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摘要：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的高速發(fā)展，4K/8K視頻、在線大型游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR） 和遠(yuǎn)程辦公等應(yīng)用程序也應(yīng)運(yùn)而生。然而，現(xiàn)有的Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)難以滿足其高吞吐量和低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)需求。因此，IEEE將發(fā)布下一代無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN） 標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11be，也稱為Wi-Fi 7。文章重點(diǎn)介紹和分析了Wi-Fi 7的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場景，最后總結(jié)和展望了Wi-Fi 7的研究方向和潛在發(fā)展。

關(guān)鍵詞： Wi-Fi 6；吞吐量；IEEE 802.11be；Wi-Fi 7

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0082-03

0 引言

隨著移動(dòng)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)流量爆炸式增長，無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN） 呈現(xiàn)密集部署的趨勢。根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的研究報(bào)告顯示，越來越多的家庭、企業(yè)和學(xué)校等場所利用Wi-Fi技術(shù)作為其主要的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，全球使用Wi-Fi技術(shù)的終端設(shè)備預(yù)計(jì)超過90億臺[1]。Wi-Fi技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)智能通信領(lǐng)域的主要無線網(wǎng)絡(luò)接入方式。從1997 年開始，無線局域網(wǎng)使用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)已有20余年，經(jīng)歷了多次修訂和完善，不斷演進(jìn)和發(fā)展的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1997年，IEEE發(fā)布了第一個(gè)802.11標(biāo)準(zhǔn)，其理論最大速率可達(dá)到2 Mbps，采用相移鍵控（Phase ShiftKeying，PSK） 和跳頻技術(shù)（Frequency-Hopping SpreadSpectrum，F(xiàn)HSS）技術(shù)。1999 年頒布的IEEE 802.11b 協(xié)議新增了直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence SpreadSpectrum，DSSS） 模式，可以提供11 Mbps的數(shù)據(jù)速率。

2002年提出的IEEE 802.11g/a協(xié)議，在物理層引入了正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multi?plexing，OFDM） 技術(shù)，該技術(shù)可以提高頻譜利用率，達(dá)到54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。IEEE 802.11n于2009年正式發(fā)布，這是WLAN發(fā)展史上的里程碑，其核心技術(shù)是單用戶的多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO） 和信道綁定技術(shù)。802.11n支持256-QAM的調(diào)制方式，其最大速率可以達(dá)到500 Mbps，比之前版本的速率提高了10倍以上。802.11ac于2014年正式發(fā)布，該協(xié)議支持5 GHz的免許可頻段，同時(shí)兼容之前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為用戶提供更高的系統(tǒng)容量、更高的調(diào)制方式（1024-QAM） 和更快的傳輸速率（達(dá)到1Gbps） [3]。IEEE 802.11ac支持1024-QAM的調(diào)制方式，其最大速率可以達(dá)到1 Gbps。IEEE 802.11ax協(xié)議引入了多個(gè)新技術(shù)以支撐數(shù)據(jù)傳輸[4]，其中包括多用戶傳輸?shù)恼活l分復(fù)用多址（Orthogonal Frequency Divi?sion Multiple Access，OFDMA） 技術(shù)、空間復(fù)用（SpatialReuse，SR） 技術(shù)、基于目標(biāo)喚醒時(shí)刻（Target WakeTime，TWT） 節(jié)能。

當(dāng)前，WLAN標(biāo)準(zhǔn)正處于第六代到第七代的過渡期，該標(biāo)準(zhǔn)每一代的變革都提出了關(guān)鍵技術(shù)來提升網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。由于高清4K/8K 視頻（數(shù)據(jù)速率高達(dá)20Gbps） 、在線大型游戲（網(wǎng)絡(luò)延遲低于5毫秒）、虛擬現(xiàn)實(shí)VR和遠(yuǎn)程辦公等應(yīng)用程序爆炸式增長，人們對高吞吐量和低延遲的網(wǎng)絡(luò)需求日益激增。雖然2021 年發(fā)布的第六代IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)已高度關(guān)注密集場景下的用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，但面對高速率、低延遲的應(yīng)用程序和密集部署的智能設(shè)備，Wi-Fi由于信道接入過多和相互間的干擾，網(wǎng)絡(luò)性能呈下降趨勢。在此背景下，電氣和電子工程師協(xié)會于2019年5 月成立了工作組，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)于2024年年底發(fā)布。因此，第七代Wi-Fi（IEEE 802.11be標(biāo)準(zhǔn)）應(yīng)運(yùn)而生，并將其稱為極高吞吐量WLAN（Extremely High Throughput，EHT） 。Wi-Fi 7引入了320MHz帶寬、非連續(xù)頻譜的使用、Multi-Link 多鏈路機(jī)制、4096-QAM、多資源單元（Multi-Resource Unit，Multi-RU） 、增強(qiáng)MU-MIMO 等新興技術(shù)，以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。同時(shí)，Wi-Fi 7預(yù)計(jì)能達(dá)到30 Gbps的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，大約是Wi-Fi 6的3倍。Wi-Fi 7的出現(xiàn)標(biāo)志著Wi-Fi呈飛速發(fā)展，辦公、生產(chǎn)、娛樂都將進(jìn)入全無線連接時(shí)代。

