Wi-Fi 7 vs. Wi-Fi 6 (Del 1)

Abstrakt:

Vad är skillnaderna mellan Wi-Fi 7 och Wi-Fi 6? Vad är Wi-Fi 7? Wi-Fi 7 är nästa generations Wi-Fi-standard som släpps av Wi-Fi Alliance, även känd som IEEE 802.11be. Den ger mycket högre hastighet och lägre latens jämfört med Wi-Fi 6. Den första delen utvecklar hur Wi-Fi 7-hastigheten på 23,06 Gbps beräknas. Den utforskar också de fem viktigaste faktorerna som påverkar Wi-Fi 7-hastigheten och de tre nyckelteknologierna som bidrar till dess förbättringar.

Villkor

WiFi7, vanligen kallat Wi-Fi 7 i nätverksterminologi, är namnet på IEEE 802.11be.

WiFi6, vanligtvis kallat Wi-Fi 6 i nätverksterminologi, är namnet på IEEE 802.11ax.

IEEE 802.11be-standarden förväntas uppnå "en maximal genomströmning på minst 30 Gbps" och "förbättra värsta tänkbara latens och jitter". Dessa mål är utformade för att förbättra dataöverföringshastigheten och minska latensen.

Den här artikeln kommer att delas upp i två delar, med fokus på kärnteknologierna för Wi-Fi 7. Den första delen kommer i första hand att diskutera de tekniska funktionerna som används för att förbättra hastigheten.

Grundläggande begrepp för Wi-Fi 7

Det fysiska överföringsmediet för Wi-Fi-kommunikation är elektromagnetiska vågor. De elektromagnetiska vågorna som används för Wi-Fi-kommunikation är i allmänhet uppdelade i tre frekvensband: 2,4 GHz, 5 GHz och 6 GHz.

Varje frekvensband är vidare uppdelat i mindre kanaler.

Med 2,4 GHz-frekvensbandet som ett exempel, sträcker det sig från 2,401 GHz till 2,483 GHz och är uppdelat i 13 kanaler. Det är värt att notera att även om det finns totalt 14 kanaler i 2,4 GHz-bandet, är bara de första 13 kanalerna tillgängliga i många länder.

Kanalbandbredden, även kallad frekvensbredden, är skillnadsvärdet mellan maximala och lägsta frekvenser för en kanal, vilket indikerar frekvensområdet som täcks av en specifik kanal.

I frekvensbandet 2,4G har varje kanal en bandbredd på 22 MHz. Det är dock vanligt att nämna en kanalbandbredd på 20 MHz. Detta beror på att 2 MHz är allokerat som ett skyddsband som används för att separera intilliggande kanaler men inte används för dataöverföring.

Kanaler är vidare uppdelade i underbärvågor (toner). Till exempel är en 20 MHz-kanal uppdelad i 256 toner, med 78,125 KHz avstånd. Bland dessa toner används några för att överföra hanteringsramar, vilket lämnar 234 toner för dataöverföring, som är kända som giltiga underbärare. Ton är den minsta enheten i frekvensdomänen för trådlös kommunikation.

Symbol är överföringsenheten i tidsdomänen för trådlös kommunikation.

Rate hänvisar till mängden information som sänds mellan accesspunkten (AP) och stationen (STA) per tidsenhet. Hastigheten mäts vanligtvis i bitar per sekund (bps).

Kärntekniker för Wi-Fi 7 för hastighetsförbättring

2.1 Kodningsschema: 4096-kvadratureamplitudmodulering (QAM)

Kodningsschemat är moduleringstekniken som använder olika kombinationer av amplituder, faser eller frekvenser för radiovågor för att representera datainformation. Kodningsschemat bestämmer antalet bitar som kan bäras i en symbol.

Den högsta ordningens modulering som stöds av Wi-Fi 6 är 1024-QAM, vilket gör att varje moduleringssymbol kan bära upp till 10 bitar. För att ytterligare öka hastigheten använder Wi-Fi 7 4096-QAM, vilket gör att varje moduleringssymbol kan bära 12 bitar. Kodningsförmågan för Wi-Fi 7 är 1,2 gånger högre än för Wi-Fi 6, vilket ger högre informationstäthet.

