了解 Wi-Fi 設(shè)計選擇：Wi-Fi 6/6E 與 Wi-Fi 7 和 MLO
2023-11-17 11:38:01 EETOP自 1999 年 Wi-Fi 聯(lián)盟成立以來，Wi-Fi 技術(shù)不斷進(jìn)步，以滿足對更快速度和支持更多設(shè)備的日益增長的需求。
如今，從筆記本電腦、智能手機、電視和機頂盒等對數(shù)據(jù)要求極高的設(shè)備，到偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)更新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如家用電器和辦公設(shè)備），Wi-Fi 已成為各種客戶無處不在的互聯(lián)網(wǎng)連接。
根據(jù)市場研究公司 ABI 的數(shù)據(jù)，支持 Wi-Fi 的設(shè)備年出貨量正在持續(xù)上升，預(yù)計到 2028 年將超過 50 億臺，而未來增長的主要驅(qū)動力預(yù)計將來自智能/互聯(lián)家居、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場。
如今，Wi-Fi 技術(shù)有多種類型和配置，支持?jǐn)?shù)百種復(fù)雜程度不同的功能。對于設(shè)備制造商來說，選擇符合功能、性能、成本和功耗限制的正確規(guī)格可能具有挑戰(zhàn)性。在本文中，我們將分享對確定最佳選擇時需要考慮的重要參數(shù)的見解。
它源自 IEEE 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)，是目前市場上最流行的一代產(chǎn)品。根據(jù) ABI 的數(shù)據(jù)，2023 年將有近一半的 Wi-Fi 設(shè)備采用 WI-FI 6，到 2026 年，這一比例將上升到三分之二。
與WI-FI 5（IEEE 802.11ac）相比，WI-FI 6具有雙倍的最大MIMO配置、雙倍的最大信道帶寬和更高的調(diào)制方案。這意味著物理層的最大數(shù)據(jù)傳輸率提高了 5 倍多。盡管這非常重要，但這并不是 WI-FI 6 如此受歡迎的原因，它的滲透率是新一代有史以來最快的。
WI-FI 6 的主要優(yōu)勢在于更高的網(wǎng)絡(luò)效率，特別是在密集區(qū)域，更多設(shè)備可以連接到相同的接入點，從而以更高的吞吐量和更低的延遲提供更好的用戶體驗。這種更高的效率主要來自兩大功能：多用戶 MIMO 和多用戶 OFDMA。
它將接入點（AP）的 MIMO 操作劃分給多個用戶（或站點）。例如，一個 8x8 接入點可同時處理八個 1x1 用戶，每個空間流一個。接入點在空中（下行鏈路）發(fā)送一個 8x8 MIMO 數(shù)據(jù)包，其中包含每個用戶在各自分配的空間流中的數(shù)據(jù)。每個用戶可同時在各自的空間流上回復(fù)（上行鏈路）。Wi-Fi 5 Wave 2 已支持 MU-MIMO 下行鏈路，但不支持 MU-MIMO 上行鏈路。
圖1 Wi-Fi 6 MU-MIMO 功能通過盡可能填充空間流和并行化數(shù)據(jù)流量，顯著提高網(wǎng)絡(luò)效率。
這允許將總可用帶寬在多個用戶之間劃分為所謂的資源單元（RU）。這樣，可以讓更多的用戶連接到該 AP。例如，最多 37 個用戶可以同時共享一個 80MHz 信道，每個用戶僅使用 2MHz 帶寬。此外，這種窄帶允許與其他窄帶技術(shù)（例如藍(lán)牙和802.15.4（即Thread、ZigBee））更好地共存。
MU-MIMO 和 MU-OFDMA 使接入點能夠更好地在用戶之間調(diào)度流量，并提供適當(dāng)?shù)牧６群透玫姆?wù)質(zhì)量控制。數(shù)以百計甚至數(shù)以千計的設(shè)備可以連接到接入點，而擁塞程度卻很有限。此外，速度較慢的 WI-FI 6 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以與 WI-FI 6 高要求設(shè)備無縫共存，而不會影響其吞吐量和延遲。
