多路鏈結/多重資源單位/多AP協同　Wi-Fi 7三大技術創新搶先看

距今約兩年半前的2020年1月，Wi-Fi聯盟(WiFi Alliance)正式宣布開放6GHz(5,925MHz~7,125MHz)，並給予了一個新的名稱Wi-Fi 6E，同年四月美國聯邦通訊委員會(FCC)通過了開放6GHz頻譜為非授權頻段(Unlicensed)並允許給Wi-Fi使用，Wi-Fi正式地邁入了「三頻」的時代，除了Wi-Fi 6與前代Wi-Fi所使用的2.4GHz與5GHz頻段，Wi-Fi 6E也能在6GHz的頻段下運作。

2021年中旬，市面上一些主流的Wi-Fi設備商開始量產，並銷售Wi-Fi 6E的產品。從2022年開始，Wi-Fi 6E儼然成為市場上的主流規格，無論是歐美運營商的標案以及高規格家用Wi-Fi網路設備，如家用路由器、網狀網路(Mesh)、無線訊號延伸器，甚至於高階筆記型電腦等都將Wi-Fi 6E列入基本規格。正當大家正摩拳擦掌準備迎接Wi-Fi 6E盛世到來的時刻，Wi-Fi 7卻以迅雷不及掩耳速度占領大部分Wi-Fi產業與技術相關版面，為什麼Wi-Fi 7會引起大多數人的注意呢？Wi-Fi 7相對於之前的Wi-Fi 技術有哪些新的技術革新？目前的進度如何？本文將會針對這些問題探討。

什麼是Wi-Fi 7？

每一代新的Wi-Fi技術必須由IEEE與Wi-Fi Alliance共同來定義其技術規格、認證測試計畫與認證執行服務。從圖1了解IEEE官方公布的時間表，Wi-Fi 7規範正式發表的日期預計會落在2024年的第二季左右，也就是說，最快要2024年才會有正式拿到Wi-Fi 7認證的Wi-Fi網路設備在市場上問世。

在本文討論Wi-Fi 7之前，首先先來回顧一下歷代Wi-Fi規格的演進與技術亮點。在2018年年底，Wi-Fi Alliance為了簡化複雜的Wi-Fi標準命名，於是正式將原有的802.11ax改名為Wi-Fi 6，同時溯及既往，將既有的802.11ac改為Wi-Fi 5，802.11n則改名為Wi-Fi 4(圖2)。

到了2020年，Wi-Fi 6E緊接在Wi-Fi 6後問世，Wi-Fi 6E開放了6GHz的頻段給Wi-Fi使用，從此Wi-Fi正式進入到真三頻(2.4GHz/5GHz/6GHz Tri-Band Architecture)，如圖3所示。 

Wi-Fi標準目前停留在Wi-Fi 6E，IEEE與Wi-Fi Alliance科學家、學者與成員們正如火如荼討論，並提出Wi-Fi 7相關的技術規範與MRD(Marketing Requirements Document)。根據Wi-Fi Alliance最新會議紀錄，MRD文件已在2022年的3月分正式被WFA所批准，而IEEE的工作小組也會在2022年3月發表最新IEEE P802.11be/D2.0的標準草案文件。

Wi-Fi 7所依照的IEEE規範為「802.11be-ETH(Extremely High Throughput)」，對比Wi-Fi 4的HT(High Throughput)、Wi-Fi 5的VHT(Very High Throughput)、與其後Wi-Fi 6的HE(High Efficiency)，Wi-Fi 7顧名思義地將Wi-Fi的吞吐量更往上推進。

如以上所述，Wi-Fi 7的完整規格與新的技術雖然還尚未完全底定，但是其中幾個核心的關鍵技術已被某些Wi-Fi主晶片廠商與業界的規格領先者與制定者所背書。表1列出了從Wi-Fi 4到Wi-Fi 7標準的演進與關鍵技術及差異，目前4096-QAM調變方式、頻段擴充到320MHz與16×16 MU-MIMO為三個優先被IEEE與WFA所承認的新規格。