Analogi: Wi-Fi-kommunikation kan jämföras med en expressleveranstjänst där varor transporteras mellan AP:er och STA:er med skåpbilar. Kanaler och toner är som körfält med olika bredd. En symbol indikerar en skåpbil medan datainformationen representerar godset som ska transporteras. Varje skåpbil i Wi-Fi 6 kan leverera 10-bitars data, medan i Wi-Fi 7 ökar mängden till 12 bitar per skåpbil. Därför är informationskapaciteten per skåpbil i Wi-Fi 7 1,2 gånger högre än för Wi-Fi 6.

2.2 Kodningshastighet: 5/6

Under faktisk överföring används inte alla 12-bitars data för en enda symbol för dataöverföring. Vissa bitar allokeras för felkorrigering, för att rätta till potentiella fel. Kodningshastigheten avser förhållandet mellan den faktiskt överförda datakoden och det teoretiska värdet, exklusive felkorrigeringskoden.

För både Wi-Fi 6 med 1024-QAM och Wi-Fi 7 med 4096-QAM förblir den maximala kodningshastigheten på 5/6. När det gäller kodningshastighet finns det ingen förbättring i Wi-Fi 7.

Analogi: Leveransbilen kan inte staplas med varor, med lite utrymme kvar för hanteringen. Både Wi-Fi 7 och Wi-Fi 6 har samma kodningshastighet på 5/6.

2.3 Maximal kanalbandbredd: 320 MHz

I vissa länder stöder Wi-Fi 6 två frekvensband: 2,4 GHz och 5 GHz. 5 GHz-bandet kan ytterligare delas in i 5,2 GHz (lågfrekvens) och 5,8 GHz (högfrekvent) band.

Vid trådlös överföring är baskanalens bandbredd 20 MHz. 2,4 GHz-bandet stöder tre icke-överlappande 20 MHz-kanaler (se figur 2), medan 5,2 GHz-bandet stöder åtta icke-överlappande kanaler och 5,8 GHz-bandet stöder fem icke-överlappande kanaler. Totalt stöder Wi-Fi 6 16 icke-överlappande 20 MHz-kanaler.

För att öka överföringshastigheten är ett direkt tillvägagångssätt att öka kanalbandbredden. Kanalbindningstekniken möjliggör kombinationen av flera sammanhängande kanaler till en kanal med större bandbredd.

Genom kanalbindningstekniken kan två 20 MHz-kanaler sammanfogas till en 40 MHz-kanal medan två 40 MHz-kanaler kan kombineras till en 80 MHz-kanal. I Wi-Fi 6 kan två sammanhängande 80 MHz-kanaler sammanfogas till en enda 160 MHz-kanal, vilket uppnår maximal bindningskapacitet.

I Wi-Fi 7 är 6 GHz-bandet tillgängligt, vilket ger ett stort antal sammanhängande kanaler med lägre störningar och högre kanalkvalitet. Detta är lämpligt för kanalbindning. Wi-Fi 7 gör att två 160 MHz-kanaler kan sammanfogas till en enda 320 MHz-kanal.

En 20 MHz-kanal innehåller 234 giltiga underbärvågor (se grundläggande begrepp för Wi-Fi 7). En 160 MHz-kanal innehåller 1 960 giltiga underbärvågor medan en 320 MHz-kanal innehåller 3 920 giltiga underbärvågor.

För att uppnå maximal Wi-Fi-hastighet måste data överföras på den maximala kanalen. I Wi-Fi 6 kan upp till 1 960 giltiga underbärare sändas i en enda instans. Wi-Fi 7 tillåter överföring av upp till 3 920 giltiga underbärare i en enda instans, vilket fördubblar antalet giltiga underbärare per överföring jämfört med Wi-Fi 6.

Analogi: Låt oss föreställa oss att 160 MHz- och 320 MHz-kanalerna representerar två motorvägar. Wi-Fi 6 gör att upp till 1 960 skåpbilar kan köra sida vid sida samtidigt på 160 MHz motorvägen, medan Wi-Fi 7 tillåter maximalt 3 920 skåpbilar att köra samtidigt på 320 MHz motorvägen.

2.4 Symbolöverföringstid: 13,6 μs

Kodningsschemat, kodningshastigheten och antalet giltiga underbärvågar som nämns i föregående del fokuserar på det rumsliga perspektivet (frekvensdomänen). Men vågöverföring involverar också ett tidsperspektiv som kallas tidsdomänen.