WI-FI 6 的另一大功能是目標(biāo)喚醒時間（TWT）。它對低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備特別有意義：連接到接入點的每個 WI-FI 6 設(shè)備都能進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，并在與接入點預(yù)先協(xié)商好的各自預(yù)定時間喚醒。這最大限度地減少了沖突，并大大降低了功耗。
WI-FI 6 在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段上運行。2.4 GHz 頻段因藍(lán)牙、Zigbee 和 Thread 等其他無線技術(shù)而擁擠不堪。5 GHz 頻段是避免這種擁擠的快速通道。
盡管如此，對數(shù)據(jù)帶寬的需求永遠(yuǎn)不會得到滿足。現(xiàn)在有更多的視頻流服務(wù)提供更高分辨率的視頻。在城市世界的許多地方，光纖到戶正在推廣，提供了超高速互聯(lián)網(wǎng)的潛力，然后需要在家庭/辦公室內(nèi)提供服務(wù)。
這樣就連WI-FI 6的5GHz高速公路的容量也正在捉襟見肘。因此，WI-FI 6E（仍然源自IEEE 802.11ax標(biāo)準(zhǔn)）被發(fā)布，以使用6GHz頻段（更準(zhǔn)確地說，從5.925GHz到7.125GHz）擴展容量。
這個額外的 1.2 GHz 帶寬最多可增加 7 個 160 MHz 帶寬通道（而 5 GHz 頻段上只有 2 個這樣寬的通道），或者最多 14 個 80 MHz 帶寬通道（5 GHz 頻段上只有 5 個可用） 。
盡管 6 GHz 頻譜在地理位置上存在挑戰(zhàn)（如 Wi-Fi 聯(lián)盟網(wǎng)站所述，并非所有 6 GHz 帶寬都可在全球范圍內(nèi)使用），但 WI-FI 6E 已被證明非常受歡迎，為人們對數(shù)據(jù)帶寬的不懈追求創(chuàng)造了一些急需的喘息空間。
這個額外的 6 GHz 頻段擁塞程度較低，因此可以提供更好的服務(wù)質(zhì)量和更低的延遲。這對于游戲和 AR/VR 耳機應(yīng)用尤其重要。不過，它的范圍比較有限，穿墻和穿頂能力較弱。
雖然 WI-FI 7 仍將在 2024 年晚些時候獲得批準(zhǔn)，但我們已經(jīng)開始在市場上發(fā)現(xiàn) “pre” WI-FI 7 芯片和設(shè)備。
WI-FI 7 源自 IEEE 802.11be 規(guī)范，將擁有更強大的功能。其中包括
高達(dá) 320 MHz 的信道帶寬，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 為 160 MHz。這僅適用于 6 GHz 頻段。
多達(dá) 16x16 MIMO 配置，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 為 8x8
最大 4K QAM 調(diào)制，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 為 1K QAM
WI-FI 7 比 WI-FI 6/6E 快近 5 倍。但這并不是 WI-FI 7 突然受到追捧的唯一原因。有兩個非常重要的功能促使人們關(guān)注新一代 WI-FI：多鏈路操作（MLO）和多資源單元（MRU）。
這樣就能將相同或不同頻段的兩個信道聚合在一起，以提高吞吐量、繞過干擾并減少延遲。例如，由于干擾因素，在 6 GHz 頻段的 3 個可用信道中，要獲得一個 320 MHz 的空閑信道可能非常困難，甚至不可能。
為了克服這種情況，借助 MLO，WI-FI 7（802.11be）連接可以從 7 個可用信道中，在 6 GHz 頻段上匯集兩個互不相連的 160 MHz 信道，或者將 6 GHz 頻段上的一個信道與 5 GHz 頻段上的另一個信道匯集在一起。理論上，任何組合都是可能的，例如在 5/6 GHz 頻段上聚合 160 MHz + 80 MHz 信道。
圖3 . Wi-Fi 7 多鏈路操作 (MLO) 功能允許聚合兩個鏈路（或通道）以提高總體吞吐量。這里聚合了兩個 160 MHz 帶寬通道。
MLO 還可以用于負(fù)載平衡，通過在通道之間快速、無縫地切換來最大程度地減少爭用/重試。這也意味著延遲的減少。
當(dāng)用戶的吞吐量要求需要一個 "大 "資源單元時，整個信道帶寬中可能沒有空閑的大帶寬。因此，與 MLO 概念類似，但在同一信道上，可為單個用戶聚合兩個連續(xù)或不連續(xù)的資源單元，以滿足吞吐量要求。
