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Wi-Fi 7技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用場(chǎng)景

2024-08-17 00:00:00張宇高宇
數(shù)字通信世界 2024年7期

摘要:該文通過(guò)回顧Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展歷程,引出Wi-Fi 7技術(shù)的發(fā)展必然趨勢(shì),并將Wi-Fi 7技術(shù)與Wi-Fi 6技術(shù)進(jìn)行對(duì)比,詳解Wi-Fi 7的特性與優(yōu)勢(shì),Wi-Fi 7中的核心關(guān)鍵技術(shù)、安全與隱私保護(hù)機(jī)制以及未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞:802.11be;多鏈路機(jī)制;4096QAM

doi:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.034

中圖分類(lèi)號(hào):TN 92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編碼:1672-7274(2024)07-0-03

The Key Technology Analysis and Application Scenarios of Wi-Fi 7

ZHANG Yu, GAO Yu

(The State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing 100041, China)

Abstract: Through the retrospect on Wi-Fi technology evolution process, this article introduces the development tendency of Wi-Fi 7. And on the basis of the comparation between Wi-Fi 7 and Wi-Fi 6, this article also detailedly presents Wi-Fi 7’s features, advantages, key technologies, protection mechanisms for security and privacy, as well as its application scenarios in future.

Keywords: 802.11be; multi-link operation; 4096QAM

1 研究背景

隨著WLAN技術(shù)的發(fā)展,家庭、企業(yè)等越來(lái)越依賴(lài)Wi-Fi,并將其作為接入網(wǎng)絡(luò)的主要手段。近年來(lái)出現(xiàn)新型應(yīng)用對(duì)吞吐率和時(shí)延要求也更高,比如,4K和8K視頻(傳輸速率可能會(huì)達(dá)到20 Gbps)、VR/AR、游戲(時(shí)延要求低于5 ms)、遠(yuǎn)程辦公、在線視頻會(huì)議和云計(jì)算等。雖然最新發(fā)布的Wi-Fi 6已經(jīng)重點(diǎn)關(guān)注了高密場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn),然而面對(duì)上述更高要求的吞吐率和時(shí)延依舊無(wú)法完全滿足需求。為此,IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)組織即將發(fā)布一個(gè)新修訂標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11be EHT,即Wi-Fi 7。

2 Wi-Fi 7技術(shù)概述

2.1 傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)回顧

傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀(jì)90年代初。當(dāng)時(shí),IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本于1997年發(fā)布,并以2 Mbps的速度提供無(wú)線連接。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步,Wi-Fi技術(shù)逐漸演變并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

在2000年左右,Wi-Fi技術(shù)開(kāi)始采用更高的頻率(5 GHz),以提供更高的速率和帶寬。隨后推出的802.11a和802.11g標(biāo)準(zhǔn)分別支持了54 Mbps和54~108 Mbps的速率,使用戶能夠更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)。

2000年代中期,出現(xiàn)了802.11n標(biāo)準(zhǔn),引入了MIMO(多輸入多輸出)技術(shù),通過(guò)使用多個(gè)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,極大地提高了速度和信號(hào)質(zhì)量。這一標(biāo)準(zhǔn)還支持了更大的帶寬,為高清視頻流媒體和在線游戲等高帶寬應(yīng)用提供了支持。

2010年代,隨著對(duì)更高速率和更可靠連接的需求增加,IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。該標(biāo)準(zhǔn)在5 GHz頻段提供了更高的速率(最高可達(dá)1 Gbps)和更大的容量,使用更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)和更大的信道寬度,進(jìn)一步提升了Wi-Fi的性能。

目前,Wi-Fi 6(802.11ax)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開(kāi)始商用部署。這一標(biāo)準(zhǔn)引入了更高效的多用戶技術(shù),以支持大規(guī)模高密度連接和更好的網(wǎng)絡(luò)性能。Wi-Fi 6還通過(guò)使用OFDMA(正交頻分復(fù)用多址)和BSS色彩隔離等技術(shù),改善了網(wǎng)絡(luò)容量和資源利用率。