1 Wi-Fi7 技術(shù)特點(diǎn)

無線速率的提升離不開頻段、無線信道的擴(kuò)展以及調(diào)制方式的升級。Wi-Fi 7引入了一系列新興技術(shù)，促進(jìn)了Wi-Fi的發(fā)展，并優(yōu)化了無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能，相比Wi-Fi 6，其主要特點(diǎn)在于極高吞吐量、超低時(shí)延、低功耗等。

1.1 支持320MHz 帶寬和非連續(xù)頻譜的使用

頻譜資源是無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，任何新一代無線電技術(shù)需利用頻譜資源作為其通信載體。過去20多年間，Wi-Fi一直在2.4GHz和5GHz的免許可頻段上工作，承載著日益增長的網(wǎng)絡(luò)需求。由于2.4GHz 和5GHz免許可頻譜資源有限且短缺，現(xiàn)有的Wi-Fi技術(shù)在面對新興的應(yīng)用程序時(shí)，將出現(xiàn)用戶服務(wù)質(zhì)量降低、網(wǎng)絡(luò)速率慢和高時(shí)延等問題。因此，Wi-Fi 7工作組成員將目光放到了聯(lián)邦通信委員會通過的6GHz頻譜上，利用6GHz上的頻譜資源作為提升Wi-Fi 7峰值吞吐量的直接方法[5]。如圖1 所示，接入點(diǎn)（AccessPoint，AP） 在2.4GHz 頻段上可使用高達(dá)20MHz 的帶寬，5GHz 頻段上可達(dá)160MHz 帶寬，而Wi-Fi 7 將在6GHz頻段上使用320MHz帶寬，該頻譜帶寬是5GHz 頻帶中可用帶寬的兩倍多。根據(jù)香農(nóng)公式定理可知[6]，320MHz頻譜帶寬可實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 7極高吞吐量的目標(biāo)。除了支持6GHz頻段，Wi-Fi 7還支持非連續(xù)頻譜的使用，并增加了新的帶寬使用模式，比如連續(xù)240MHz信道、非連續(xù)160+160MHz信道、非連續(xù)160+80MHz信道和連續(xù)320MHz信道等。在沒有可使用的連續(xù)頻譜資源情況下，Wi-Fi 7使用非連續(xù)頻譜有助于相鄰的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共存，提供組合型的高帶寬以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1.2 支持Multi-RU 機(jī)制

Wi-Fi 6引入OFDMA技術(shù)，將特定的子載波分配給不同的用戶，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的同時(shí)傳輸以提升信道利用率。多個(gè)用戶可以在每個(gè)時(shí)間片上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，并為每個(gè)用戶分配合適的資源單元（ResourceUnit，RU） ，從而同時(shí)提高多個(gè)用戶的性能指標(biāo)。在20 MHz 高效的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中，RU 被分為26-tone、52-tone、106-tone 和242-tone。對于Wi-Fi 而言，信道帶寬越大，能夠被分配的RU數(shù)量就越多，能夠支持同時(shí)傳輸?shù)挠脩艟驮蕉?。然而Wi-Fi 6協(xié)議規(guī)定，一個(gè)RU只能用于一個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)包，難以滿足用戶高速率和低時(shí)延的需求，大大限制了頻譜資源調(diào)度的靈活性。為解決此問題，Wi-Fi 7提出將多個(gè)RU同時(shí)分配給一個(gè)用戶，以提升頻譜資源的利用率。針對Multi-RU機(jī)制存在多個(gè)RU調(diào)度復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出以下限制：小于242-tone 的RU 只能和小于242-tone的RU合并用以傳輸；大于等于242-tone的RU只能和大于等于242-tone 的RU 合并用以傳輸；小于242-tone的RU不能和大于等于242-tone的RU合并用以傳輸。因此，Multi-RU機(jī)制保證了頻譜資源的靈活調(diào)度，大大提升了頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)速率。

