Wi-Fi 7路由器有多强?802.11beEHT,新特性——CMU-MIMO,最高无线速率可达惊人18000 Mbps

2022年6月25日21:47:39计算机网络技术评论342 views字数 5064阅读模式

国内厂商新华三发布了全球首款Wi-Fi 7路由器——Magic BE18000,引起了整个市场的广泛关注。

这款路由器采用高通新一代四核芯片,据称最高无线速率可达惊人的18000 Mbps

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很多网友不禁惊呼:“咱们Wi-Fi 6 不是才商用没几年吗?怎么就开始Wi-Fi 7啦?”

01 Wi-Fi 7的最新进展

其实,Wi-Fi 7的到来并非毫无征兆。今年上半年,关于Wi-Fi 7的新闻已经多次见诸报端。

以刚才提到的高通为例。2022年2月,高通推出全球首款Wi-Fi 7芯片——FastConnect 7800。不久后,5月4日,高通又宣布推出支持Wi-Fi 7网络的第三代高通专业联网平台产品组合。这次新华三全球首推Wi-Fi 7产品,就是基于高通的最新解决方案。

不过,从宏观来看,Wi-Fi 7的到来还是比想象中更早一些。去年,行业曾预计Wi-Fi 7将于2024年正式商用。没想到,实际情况提前了至少一年。

Wi-Fi 7的商用进程之所以大幅提速,和用户需求以及外部环境有很大的关系。

上世纪90年代末,电子半导体工艺的成熟,信息和通信技术的高速发展,催生了第一代Wi-Fi技术。

后来,数码电子产品的小型化,尤其是智能手机的出现,让移动互联网得以全面爆发。Wi-Fi作为蜂窝网络的重要补充,一直都在为用户提供低成本且灵活的无线网络接入。

近年来,XR扩展现实、元宇宙、社交游戏、远程办公、企业上云等需求的爆发,更是进一步刺激了用户对高性能网络接入的需求。人们需要5G网络,也需要能力更强的Wi-Fi技术,满足这些需求。

从另一个角度来看,如今,光纤宽带的速率不断提升(国内千兆宽带用户数已经达到了4596万户),让传统的Wi-Fi技术成为了瓶颈。传统Wi-Fi的速率太低,时延太大,容量和稳定性等各方面都存在不足。

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2023年,更高速率的宽带接入技术将会迎来商用

所以,才需要对Wi-Fi技术进行快速迭代,确保能够跟上光纤宽带技术的发展,也能给用户带来更好的使用体验。

Wi-Fi 7,就是在这样的背景下诞生的。

02 Wi-Fi 7到底有多强?

Wi-Fi 7的官方标准名称,叫做802.11be。它还有另外一个名字,叫做EHT(Extremely High Throughput,极高吞吐量)。

Wi-Fi 7到底有什么特别之处呢?相比Wi-Fi 6,它在哪些方面进行了提升?

为了方便大家直观地进行技术对比,小枣君绘制了下面这个表格:

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大家可以看到,在320MHz频宽、4K QAM、增强MU-MIMO等技术的加持下,Wi-Fi 7的最高理论速率可以达到 46 Gbps,是Wi-Fi 6最高理论速率的3倍以上。

接下来,小枣君逐一给大家介绍一下Wi-Fi 7的关键技术。

首先,是扩展频宽

扩展频率带宽是实现网速提升最有效的手段之一。频宽变大了,也就意味着车道变宽、变多了,运输能力当然就更大了。

众所周知,一直以来Wi-Fi有两个频段范围,分别是2.4GHz和5GHz。

Wi-Fi 6到来后,为了增加对6GHz频段的支持,演进出了Wi-Fi 6E。

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在Wi-Fi 7中,继续沿用了Wi-Fi 6E对6GHz频段的支持。

此外,Wi-Fi 7还增加新的带宽模式,包括:连续240MHz、非连续160+80MHz、连续320MHz和非连续160+160MHz。

大家可能会问,为什么还会有160+80、160+160这种带宽模式呢?