Symbol är överföringsenheten i tidsdomänen. För att undvika störningar mellan två intilliggande symboler under sändning ställs ett skyddsintervall (GI) in mellan varandra. GI är i mikrosekunder (μs). 1 sekund (s) = 1000000 mikrosekunder (μs).

Total symbolsändningstid = Sändningstid för enstaka symboler + GI

Sändningstiden för en enskild symbol för både Wi-Fi 6 och Wi-Fi 7 förblir oförändrad på 12,8 μs. När GI är satt till 0,8μs, 1000000/(12,8 + 0,8) = 73 529, vilket indikerar att 73 529 symboler kan sändas per sekund.

Wi-Fi 7 ger samma symbolöverföringskapacitet som Wi-Fi 6.

Analogi: Ta skåpbilar som exempel. Varje rad med skåpbilar är aktiv inom en symbol. På en bunden 320 MHz-kanal med Wi-Fi 7 finns det 3 920 skåpbilar som kan köras sida vid sida en varje rad, och totalt 73 529 rader som kan vara aktiva inom en sekund.

2.5 Antal rumsliga strömmar: 8x8 MIMO

I både Wi-Fi 6 och Wi-Fi 7 används Multi-User Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO)-teknik. Denna teknik använder flera antenner för att samtidigt sända och ta emot flera dataströmmar mellan AP och STA, vilket ökar den trådlösa överföringshastigheten. Varje oberoende dataström hänvisas till som en rumslig ström och sänds och tas emot genom olika antenner.

Wi-Fi 6 stöder upp till åtta rumsliga strömmar, vilket indikerar att en AP samtidigt kan kommunicera med åtta externa mottagare som inte nödvändigtvis är åtta STA. De kan vara åtta mottagande ändar av tre STA. Den föregående mängden data kan sändas över en rumslig ström per sekund. Med åtta rumsliga strömmar överförs data åtta gånger samtidigt.

I branschen och onlinediskussioner om MU-MIMO-tekniken för Wi-Fi 7 är ett utbrett påstående att Wi-Fi 7 ökar antalet rumsliga strömmar från 8 till 16. Men enligt det senaste utkastet 3.1 av IEEE 802.11 vara standard släppt av Wi-Fi 7 Working Group of the Wi-Fi Alliance 2023, Wi-Fi 7 stöder upp till åtta rumsliga strömmar. Antalet rumsliga strömmar är oförändrat jämfört med Wi-Fi 6.

Analogi: I likhet med körfält på en motorväg, är en spatial ström likvärdig med en bana från AP till STA. Wi-Fi 7 tillhandahåller åtta rumsliga strömmar, vilket indikerar åtta körfält där skåpbilarna kan transportera mer trafik. I det här scenariot finns det en AP och en eller flera STA. Den maximala dataöverföringskapaciteten för en AP som är kompatibel med IEEE 802.11be kan beräknas.

2.6 Wi-Fi 7 rate Beräkningsformel

Denna Wi-Fi 7-hastighet bestäms av följande faktorer:

Rate = Kodningsschema x Kodningshastighet x Antal giltiga underbärvågor på den maximala kanalen x 1/(Symbol + GI) x Antal rumsliga strömmar

= 12 x 5/ 6 x 3920 x 73529 x 8

= 23,06 Gbps

Därför:

     Den teoretiska topphastigheten för Wi-Fi 7 kan nå upp till 23,06 Gbps.
     Jämfört med den teoretiska topphastigheten för Wi-Fi 6 vid 9,6 Gbps, är den teoretiska topphastigheten för Wi-Fi 7 2,4 gånger den för Wi-Fi 6.
     Med hjälp av flera banbrytande teknologier ger Wi-Fi 7 en högre dataöverföringshastighet.

Sammanfattning

Wi-Fi 7 vs. Wi-Fi 6: Här är vad du behöver veta (Del 1) förklarar vad Wi-Fi 7 är och undersöker tekniken för Wi-Fi 7 för att öka hastigheten. Den teoretiska topphastigheten för Wi-Fi 7 förväntas vara upp till 2,4 gånger den för Wi-Fi 6. Det kan tillskrivas framsteg i kodningsschemat, antalet giltiga underbärvågor på den maximala kanalen och antalet rumsliga strömmar. Del 2 kommer att undersöka andra nyckelfunktioner i Wi-Fi 7.