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优化WLAN效能 实现Wi-Fi 7高速无线传输
更高的速度和频宽

【作者: 王岫晨】2024年01月30日 星期二

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WLAN是用於数据通讯的无线技术,使用乙太网路透过区域网路传送。这项技术最初由电池供电的装置(如笔记型电脑)率先采用,而後随着智慧型手机应用的出现和成长而快速扩展。


WLAN发展历史

当1997年发布规范WLAN技术的第一版(IEEE 802.11)标准时,该技术仅支援2.4GHz频段,最大传输速度为2Mbps。在1999年发布IEEE 802.11b标准(支援2.4GHz频段,最大传输速度11Mbps)和802.11a标准(支援5GHz频段,最大传输速度54Mbps)後,也正式开启了5GHz频段的应用。尽管後续在5GHz频段中进行了扩展,但在可用频谱资源上并没有显着的变化。而在大约20年後,WLAN首次增加新的频段分配。



图一 : 2026年的Wi-Fi技术采用比重(source:Aruba)
图一 : 2026年的Wi-Fi技术采用比重(source:Aruba)

2.4/5GHz频段的挑战

当WLAN刚出现之际,支援这项技术的装置数量并不多,由於数据流量也很小,因此在频率限制方面并无太大问题。然而,随着智慧手机用量的爆炸式增加与发展,以及新的视讯串流分布式服务成长,提高了对於WLAN通讯的需求,也带来了重大变化。


为了满足不断成长的需求,WLAN技术持续发展,并结合了更宽的通道频宽、高阶调变以及空间多工。然而,对於快速成长的WLAN通讯而言,所能使用的频宽在20年来几??没有太大的改变,因此,WLAN分配到的频谱资源变得很拥挤,至今仍难以实现稳定的高速数据通讯。这样的情况遇到了疫情所引起的工作型态改变,例如远端工作和线上学习等,带来新的通讯需求,更进一步加剧了这些难题。


2.4与5GHz频段的问题在於固定频率范围难以满足需求,2.4GHz频段开放80MHz,5GHz频段开放500MHz,共计580MHz的最大频宽,具体还得取决於雷达的使用情况。


由於2.4GHz频段允许其他无线设备免授权使用,例如微波炉、蓝牙、ZigBee以及特别是各种低功率装置,但在短距离范围内同时使用可能引起通讯干扰问题。而近年来不只是因为WLAN装置快速成长,蓝牙(真无线蓝牙耳机和智慧音箱)等装置也迅速增加,因而造成了严重的壅塞。


5GHz频段优先将500MHz频宽中的320MHz优先用於气象雷达和船舰雷达,而WLAN则仅在不至於干扰到这些服务的条件下才获授权使用。不支援动态频率选择(DFS)功能的装置,在侦测到雷达波时会自动切换WLAN频率,使其只能使用最多约180MHz的频宽通讯,而且有些装置仅支援这一频谱,但并不需要DFS功能。


802.11ax(Wi-Fi 6/6E)

WLAN技术作为基础设施的重要性,即使在5G物联网时代也未曾改变。同时,WLAN标准也在持续发展中,以协助实现下一代应用,包括AR/VR和高解析视讯串流应用。世界各地正相继推出Wi-Fi 6E,许多国家或地区也已经为免授权频段发布了6GHz频谱,藉由大幅增加使用高达1200MHz频宽的通道数量,以更快的速度提供更好的连接性。


Wi-Fi 6/6E除了实现高效率,还支援更低延迟、减少干扰、更大容量以及更高可靠性。此外,在提高安全性方面也取得了重大进展。下一代的Wi-Fi 7更增加了频率使用效率等功能,同时提高整体传输效率,用以实现超高传输效率。


802.11be(Wi-Fi 7)