得益于 MLO 和 MRU，WI-FI 7 (802.11be) 非常有吸引力，尤其是在要求高吞吐量、低延遲和高鏈路可靠性的應(yīng)用中。如何聚合、何時聚合以及聚合哪些信道是 WI-FI 7 基礎(chǔ)設(shè)施提供商的差異所在。
了解每一代技術(shù)帶來的好處，什么是最適合我的應(yīng)用的？除了生成和相關(guān)功能集之外，還需要考慮支持的最大配置參數(shù)。讓我們逐一看看。
默認(rèn)為 2.4 GHz，支持所有類型。由于 2.4 GHz 頻譜很擁擠，許多技術(shù)（Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee 和其他專有技術(shù)）都在爭奪這一頻段，因此支持 5 GHz 頻段甚至 6 GHz 頻段（在 WI-FI 6E 和 WI-FI 7 上）也很有意義。
這雖然會增加成本--增加 5/6 GHz 無線芯片的芯片尺寸--但由于擁塞更少、重傳更少，因此有助于實現(xiàn)更高的吞吐量和更短的延遲。
信號帶寬可以為 20 MHz、40 MHz、80 MHz（從 Wi-Fi 5 / 802.11ac 開始）、160 MHz（從 WI-FI 6 / 802.11ax 開始）或 320 MHz（從 WI-FI 7 / 802.11be 開始）僅 6 GHz 頻段）。
信號帶寬越大，數(shù)據(jù)吞吐量越高。如果高吞吐量不是一個重要參數(shù)，那么支持更大的帶寬仍然是有益的。對于給定的吞吐量，更大的帶寬會導(dǎo)致空中花費的時間更短，從而降低功耗。
此外，在空中花費的時間更少，可以為其他人留下更多的空閑空間，因此更多的設(shè)備可以共存。這就是為什么許多低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備支持高達(dá) 40 MHz 的帶寬，而不是僅 20 MHz，即使它需要少量的額外成本。
Wi-Fi 系統(tǒng)可以具有單個收發(fā)器鏈（SISO，又名單輸入單輸出）或多個收發(fā)器鏈（MIMO，又名多輸入多輸出）。實際上，發(fā)射鏈和接收鏈的數(shù)量可以任意組合，最多可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)授權(quán)的最大數(shù)量。例如，使用 WI-FI 6 時高達(dá) 8x8，使用 WI-FI 7 時高達(dá) 16x16。1x1 是指 SISO 配置，而 2x2 是具有 2 個發(fā)射鏈和 2 個接收鏈的 MIMO 系統(tǒng)。
還存在不對稱配置，例如具有 2 個發(fā)送鏈和 3 個接收鏈的 2x3。更多的鏈意味著更高的吞吐量。這就像有幾根平行的管道。例如，2x2 比 1x1 快兩倍。但有時增加鏈的數(shù)量并不是為了增加吞吐量，而是為了通過額外的多樣性來達(dá)到更高的靈敏度。
例如，2x3 配置可能僅在接收側(cè)支持 2 個（而不是 3 個）空間流，第三條鏈用于獲得額外的信號分集，從而獲得更高 dB 的靈敏度。總而言之，更多的鏈意味著更高的吞吐量或更高的靈敏度，但由于無線電鏈的重復(fù)而帶來了額外的芯片尺寸和成本。
收發(fā)器鏈上可實現(xiàn)的最大吞吐量還取決于支持的最高調(diào)制編碼方案 (MCS)。但更高的 MCS 會導(dǎo)致調(diào)制解調(diào)器中的信號處理更復(fù)雜，并對模擬/無線電架構(gòu)提出更嚴(yán)格的要求，這意味著更大的芯片尺寸和更高的功耗。
這就是為什么有時WI-FI 6低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案為了節(jié)省成本和功耗僅支持MCS8/9（256QAM），而WI-FI 6標(biāo)準(zhǔn)最高可支持MCS10/11（1024QAM）。
當(dāng)設(shè)備支持多個頻段（2.4 GHz、5 GHz，有時是 6 GHz）時，可以通過 Wi-Fi 系統(tǒng)的單個實例或多個實例來處理各個頻段上的鏈接：