1.3 支持Multi-Link 多鏈路機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)低功耗、低時(shí)延和高效率的建設(shè)目標(biāo)，Wi-Fi 7將允許在多個(gè)鏈路上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，信道可以占用不同的頻帶，甚至可以占用相同的頻帶。Multi-Link多鏈路機(jī)制主要包括增強(qiáng)型多鏈路聚合的MAC 架構(gòu)、多鏈路信道接入和多鏈路傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)。Multi-Link多鏈路機(jī)制可以聚合不同帶寬和不同數(shù)量的鏈路用以傳輸數(shù)據(jù)，例如同時(shí)使用160MHz 和20MHz這兩條鏈路帶寬，以傳輸一位用戶的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶設(shè)備占用相同的頻帶資源時(shí)，Wi-Fi 7 擴(kuò)展了TWT節(jié)能技術(shù)以支持低功耗設(shè)備和應(yīng)用。當(dāng)用戶設(shè)備在數(shù)據(jù)鏈路上未發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，可以使其處于休眠狀態(tài)。當(dāng)該用戶設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以將其喚醒以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。TWT節(jié)能技術(shù)允許用戶設(shè)備之間協(xié)商喚醒時(shí)間和休眠時(shí)間，并預(yù)測用戶設(shè)備的延遲時(shí)間，以避免鏈路間發(fā)生沖突，從而實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低功耗。

1.4 支持MU-MIMO 機(jī)制

如今，MU-MIMO機(jī)制是許多無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用以增加其容量的關(guān)鍵技術(shù)。無線通信往往需要一個(gè)基站同時(shí)與多個(gè)移動(dòng)臺之間進(jìn)行通信，使得數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)并行傳輸。隨著數(shù)據(jù)流量和用戶設(shè)備爆炸式增長，對于Wi-Fi而言，一個(gè)接入點(diǎn)將與多個(gè)用戶設(shè)備同時(shí)連接，以實(shí)現(xiàn)吞吐量最大化和傳輸公平性。為了滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)備激增所帶來的日益增長的流量需求，Wi-Fi工作組提出了MU-MIMO機(jī)制，各個(gè)用戶設(shè)備占用相同的信道資源，數(shù)據(jù)都在相同的子載波上傳輸。Wi-Fi 6增加至8 個(gè)空間流以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。Wi-Fi 6 通過MU-MIMO機(jī)制可同時(shí)服務(wù)多達(dá)8個(gè)用戶進(jìn)行上行鏈路和下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。為了配合MU-MIMO機(jī)制，接入點(diǎn)會向所有用戶精確發(fā)送觸發(fā)幀。該觸發(fā)幀指示空間流的數(shù)量和功率控制信息，使得每個(gè)用戶可以根據(jù)離接入點(diǎn)的無線電距離來增加或減少發(fā)射機(jī)的功率。Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上，由8個(gè)空間流增加至16個(gè)空間流，以獲得更高的網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)速率，其理論上可達(dá)Wi-Fi 6的兩倍多。目前，在802.11 的工作模式下，AP與AP之間實(shí)際上是沒有協(xié)作的。而Wi-Fi 7還將支持分布式MIMO傳輸技術(shù)，多個(gè)接入點(diǎn)可以同時(shí)提供16條數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。MU-MIMO機(jī)制使得多個(gè)接入點(diǎn)之間互相協(xié)調(diào)，多個(gè)空間流同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，大幅提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效率。

1.5 支持4096-QAM

正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM） 可以將兩種調(diào)幅信號匯聚到一條信道上，利用星座圖實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)，因此，可以拓展雙倍的有效信道帶寬。Wi-Fi 7改進(jìn)了原有編碼的調(diào)制解調(diào)策略，將前一代的1024-QAM擴(kuò)展為4096-QAM，使得星座圖中一個(gè)點(diǎn)可以帶動(dòng)的數(shù)據(jù)量從10個(gè)比特提升至12個(gè)比特，Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以獲得20%的速率提升，其峰值速率可達(dá)到30 Gbps。

2 Wi-Fi7 技術(shù)典型應(yīng)用場景

2.1 多媒體領(lǐng)域

如今，家庭、學(xué)校、商場等場所的智能設(shè)備大多以Wi-Fi作為主要的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。智能設(shè)備中的應(yīng)用程序迫切需要高速率、高帶寬、低時(shí)延和低功耗的Wi-Fi技術(shù)，Wi-Fi 7引入的新興技術(shù)解決了以上問題。隨著5G時(shí)代的到來，4K/8K超高清視頻已經(jīng)應(yīng)用在筆記本電腦、平板、手機(jī)和高清電視等智能設(shè)備上，Wi-Fi 7的極高吞吐量能夠?yàn)?K/8K流媒體提供極速上傳和下載，使用戶更加便捷地享受優(yōu)質(zhì)的視頻畫面。同時(shí)，VR、在線大型游戲和遠(yuǎn)程辦公等多媒體應(yīng)用程序也將因?yàn)閃i-Fi 7的到來而蓬勃發(fā)展，并為用戶帶來良好的多媒體應(yīng)用體驗(yàn)。