關於Wi-Fi 7的規格、新技術與新功能從IEEE、Wi-Fi Alliance、Wi-Fi NOW等與Wi-Fi新技術與運用相關的官方機構所釋放出來的訊息，加上近來坊間媒體與設備商的積極討論與推測，愈來愈多Wi-Fi 7的新技術漸漸浮出檯面，表2列出了幾個目前討論度與可信度最高且具有關鍵作用的新技術。 Wi-Fi 7延續了之前Wi-Fi 6的精神，希望能透過一些新的技術來提升網路傳輸的吞吐量與增進Wi-Fi網路的效率，Wi-Fi從一開始被發明出來就知道它不是一種高效率的架構，尤其在多用戶、高密度的網路環境下更會突顯出Wi-Fi網路的缺點，如Wi-Fi工作頻段的干擾(Interference of ISM Bands)，因多工分時切換延遲所產生的Time Out(Handshaking Time Out)、上行(Up-Link)與下行(Down-Link)的吞吐量不同步(Asymptomatic Throughput of Up-Link and Down-Link)等，加上Wi-Fi所使用的無線頻段是「免費」的，因此Wi-Fi技術本身所造成的頻段資源浪費與低效率與行動通訊所使用的3G、LTE與5G技術相比，確實有一大段差距。這也是為什麼IEEE與WFA從Wi-Fi 6開始決定將LTE的關鍵技術，如OFDMA、Resource Unit、MU-MIMO導入到Wi-Fi；同時，這也是之前提到Wi-Fi 6在IEEE的規範命名為HE的由來。

為了讓Wi-Fi網路傳輸更有效率，Wi-Fi 7開發了很多創新的新功能，其中最關鍵、最令人期待與最多人討論的為：多路鏈結運作(Multi-Link Operation, MLO)、多重資源單位(Multi-Resource Unit, MRU)與多AP協同運作(Multi-AP Operation)。

MLO

MLO的主要目的就是讓Wi-Fi裝置能透過不同的頻段(2.4GHz/5GHz/6GHz Bands)與頻道(Channels)同時傳送並接收資料，而且可以根據當時的流量狀況與需要來做負載平衡(Load Balance)或是資料的匯流(Data Aggregation)，由於所有的工作都是可以跨頻段與頻道，因此大大地提升了整個網路系統的傳輸速度並降低了多用戶同時連線傳輸所產生的延遲現象。

目前市面上所使用的Wi-Fi技術可以允許一個Wi-Fi裝置利用2.4GHz、5GHz或6GHz的頻段來傳輸資料，但是在同一個時間內只能使用一種頻段，切換不同的頻段需要一定的切換時間，因此會對網路系統造成延遲，對於一些對於延遲相對敏感的應用如無線VR裝置、即時的多人高解析度線上連線遊戲、元宇宙等，如何降低延遲時間即為一個急須解決的課題。對此，Wi-Fi 7的MLO技術為這個問題找到了解決方案，圖4說明Wi-Fi 7 MLO可以透過不同的頻段同時傳輸。

如以上所述，MLO可以提升吞吐量與降低延遲，從Wi-Fi 7 MLO2×2 BW160 + 2×2 BW320)與Wi-Fi 6 SL(2×2 BW160)比較中了解，在圖5可以看出支援Wi-Fi 7 MLO的Station相對於單一鏈路連結的Station提升了接近三倍的吞吐量；以及，圖6顯示出在40%至70%的網路負載條件下，Wi-Fi 7 MLO的Station對比於支援單一鏈路連結的Wi-Fi 6 Station降低了約80%的延遲。

MLO有幾種不同的運作模式，從英特爾(Intel)所公布的文件資料(圖7)，列出了四種典型的MLO種類，根據其布建的難易複雜度與效能分別為MLSR、eMLSR、Non-STR MLMR與STR MLMR，其文件結論為，支援愈多路無線訊號且同時運作的MLO模式，對於吞吐量或是延遲方面的性能提升效能就愈大；但是，天下沒有白吃的午餐，愈複雜的MLO，其對硬體的要求與軟體演算法程式的複雜程度也愈高。

另一家Wi-Fi晶片供應商聯發科技(MediaTek)提出了一個名為Hybrid eMLSR的MLO架構，eMSLR的原理是將三個不同頻段連結(2.4GHz、5GHz、6GHz)透過2個Radio來傳輸，其中一個Radio只傳輸2.4GHz並設定為STR模式；而另一個Radio則設定在eMSLR模式並在5GHz與6GHz頻段傳輸，Hybrid eMLSR實現比標準eMLSR更好的效能，若同時混合不同頻寬單路傳輸，對於整體網路系統的延遲與吞吐量效能提升更有幫助，關於eMLSR與STR之間的效能比較請參考圖8與圖9。