这就要从早期的信道绑定技术开始说起了。

在Wi-Fi 4(802.11n)时代,为了提高频率带宽,引入了将信道进行绑定的技术。

当时,是将相邻的2个20MHz信道(一个被称为主信道,另一个就是从信道)绑定成一个40MHz信道,以此成倍提升数据传输速率。

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后来,随着技术演进,信道绑定变得越来越强大。到了Wi-Fi 7阶段,演变为了多连接技术(Multi-Link多链路机制)。

这种技术,可以向客户端提供使用不同信道的多种选项,既可以多选一,也可以同时使用。

多选一的情况下,终端在每次传输时,均使用第一个可用频段。一旦完成前次传输,则可选择任意频段进行接下来的传输,以此避免拥堵、降低延迟。

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这种方式也可以扩展到高频频段(5GHz和6GHz频段)。

例如,系统在5GHz频段遇到干扰,那么系统可以很快把链路跳到6GHz频段,规避干扰。

再例如,路由器端在分别进行数据传输时,如果发现6GHz频段时延比较低,就可以把一些低时延应用的数据包,通过6GHz频段发送。如果突然发现5GHz频段特别适合进行大数据量的传输时,也会通过5GHz频段去传输数据。

除了信道选择之外,多连接技术还可以进行更厉害的“信道绑定”,也就是在两个不同的频段同时建立连接,两者的数据连接可以叠加使用,实现更高的吞吐量。

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这种“信道绑定”同样可以扩展到高频频段,效果更加明显。

在有些国家(包括我国)和地区,6GHz频段暂时没有被分配给Wi-Fi,也就不能使用连续的320MHz。这样的话,就可以利用高频段多连接并发技术,通过聚合两个可用信道,提供更宽的有效信道。

例如,将5GHz的160MHz和80MHz合并为一个240MHz,可以实现4.3Gbps的最高理论速度。或者,将5GHz的2个160MHz合并为一个320MHz,实现5.7Gbps的最高理论速度。

多连接技术,建立了新的频谱管理、协调和传输机制,可以实现频谱资源的高效利用,达到更高性能的吞吐量以及更低时延。

值得一提的是,Wi-Fi 7还带来了名为“前导码打孔(Preamble Puncturing)”的创新技术。

在某些情境下,现有用户会在空闲的连续信道中(如20MHz或40MHz)占用一部分带宽,就会阻止AP接入点使用该连续信道,导致带宽降级。

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“前导码打孔”技术的作用,就是在连续信道的从信道遇到干扰时,将主信道和剩下的不连续的可用从信道进行捆绑。这就减少了频宽浪费,提升了频谱利用率。

因为这种带宽模式的信息是发送端通过“前导码”携带给接收端的,而且,跳过的忙碌信道就好像被打了一个孔一样,所以,称之为“前导码打孔”。

然后是调制方式

调制就是为了提高单个信号所携带的数据量。Wi-Fi 6的最高调制方式是1K QAM,其中调制符号承载10bit。后来,Wi-Fi 6E出现,高通就率先引入了更高阶的4K QAM调制方式,使得调制符号能够承载12bit。在相同的编码下,可以获得20%的速率提升。

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到了Wi-Fi 7时代,4K QAM成为了标配。

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需要注意的是,4K QAM高阶调制的技术实现难度很高。它的算法复杂度比1K QAM多了很多倍,对芯片元器件提出了很高的要求,也对信道质量有很高要求。

再来看看MIMO技术

MIMO,就是Multiple Input Multiple Output(多收多发),多天线技术。

早在Wi-Fi 4时代,就引入了MIMO技术。它当时是4×4 SU-MIMO(SU为single-user,单用户),可以有效提升连接速率。

Wi-Fi 6时,最多支持8条数据流。一般手机只有2根Wi-Fi天线(2×2 MIMO),所以路由器侧的更多数据流,主要是为了提升接入终端的数量。

Wi-Fi 6的一大改进,就是引入了MU-MIMO(MU为multi-user,多用户),让多个设备可以同时使用多条数据流与接入点进行通信。

传统Wi-Fi 6方案只要求了下行MU-MIMO和OFDMA,高通则增加了对上行MU-MIMO和OFDMA的支持。

Wi-Fi 7,将数据流提升为16条,变成了16×16 UL/DL MU-MIMO。从单个路由器来说,理论上可以通过16根天线来收发信号,理论上可以将物理传输速率提升两倍以上。

值得一提的是,高通著名的实时双Wi-Fi 6(即4路双频并发,DBS)技术,可以支持实时双频Wi-Fi,也就是说,让手机可以同时连接2×2模式的2.4GHz和5GHz(2×2+2×2)。

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在这种情况下,用户无须手动切换网络,手机直接做出最合理的选择,既可以发挥2.4GHz频段的穿墙优势,又可以发挥5GHz频段高吞吐量、干扰少的优势。

前面提到的高通FastConnect 7800,把4路双频并发进一步扩展到了6GHz频段。这也是前面提到的Wi-Fi 7 阶段高通“高频多连接并发技术”的前提。

作为高通Wi-Fi 7方案的专有优势,这项一脉传承下来的技术显著提升了空间分集的层次,将天线资源的利用率提高到最大,从而保证了高速率、低时延,提升了连接稳定性和频谱资源效率。