總之,傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)經(jīng)歷了從初始的2 Mbps到目前的Wi-Fi 6的演進(jìn)過(guò)程。這一發(fā)展歷程不僅提供了更快速、穩(wěn)定和可靠的無(wú)線連接,也推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及和發(fā)展。隨著對(duì)更高速率、更可靠連接和低延遲需求的增加,未來(lái)的Wi-Fi技術(shù)如Wi-Fi 7將繼續(xù)推動(dòng)無(wú)線通信的發(fā)展。

2.2 Wi-Fi 7技術(shù)概念及優(yōu)勢(shì)

2.2.1 Wi-Fi 7的基本概念

Wi- Fi 7,即802.11be,協(xié)議組的現(xiàn)在命名是IEEE 802.11 EHT,EHT的意思是Extremely High Throughput(對(duì)比802.11ax為HEW:High Efficiency WLAN)[1]。

Wi-Fi 7(Wi-Fi 7)是下一代Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn),是在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上引入了320 MHz帶寬、4096-QAM、Multi-RU、多鏈路操作、增強(qiáng)MU-MIMO、多AP協(xié)作等技術(shù),使得Wi-Fi 7相較于Wi-Fi 6將提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的時(shí)延。Wi-Fi 7預(yù)計(jì)能夠支持高達(dá)30 Gbps的吞吐量,大約是Wi-Fi 6的3倍。

2.2.2 Wi-Fi 7的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

Wi-Fi 7技術(shù)相較于Wi-Fi 6具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):

(1)更高的速率和容量:Wi-Fi 7采用更高頻率范圍和更寬的信道帶寬,提供更大的數(shù)據(jù)容量和最大30 Gbps的傳輸速率。相比當(dāng)下主流的Wi-Fi 6通信網(wǎng)絡(luò),Wi-Fi 7支持最大320 MHz帶寬,其引入6 GHz頻段,并增加新的帶寬模式,包括連續(xù)240 MHz,非連續(xù)160+80 MHz,連續(xù)320 MHz和非連續(xù)160+160 MHz,這樣做最直接的好處便是解決2.4 GHz和5 GHz頻段免授權(quán)頻譜有限且擁擠的問(wèn)題[2]。

(2)支持Multi-RU機(jī)制:在Wi-Fi 6中,每個(gè)用戶只能在分配到的特定RU上發(fā)送或接收幀,大大限制了頻譜資源調(diào)度的靈活性。為解決該問(wèn)題,進(jìn)一步提升頻譜效率,Wi-Fi 7中定義了允許將多個(gè)RU分配給單用戶的機(jī)制。當(dāng)然,為了平衡實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和頻譜的利用率,協(xié)議中對(duì)RU的組合做了一定的限制,即:小規(guī)格RU(小于242-Tone的RU)只能與小規(guī)格RU合并,大規(guī)格RU(大于等于242-Tone的RU)只能與大規(guī)格RU合并,不允許小規(guī)格RU和大規(guī)格RU混合使用[3]。

(3)更低的延遲:Wi-Fi 7借鑒了5G技術(shù)中的低延遲機(jī)制,通過(guò)優(yōu)化協(xié)議棧和傳輸方式,實(shí)現(xiàn)了更低的延遲。這對(duì)于實(shí)時(shí)互動(dòng)應(yīng)用(如視頻通話、在線游戲)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的交互非常重要,提供了更快速、即時(shí)的響應(yīng)體驗(yàn)。

(4)更好的時(shí)序同步:Wi-Fi 7引入了更精確的時(shí)序同步機(jī)制,確保網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備能夠以準(zhǔn)確的時(shí)間間隔進(jìn)行通信。這對(duì)于時(shí)序敏感的應(yīng)用,如工業(yè)自動(dòng)化和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),非常重要,提供了更可靠的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同工作能力。

