wifi 7 (11be ) 理论速率

2. Wi-Fi速率影响因素

WiFi速率究竟有多快,和很多方面有关,这一节从Wi-Fi标准来计算WiFi的理论速率。无线速度峰值是五个因子的乘积:空间流数量,每码元开销,编码方式,码率和信道带宽(有效子载波数量),计算公式如下:

2.1 空间流数量

空间流其实就是 AP 的天线,空间流越多,在发射器和接收器处便需要越多的天线、射频连接器以及射频电路来处理,这提高了芯片设计难度。空间流越多, 整机吞吐量也越大,就像高速公路的车道一样, 8车道一定会比 4 车道运输量更大。

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2.2 Symbol 与 GI
Symbol就是时域上的传输信号,相邻的两个Symbol之间需要有一定的空隙GI,以避免 Symbol 之间的干扰。802.11ac的symbol时间是3.2uS,仅有 400 ns 或 800 ns 两种可选保护间隔。而802.11 ax和802.11 be的symbol时间是12.8uS,有三种可选保护间隔(0.8、 1.6 或 3.2 μs)。从数学角度来看,Ts/(GI+Ts) 比率决定了峰值时域效率,对于 11ac 来说,这一结果高达 3.2 μs/(3.2 μs + 0.4us) 或 88.9%,而使用 802.11ax或者802.11be 时,可以达到 12.8/(12.8+0.8)= 94% 的效率,效率更高,同时具有更高的多路径可靠性。

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2.3 编码方式
编码方式就是调制技术, 即 1 个 Symbol 里面能承载的 bit 数量。Wi-Fi 每次调制技术的升级, 都能给单空间流速率带来一定的提升。

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Wi-Fi 6 采用最高 1024-QAM 调制,每个符号承载 10bit 信息;Wi-Fi 7 将采用最高 4096-QAM 调制,每个符号承载 12bit 信息, 因此相对于 Wi-Fi 6 来说, Wi-Fi 7的信息承载量会提升 20%。4096QAM调制对芯片设计来说,带来了很大挑战,比如射频电路各种非理想因素,时钟噪声等。

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2.4 码率
理论上应该是按照编码方式无损传输, 但现实没有这么美好。传输时需要加入一些用于纠错的信息码,用冗余换取高可靠度。码率就是排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。

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2.5有效子载波数量
载波类似于频域上的 Symbol,一个子载波承载一个 Symbol, 不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样,和带宽以及每个子载波的带宽相关。对于Wi-Fi 7,最大支持带宽320MHz,子载波数量达到惊人的4*980=3920个。大带宽对射频电路设计也极具有挑战性。

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3. Wi-Fi速率理论计算

通过第二节,可以计算Wi-Fi速率,利用到的公式再写一遍:

下面前三个表格是单空间流计算出的速率,分别为Wi-Fi 5/6/7。第四张表比较了近几代Wi-Fi最高理论速率,主要是空间流数量/MIMO数的提升,对最高理论速率提升比较明显。

  • Wi-Fi 5 / 802.11ac, GI=0.4uS,单空间流

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  • Wi-Fi 6 / 802.11ax, GI=0.8uS,单空间流

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  • Wi-Fi 7 / 802.11be, GI=0.8uS,单空间流

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  • Wi-Fi 最高理论速率对比

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4. 小米万兆路由器的“万兆”计算

正如一开头所说,小米发布的路由器达到万兆,那么这个万兆是如何得到的,下表是整理出的路由器参数:

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支持3个频段2.4GHz, 5.8GHz和5.2GHz,每个频段都支持4*4MIMO, 因此在速率上得到极大的提升,另外全都支持到WIFI7的4K QAM调制,参数中已经标明了理论最高速率,通过前面章节,来计算下这些理论速率,3个频段的速率差异主要来自于带宽上的差异,带宽越大,子载波数越多,支持的速率越高,三个频段速率相加,达到10.024Gbps,即万兆,想要达到这么高的速率,需要3个频段同时工作,并需要支持4*4MIMO,因此天线数量需要3*4=12个,这路由器参数表中也标明了。

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5. 总结

每一代的Wi-Fi升级,都带来更大的速率提升,不过对于芯片设计来说,带来的挑战也是巨大的,Wi-Fi 7悄然而至,几个大厂都已经蓄势待发,大陆的芯片厂商,也希望尽早突破。

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