IEEE 802.11be(Wi-Fi 7)标准的问世,目的在实现比之前802.11ax更快速度和更大容量的无线通讯。Wi-Fi 7延续支援802.11ax的6GHz频段,通道宽度扩展至320MHz,并将使用4096 QAM(正交振幅调变)和16个空间串流。Wi-Fi 7由於提供超过30Gbps的高数据传输效率和低延迟,将成为支援4K以上更高解析视讯串流、AR和VR等新应用和服务的关键技术。


为了实现极高的数据吞吐量,IEEE 802.11be标准支援高达4096QAM和320MHz频宽。这意味着支援该标准的设备需要更高的调变准确度(EVM),以及在320MHz频宽上均匀分布的功率。Wi-Fi 7能支援至少30Gbps的最大传输效率。为了实现这一目标,将增加更宽通道、更高调变机制和多重连接模式等新功能的支援。


6GHz频段的挑战

FCC开放6GHz频段作为未授权频段,解决了2.4/5GHz频段的许多问题。


●支援达1.2GHz的较宽频段,解决拥塞问题


●最终落实以160MHz通道进行操作


●支援仅由IEEE 802.11ax装置配置的高速、高效率网路


●支援以最新WPA3技术保护的安全网路


尽管6GHz频段具有许多明显的优势。然而到现在,这一频段还无法自由地用作WLAN资源,因为先前已将优先权分配给获授权的系统了。为了确保高可靠性的通讯而不至於对其他服务造成干扰等问题,支援6GHz频段的装置必须内建自动频率协调(Automated Frequency Coordination;AFC)功能,以便限制发射(Tx)功率和抑制干扰。


由於允许的可用频率、Tx功率和功率密度根据装置的用途和位置不同而有差异,因此,开发6GHz频段的WLAN产品必须依据其产品分类,充份评估产品是否符合规定。


6GHz频段先前一直用於无线通讯,但只有特定的通讯业务才能获得授权,而且无线产品的数量也受到限制。大多数装置在移动中无法进行通讯,但由於使用在两个固定点之间进行通讯,因此无线设备较大且使用稳定的电源。此外,该配对通讯装置之一虽使用了部份频谱,但并未占用整个1200MHz频段。


测试解决方案

WLAN标准具有许多已定义的调变和编码方案(MCS),需要确保在MCS、通道频宽和其他操作条件下多种组合的效能。由於IEEE 802.11be标准引入了扩展通道频宽、4096 QAM和Multi-RU,因此工程师需要评估额外的测试模式。


此外,他们还被要求检查与传统802.11的向後相容性。随着802.11标准的新版本推出,设备供应商一直在面临的挑战是更换测试设备,其导致了高额的资本投资。


IEEE 802.11be测试解决方案必须能支援320MHz通道的频宽。以安立知的无线连接测试仪MT8862A为例,便支援了测试通道频宽达320MHz的802.11be设备之RF TRx特性。客户只需添加所需选项即可升级现有的MT8862A,以最少成本就可以支援802.11be的测试。此外,MT8862A使工程师能够使用数值结果和频谱图来验证平坦性能,其可根据数值结果以及直观的射频特性来进行通过与失败评估。


MT8862A也可透过远端指令实现自动化测试,全面支援IEEE 802.11be以及先前的802.11标准,实现一台仪器对多种标准的支援。自动化使得设定每个802.11标准的MCS叁数和频宽,以及IEEE 802.11be multi-RU叁数变得更加容易。这在处理因新技术而引入的复杂组合时非常有用,有助於优化所需的测试资源和开发成本。


结语


图二 : Wi-Fi 7将调制方案改进为4096QAM(source:MSI)
图二 : Wi-Fi 7将调制方案改进为4096QAM(source:MSI)

Wi-Fi 7的主要特点是更高的速度和频宽。透过更广泛的频谱范围和更复杂的调制技术,Wi-Fi 7能够提供比当前标准更快的数据传输速率,实现更快速的下载和上传速度。


而Wi-Fi 7的测试挑战不仅在於评估其技术性能,还在於确保实际应用中的可靠性、安全性和相容性。透过全面的测试和评估,可以确保Wi-Fi 7能够有效地应对未来无线通信的需求和挑战。


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