(5)更強(qiáng)的安全性:Wi-Fi 7在安全機(jī)制方面進(jìn)行了增強(qiáng),包括更強(qiáng)大的加密算法、身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制。這有助于保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的安全性,并防止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),提供了更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)。

圖1 Wi-Fi 7與Wi-Fi 6的對(duì)比

3 Wi-Fi 7中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 16空間流和增強(qiáng)的MIMO技術(shù)

Wi-Fi 6使多天線AP能夠通過(guò)多用戶MIMO在空間上復(fù)用最多8個(gè)下行和上行設(shè)備[4]。在Wi-Fi 7中,空間流的數(shù)從Wi-Fi 6的8個(gè)增加到16個(gè),理論上可以將物理傳輸速率提升兩倍以上。支持更多的數(shù)據(jù)流也將會(huì)帶來(lái)更強(qiáng)大的特性——分布式MIMO,意為16條數(shù)據(jù)流可以不由一個(gè)接入點(diǎn)提供,而是由多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)提供,這意味著多個(gè)AP之間需要相互協(xié)同進(jìn)行工作。

3.2 更高階的4096-QAM調(diào)制技術(shù)

Wi-Fi 6的最高調(diào)制方式是1024-QAM,其中調(diào)制符號(hào)承載10 bits。為了進(jìn)一步提升速率,Wi-Fi 7將會(huì)引入4096-QAM,使得調(diào)制符號(hào)承載12 bit。在相同的編碼下,Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以獲得20%的速率提升。

3.3 Multi-Link多鏈路機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)所有可用頻譜資源的高效利用,迫切需要在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz上建立新的頻譜管理、協(xié)調(diào)和傳輸機(jī)制。工作組定義了多鏈路聚合相關(guān)的技術(shù),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)。

3.4 前導(dǎo)碼穿孔(Preamble Puncturing)技術(shù)

當(dāng)用戶已經(jīng)占用一部分信道的帶寬時(shí),如20 MHz或40 MHz,通常會(huì)阻止AP使用這個(gè)頻段,造成一定程度的浪費(fèi)。針對(duì)這種情況,Wi-Fi 7采用了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案,稱(chēng)為“前導(dǎo)碼穿孔”,在保證連續(xù)信道可用的同時(shí),允許切割網(wǎng)絡(luò)并避免使用包含干擾信號(hào)的部分頻譜。雖然總帶寬會(huì)因穿孔的數(shù)量而降低,但仍然能夠提供比其他方式更寬的信道。

圖2 前導(dǎo)碼穿孔技術(shù)

4 Wi-Fi 7安全與隱私保護(hù)

4.1 安全性分析與評(píng)估

Wi-Fi 7將進(jìn)行全面的安全性分析與評(píng)估,識(shí)別潛在的安全漏洞和威脅。通過(guò)對(duì)協(xié)議、算法和實(shí)施的細(xì)致研究,檢測(cè)和糾正可能存在的安全弱點(diǎn),以確保系統(tǒng)的整體安全性。

4.2 隱私保護(hù)機(jī)制

Wi-Fi 7采取一系列隱私保護(hù)機(jī)制,防止用戶敏感信息被未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和泄露。這包括數(shù)據(jù)加密、身份匿名化、數(shù)據(jù)脫敏和隱私保護(hù)協(xié)議等技術(shù)手段。通過(guò)對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行有效保護(hù),Wi-Fi 7確保用戶隱私得到最大程度的保障。

4.3 身份認(rèn)證與訪問(wèn)控制

Wi-Fi 7引入更強(qiáng)大的身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制機(jī)制,以阻止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。這包括基于證書(shū)的身份認(rèn)證、多因素身份驗(yàn)證和統(tǒng)一訪問(wèn)控制等技術(shù)。只有通過(guò)身份驗(yàn)證的合法用戶才能獲得網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)權(quán)限,從而保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和可信度。