·單個實例化允許同時處理每個頻段，但需要分時處理。從用戶/應(yīng)用程序的角度來看，這是透明的，只是總吞吐量在每個頻段之間共享。無論如何，單個實例化都可以支持 Wi-Fi 7 多鏈路單無線電 (MLSR) 功能，該功能允許立即從一個通道切換到另一個通道，以獲得更高的可靠性和更短的延遲。
·多個實例化使其能夠完全同時支持多個頻段，從而支持更高的聚合吞吐量。由于芯片尺寸較大，因此成本較高，但可以通過其帶來的附加價值來補償。
那么，最適合您的應(yīng)用程序的版本和配置是什么？選擇最新最好的口味和配置并不總是合適的，因為這可能會導(dǎo)致昂貴的過度殺傷力。面臨的挑戰(zhàn)是選擇在性能、成本和功耗之間提供最佳折衷的風(fēng)格和配置。讓我們看幾個例子。
低功耗物聯(lián)網(wǎng)中普遍存在的問題是成本，然后是功耗。這就是為什么 WI-FI 4（源自 IEEE 802.11n 規(guī)范）單頻段 2.4 GHz 仍然占主導(dǎo)地位，因為人們可以找到遠(yuǎn)低于 1 美元的芯片，但已經(jīng)足夠好了。但隨著產(chǎn)量的增加，WI-FI 6 芯片的成本很快非常接近 WI-FI 4 芯片。它還帶來了額外的好處：
·如果需要更高的數(shù)據(jù)吞吐量：使用 MCS7（64QAM 調(diào)制）時，WI-FI 4 1x1 40 MHz 帶寬可高達(dá) 150 Mbps PHY 數(shù)據(jù)速率，而 WI-FI 6 1x1 40 MHz 帶寬
由于 TWT 功能，功耗更低。沖突越少，重傳就越少，因此空中花費的時間也就越少。
由于更高的數(shù)據(jù)速率，功耗更低。對于給定的數(shù)據(jù)吞吐量，更高的數(shù)據(jù)速率意味著在空中花費的時間更少，因此在更短的時間內(nèi)啟用無線電時功耗更低。
更多 WI-FI 6 設(shè)備可以連接到 WI-FI 6 接入點。
低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常速度很慢。與前幾代不同，WI-FI 6 慢速設(shè)備不會減慢 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)速度，因此可以更好地與快速設(shè)備共存。
如果可靠性是一個關(guān)鍵參數(shù)，那么至少支持雙頻段就很重要。在某些工業(yè)應(yīng)用中通常會出現(xiàn)這種情況。
如果延遲很關(guān)鍵，則必須支持具有兩個或三個頻段的 Wi-Fi 7。在某些工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中可能就是這種情況。
支持 Wi-Fi 的高端設(shè)備通常處理大量數(shù)據(jù)傳輸，例如視頻流和文件共享。這些設(shè)備包括智能手機、平板電腦、PC/筆記本電腦、電視、機頂盒、相機、AR/VR 耳機等。它們主要具有 MIMO 2x2 多頻段配置。
雖然我們?nèi)匀辉谑袌錾峡吹酱罅?Wi-Fi 5 芯片，但新設(shè)計至少主要是 Wi-Fi 6 (802.11ax)，以便獲得吞吐量效率的優(yōu)勢，特別是隨著連接到 Wi-Fi 5 的設(shè)備數(shù)量的增加接入點正在增長。其中一些產(chǎn)品（例如智能手機、游戲機和 AR/VR 耳機）將在遷移到 Wi-Fi 6E 甚至 Wi-Fi 7 (802.11be) 時獲得巨大優(yōu)勢，從而享受更高的可靠性和更低的延遲。
在設(shè)計/部署/升級基礎(chǔ)設(shè)施時，建議使用 Wi-Fi 7 (802.11be) 接入點，特別是在機場、體育場、購物中心和辦公室等密集環(huán)境中，這些地方有多達(dá)數(shù)千個用戶連接，移動且具有動態(tài) Wi-Fi 要求，定期在電子郵件、瀏覽、聊天、文件傳輸和視頻會議之間切換。這些接入點通常具有 4x4 MIMO 配置或以上配置。
對于家庭或小型辦公室等較小的環(huán)境，具有 2x2 MIMO 配置的接入點通常就足夠了。據(jù) ABI 稱，2x2 配置占網(wǎng)絡(luò)和接入點 Wi-Fi 芯片組總出貨量的 40% 以上。如果沒有很強的時延要求，從技術(shù)角度來看，Wi-Fi 6或6E就足夠了，但必須考慮WI-FI 7相對于競爭的營銷價值。
EETOP編譯自allaboutcircuits
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