MRU

為了實現更快的吞吐量與傳輸效率，Wi-Fi 6採取了的OFDMA的調變技術，它將無線射頻頻道的資源分成一個一個小的時頻資源單位，這個資源單位也就是所謂的RU(Resource Unit)，每一個RU包含了多個子載波(Sub-Carrier)，Wi-Fi 6將子載波間距從312.5kHz縮小為78.125kHz，增加了子載波可用數量，而256個子載波組成一個最小的RU-26資源單位，Wi-Fi 6傳輸時，不同數量的子載波用資源單位RU整合分類，並且在同時間內，將不同的資源單位RU分配給不同的用戶，達到同時間服務更多用戶的目的。

RU主要的目的是能在人潮眾多或是在高密度的環境下，能同一時間支援更多使用者，進而提升Wi-Fi傳輸的吞吐量與降低延遲。搭配不同的頻寬，RU資源單位大小與數量也可彈性調整，例如頻寬20MHz時可以有9個RU-26(9個使用者)或者1個RU-242(1個使用者)，或是在80MHz的頻寬下，可以有4個RU-106(4個使用者)加上2個RU-242(2個使用者)，共6(4+2)個使用者同時傳輸。RU-242以下的RU被定義為小資源單位，大於或等於RU-242以上的RU被定義為大資源單位，大資源單位RU可提高使用者傳輸速度使其加快完成資料傳輸；而小資源單位RU可在有限的頻寬內提供更多的使用者，在用戶密集的場所可有效減少訊號傳不出去所造成的使用者不良感受。表3列出了不同頻寬下所有RU組合。

Wi-Fi 7基於OFDMA的RU，提出了一個稱為MRU(Multiple RU)的新機制來支援802.11be-EHT的實體層規範。Wi-Fi 7所提出的MRU與Wi-Fi 6的RU不同的地方在於，Wi-Fi 6的RU分配上，一個節點只能被分配一個RU，而且不能夠跨RU分配，而在Wi-Fi 7的MRU，一個節點可以被允許分配到多個RU。

MRU的另一個好處就是能減低干擾對可用頻道的影響並加強了OFDMA的效率，Preamble Puncturing的技術在Wi-Fi 6被引進，但在Wi-Fi 7中配合MRU的特性，讓Preamble Puncturing 的工作機制更加的靈活，在Wi-Fi 6的架構下，做完Preamble Puncturing之後，其RU還是需要通過OFDMA的機制來分配給「多個」用戶，也就是說，在單一用戶的使用場景下Preamble Puncturing是無法發揮功用的，透過MRU，在做完Preamble Puncturing後的RU可以全部分配給一個使用者，而且即使在不連續的頻譜(Non-Continuous Spectrum)下，一樣可以執行Preamble Puncturing。

圖10顯示Wi-Fi 7的MRU能讓RU將訊號干擾所造成的可用頻道損耗從75%降到25%，這也是為什麼支援MRU功能的Wi-Fi 7 Station相對於Wi-Fi 6的Station在多使用者與高密度的網路環境下能夠提升3倍頻道頻寬的可用性。

除了提升頻寬的可用性外，支援MRU功能的Wi-Fi 7 AP對於降低多用戶同時傳輸的使用場景所造成的延遲有顯著的提升。

舉個例子，假設4個用戶要求同時傳輸不同長度的資料，用戶1到用戶4所要傳輸的原始資料長度分別為2:2:3:1，基於Wi-Fi 5 AP的架構，在SU(Single User)的多工傳輸方式下，總共需要451us才能傳輸完4個用戶的所有資料；在Wi-Fi 6的架構下，OFDMA-RU提供了效率較高的傳輸方式，由於沒有支援MRU，所以需要分兩次來傳輸，第一次傳輸的資料長度為1:1:1:1(RU-484 ton for each user)，第二次傳輸為1:1:2:0(RU-484 tone for user 1 and user 2; RU-996 tone for user 3)，總共需要406us才能傳輸完4個用戶的所有資料。在Wi-Fi 7的架構下，MRU提供了效率最高的傳輸方式，藉由不同RU尺寸的互相組合與之前提到的Preamble Puncturing，只需要302us便可完成所有用戶的傳輸。