以上措施確保Wi-Fi 7系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中具有安全性、完整性和保密性,并且只允許合法用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。這使得Wi-Fi 7成為一種更加安全可靠的無(wú)線通信技術(shù),滿足用戶對(duì)于隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全的需求。

5 Wi-Fi 7的應(yīng)用場(chǎng)景

(1)IoT及智能家居:隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng),并相互通信和交互。Wi-Fi 7可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的時(shí)延和更強(qiáng)的連接密度,為智能家居設(shè)備間的互聯(lián)和通信提供更好的支持。例如,智能家電、智能安防系統(tǒng)、智能燈光控制等設(shè)備都可以通過(guò)Wi-Fi 7實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高效的連接和操作。

(2)5G網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用:Wi-Fi 7與5G網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用將進(jìn)一步增強(qiáng)無(wú)線通信的性能和應(yīng)用場(chǎng)景。Wi-Fi 7可以與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同工作,提供更廣闊的覆蓋范圍和更高的網(wǎng)絡(luò)容量。這種融合可加速數(shù)據(jù)傳輸、降低時(shí)延,并實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。例如,通過(guò)Wi-Fi 7和5G的融合,可以在城市、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更智能化、高效的解決方案。

(3)工業(yè)自動(dòng)化和智能制造:Wi-Fi 7在工業(yè)自動(dòng)化和智能制造中也具備廣闊的應(yīng)用前景。它可以為機(jī)器人、傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備提供可靠的無(wú)線連接,實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和控制。通過(guò)Wi-Fi 7的應(yīng)用,企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率、更好的資源管理和更精確的監(jiān)測(cè)與控制。

(4)智慧城市:Wi-Fi 7的高速、高容量特性使其成為構(gòu)建智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的理想選擇。它可以支持各種智能設(shè)備和系統(tǒng)的連接,例如智能交通、智能停車(chē)、智能照明和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。通過(guò)Wi-Fi 7,城市可以實(shí)現(xiàn)更高效的資源利用、更好的公共服務(wù)和更智能的城市管理。

(5)遠(yuǎn)程醫(yī)療保?。篧i-Fi 7的高帶寬和低時(shí)延特性對(duì)于醫(yī)療保健領(lǐng)域非常重要。它可以用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)療設(shè)備的互聯(lián)和監(jiān)測(cè),提供穩(wěn)定的無(wú)線連接和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)Wi-Fi 7的應(yīng)用,醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以改善醫(yī)療服務(wù)和患者護(hù)理,實(shí)現(xiàn)更高效的診斷和治療。

(6)教育和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí):隨著遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的普及,Wi-Fi 7有望提供更快速、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接,支持在線教育和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。它可以為教育機(jī)構(gòu)和學(xué)生提供高質(zhì)量的視頻會(huì)議、在線課程和資源訪問(wèn)等服務(wù),提升學(xué)習(xí)效果和體驗(yàn)。

(7)特殊環(huán)境:Wi-Fi 7具備較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性,適用于特殊環(huán)境下的應(yīng)用,如工業(yè)控制系統(tǒng)、野外勘探、采礦和農(nóng)業(yè)等。它可以提供可靠的無(wú)線通信,適應(yīng)復(fù)雜的工作條件和惡劣的環(huán)境要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

Wi-Fi 7中涉及的關(guān)鍵技術(shù)為Wi-Fi 7的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),并為滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求和多設(shè)備連接的要求提供了解決方案。然而,Wi-Fi 7仍面臨一些問(wèn)題和挑戰(zhàn),如兼容性、設(shè)備成本、部署和覆蓋范圍、安全性和隱私以及頻譜管理等。解決這些問(wèn)題需要標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)創(chuàng)新、政策支持和產(chǎn)業(yè)合作的努力,以推動(dòng)Wi-Fi 7的廣泛應(yīng)用和普及。

參考文獻(xiàn)

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