最后,再说说Wi-Fi 7带来的一个新特性——CMU-MIMO

CMU比MU多了一个C,这个C代表Coordinated(协同)。意思就是说,CMU-MIMO的16条数据流,可以不由一个AP(Access Point,接入点)提供,而是由多个AP同时提供。

这意味着多个AP之间需要相互协同进行工作。

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无线终端的数量增加,是这些年来Wi-Fi 发展的一大特点。手机、平板、笔记本电脑,甚至包括冰箱、电视、洗衣机等家电,都需要接入无线网络,对Wi-Fi的接入能力和覆盖范围提出了更多的要求。很多用户也为这个问题感到困扰。

为了扩大Wi-Fi网络的覆盖范围,厂商想了很多办法,例如有线、无线桥接,Mesh组网,子母路由,等等。这其实就是增加AP数量,增强信号覆盖。

从某种程度上来说,这就是AP之间协同的早期形式。

在Wi-Fi 7之前,AP的协同形式比较简单。个别厂商,会开发一些自定义的技术,实现网络自动调优、智能漫游等WLAN功能,实现本品牌下路由产品的基本协同。协作的目的也仅是优化信道选择,调整AP间负载等。

如今,Wi-Fi 7出来了,将多AP间的协同调度上升到了标准的高度。

也就是说,只要符合标准,不同厂商之间的路由AP,也可以进行协同。

而且,协同的层级变得更加深入,功能也更强大,包括小区间的在时域和频域的协调规划,小区间的干扰协调,以及分布式MIMO,都可以通过AP协同实现。

这有效降低了AP之间的干扰,也极大提升无线空口资源的利用率。

03 端到端,才能玩转Wi-Fi 7

要充分释放Wi-Fi 7的潜力,完美体现其所有性能,还是需要端到端的方案支持才行。从路由器,到手机,都需要先进技术的支持。

从芯片角度,已有端到端的产品发布——高通的两套Wi-Fi 7方案,一个是应用于终端的FastConnect 7800,另一个是应用于网络侧的第三代高通专业联网平台系列。

1. FastConnect 7800

高通的FastConnect 7800移动连接系统,支持最新的Wi-Fi 7规范,支持5.8Gbps(320MHz信道或配对的160MHz信道)或4.3Gbps(针对6GHz频谱不可用地区)的峰值速度。时延方面缩小为2ms,相比Wi-Fi 6有10倍以上的提升。

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FastConnect 7800可向后兼容采用前代Wi-Fi标准。除了Wi-Fi 之外,FastConnect 7800还支持Snapdragon Sound骁龙畅听技术、蓝牙LE Audio(蓝牙低功耗音频)和蓝牙5.3,使蓝牙配件的信号连接范围增加近1倍、配对时间缩短一半。

在大家关心的续航时间方面,FastConnect 7800也有优异表现:系统增强可在要求最严苛的Wi-Fi持续用例中实现节能30%-50%。

2. 第三代高通专业联网平台

第三代高通专业联网平台,面向下一代企业级接入点、高性能路由器和运营商网关,支持6路至16路数据流网络连接。

从单个信道的性能来说,平台的单信道无线物理层(PHY)速率提升至11.5Gbps。从整体来看,系统的最大物理层速率高达33Gbps。此外,单个信道的用户容量超过500个。

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FastConnect 7800,以及第三代高通专业联网平台,共同构成了一整套端到端的Wi-Fi 7生态系统。

可能很多消费者并不了解,从1998年开始,高通就是Wi-Fi行业的头部玩家。目前,高通在全球所有的Wi-Fi应用及相关技术方面出货的Wi-Fi芯片已超过60亿颗。市场上有超过900款Wi-Fi 6/6E产品(包括手机、Wi-Fi客户端),采用了高通的解决方案。高通公司在Wi-Fi产品领域的出货量,位居全球第一。

04 结语

Wi-Fi 7全面商用的第一枪已经打响。

下半年,随着芯片的规模出货,相信会有更多Wi-Fi 7商用产品推出。

这些产品将会带给用户超高速率、超低时延、超大容量的全新网络体验,也将激活更多的C端和B端业务场景,推动数字生活品质升级,以及全社会的数字化转型。

在Wi-Fi 7和5G的共同助力下,我们迈向数智时代的步伐,将会变得更快、更稳!

 

作者:小枣君,微信公众号:鲜枣课堂

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