHz频段带宽大一倍多,比2.4GHz频段大的多得多,三者频段宽度加在一起,比6GHz频段带宽增加不到50%,我们近似为1.5倍。这样:

Wi-Fi 7 吞吐量提高 = PHY提高 x MAC提高 = (2 x 1.2)x 1.5 = 3.6倍

MLO不仅仅提高了吞吐量,还有其他诸多好处:可以改善延迟;在信道出了问题,可以快速Degrade,提高可靠性;TSN敏感的设备可以选择更好的link,提高TSN(EMLMR设备)。

结语

Wi-Fi 7还有一些别的技术改进,这里就不一一讲述了。既然Wi-Fi 7技术这么好,而且预计将要在2023年公布正式版,那么大家比较常问的一个问题是:我是不是该等Wi-Fi 7路由器出来再升级?

作为一个有趣的统计,我打开我的手机,采样了一下附件支持Wi-Fi 6的路由器占比:

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​Wi-Fi信号小雨伞旁边的小数字是Wi-Fi 6之后的版本号,没有数字就是Wi-Fi 5或者更老。就我统计,Wi-Fi 6渗透率在我的附近不到三成,这还是在Wi-Fi 6发布三年之后,由此可以预计在未来三年之内,Wi-Fi 7的渗透率也不会很高。所以我的意见是,如果需要升级,不用等Wi-Fi 7了,Wi-Fi 6/6E可以先享受起来。

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