2.2 智能制造領(lǐng)域

Wi-Fi 7的提出與實(shí)施有利于智能制造領(lǐng)域的發(fā)展。工業(yè)革命浪潮中，穩(wěn)定、快速、連續(xù)和智能的無線網(wǎng)絡(luò)將成為各工業(yè)領(lǐng)域數(shù)智轉(zhuǎn)型的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)基石。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施[7]，5G和Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的布局和規(guī)劃，從而支持物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等智能制造產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。Wi-Fi 7 充分利用其關(guān)鍵技術(shù)，包括免許可的6GHz頻段、更高階的數(shù)字信號調(diào)制解調(diào)技術(shù)、Multi-Link 多鏈路機(jī)制，從而為智能制造產(chǎn)業(yè)保駕護(hù)航。Wi-Fi 7將鞏固“中國制造2025”的概念，使得智能制造領(lǐng)域的機(jī)器和工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更快速和更穩(wěn)定的操作，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)車間生產(chǎn)一體化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

2.3 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

近年來，隨著科技的發(fā)展和智慧城市體系的建設(shè)，城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)也逐漸智能化。智能交通系統(tǒng)是融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等新興科學(xué)技術(shù)于傳統(tǒng)交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效的交通運(yùn)輸系統(tǒng)。隨著車聯(lián)網(wǎng)的興起和Wi-Fi的廣泛使用，很多車輛都配有車載Wi-Fi，Wi-Fi 7的優(yōu)點(diǎn)（低時(shí)延、低功耗、高速率）推動(dòng)著智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展。比如，人們出行經(jīng)常需要實(shí)時(shí)的交通信息，Wi-Fi 7技術(shù)可以快速預(yù)測道路交通情況，讓出行者及時(shí)規(guī)避擁堵路段，進(jìn)而推動(dòng)交通運(yùn)輸系統(tǒng)向智能化、高效率的方向發(fā)展。

3 結(jié)論

本文首先從使用Wi-Fi技術(shù)的終端設(shè)備和數(shù)據(jù)流量爆炸式增長引出Wi-Fi 7，從而對Wi-Fi 7的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并介紹了Wi-Fi 7的典型應(yīng)用場景。Wi-Fi 7將于2024年發(fā)布，Wi-Fi技術(shù)不斷更新，未來將與多媒體技術(shù)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域緊密結(jié)合在一起。Wi-Fi 7在實(shí)現(xiàn)高速率、低功耗、低延遲的同時(shí)，期待與未來的6G技術(shù)相結(jié)合，層出不窮的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將為人們帶來高可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，便利人們的生活。如今，Wi-Fi 7正在緊鑼密鼓地研究中，可以預(yù)見，Wi-Fi 7將會在未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中占據(jù)非常重要的地位。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wi-Fi Alliance 2018 Wi-Fi Predictions[EB/OL].https：//www.

wi-fi. org/news-events/newsroom/wi-fi-alliance-publishes-2018-

wi-fi-predictions.

[2] 陳清華.IEEE 802.11ax無線局域網(wǎng)目標(biāo)喚醒時(shí)刻高吞吐量

調(diào)度策略[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2020.

[3] 韓璐，孫坤，禹繼國.基于802.11ac多用戶MIMO網(wǎng)絡(luò)的容量

最大化[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，45（4）：43-

48.

[4] 張閩，錢晨喜，陳清華.802.11 ax下一代WLAN和LTE異構(gòu)密

集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)卸載方案[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2021，42（8）：

1767-1773.

[5] DENG C L，F(xiàn)ANG X M，HAN X，et al.IEEE 802.11be Wi-Fi 7：

new challenges and opportunities[J].IEEE Communications Sur?

veys & Tutorials，2020，22（4）：2136-2166.

[6] 徐曉鋒，張閩，錢晨喜，等.IEEE 802.11ax密集WLAN的干擾

協(xié)調(diào)策略[J].計(jì)算機(jī)工程，2021，47（1）：182-187，195.

[7] 崔慧明，陳林“. 中國制造2025”戰(zhàn)略之“智能制造”[J].科技經(jīng)

濟(jì)市場，2022（4）：7-9.

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