圖11為在不同Wi-Fi規範下基於4個使用者同時傳輸時點對點(End-to-End)的延遲比較，支援MRU的Wi-Fi 7 AP能用更有效率的方式來分配RU進而縮短點對點之間的延遲時間，與Wi-Fi 5比較，能降低33%的延遲；與Wi-Fi 6比較，能降低25%的延遲。

Multi-AP Operation

多AP協同運作(Multi-AP Operation或是Multi-AP Coordination)跟之前所提的MLO、MRU一樣都是Wi-Fi 7將採納的新技術，其實類似Multi-AP Operation的技術早在Wi-Fi 5就已經出現，並且取了一個淺顯易懂的名字Wi-Fi Mesh，當時的Wi-Fi Mesh的技術主要都是由晶片廠商提供，如Qualcomm的Wi-Fi SON，Broadcom SmartMesh，因此無可避免地會遇到相容性的問題，後來Wi-Fi Alliance定義了EasyMesh的標準規範，將Mesh協定標準化以解決Mesh相容性的問題。

Wi-Fi Mesh只是Multi-AP Operation的前身，如上一段文章所提到，之前的Wi-Fi Mesh大多是Wi-Fi晶片供應商自行定義且開發的特殊功能，如網狀網路控制器與代理人(Mesh Controller and Agents)、Wi-Fi智慧漫遊(Wi-Fi Smart Roaming)等，在現今的802.11通訊框架(802.11 Protocol Framework)對於AP與AP之間的協同運作方式並沒有太多著墨，在Wi-Fi 7，IEEE特別提出了Multi-AP Operation的規範，對各個AP之間的頻道選擇與負載調整進行優化來達到最高效的使用率，並讓Wi-Fi無線資源能被公平且平衡地分配。

Wi-Fi 7的多AP協同運作最重要的關鍵技術就是AP之間的協同行程安排(Coordinated Scheduling)，它必須同時考慮到時間與頻度的維度，還有細胞間干擾抑制協調(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC)與MIMO的分發等條件。AP與AP之間互相干擾愈降低，則通訊的品質與無線訊號的可用度也就愈高。

Multi-AP Operation有以下幾種方式布建方式，分別為C-OFDMA(Coordinated Orthogonal Frequency Division Multiple Access)、CSR(Coordinated Spatial Reuse)、C-CDMA(Coordinated Collision Division Multiple Access)、CBF(Coordinated Beamforming) 以及JXT(Joint Transmission)，如圖12。

Wi-Fi設備廠商可以根據不同的Wi-Fi網路架構與配置來決定Multi-AP Coordination的方式，以上所提到的五種Multi-AP Coordination布建方式，分成由媒體接入層驅動(MAC-Driven)(圖13)或是由實體層驅動(PHY-Driven)(圖14)兩種技術。由PHY Driven的Coordination Method比較容易實現，技術門檻也比較低，由MAC Driven的Coordination Method技術上比較複雜且需要投入較高的建置成本，但是效果也相對顯著。

根據著名市調機構Yole的預測(圖15)，從2024開始Wi-Fi 7會開始在市場出貨，到2026年，Wi-Fi 6E的市場占比會正式超越Wi-Fi 6成為Wi-Fi主流的規格，Wi-Fi 7的比例也會從2024年的3%提升到8%，隨著Wi-Fi技術的進步與創新，愈來愈多新奇的、充滿想像的應用也將實現真正的無線化，如Facebook的元宇宙(Meta Universe)運用、4K/8K高解析度無線顯示螢幕，即時互動的高解析線上遊戲，與動作視覺同步機器手臂、機器人，高解析度無線監控系統，AI高速資料傳輸與分析等，可能就是這些新應用的驅使帶動下，讓近幾年Wi-Fi 技術的變革比之來得更快。回想2019年Wi-Fi 6問世到2024年Wi-Fi 7標準正式發布也不過5年不到的時間，相比於從Wi-Fi 4升級到Wi-Fi 5(2009~2014)與Wi-Fi 5升級到Wi-Fi 6(2014~2019)所花費的時間都來得快。

Wi-Fi 6E已在2021年開始出貨，在2024年Wi-Fi 7標準正式發布之前，Wi-Fi 6E勢必成為未來2年的Wi-Fi裝置的主流規格，我們已經走在Wi-Fi 6E的道路上了，離Wi-Fi 7還會遠嗎？

(本文作者為Qorvo高級行銷經理)