Das alles bietet Wi-Fi 7 – weit mehr als "nur" über 40 Gbit/s

Wi-Fi 7 bietet viele wesentliche neue Leistungsmerkmale wie eine Kanalbandbreite von 320 MHz, 4K QAM, Multi-Link-Betrieb, Multi-Ressource-Units etc. Was heißt das, und was bringt das?

Mit der Öffnung des 6-GHz-Bandes für Wi-Fi-Anwendungen unterstützt Wi-Fi 7 eine maximale Kanalbandbreite von 320 MHz im 6-GHz-Band, während im 5- und 6-GHz-Band eine Kanalbandbreite von 20/40/80/160 MHz und im 2,4-GHz-Band 20/40 MHz unterstützt werden. Allein durch die 320-MHz-Kanalbandbreite verdoppelt sich die maximale Geschwindigkeit von Wi-Fi 7 im Vergleich zu Wi-Fi 6/6E.

Die Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) ist ein gängiges Wi-Fi-Modulationsschema, das gleichzeitig Amplituden- und Phasenschwankungen in einem Träger mischt. Wi-Fi 6 unterstützt bis zu 1024 QAM. In Bild 2 repräsentiert jeder Konstellationspunkt auf der linken Seite 10-Bit-Daten (Symbol). Wi-Fi 7 jedoch unterstützt 4096 QAM, wobei jeder Konstellationspunkt in Bild 2 auf der rechten Seite 12-Bit-Daten repräsentiert (Symbol). Mit anderen Worten: Jeder mit QAM modulierte Punkt in Wi-Fi 7 kann 2 Bit mehr an Informationen übertragen als Wi-Fi 6. Das ist ein Geschwindigkeitszuwachs von 20 Prozent.

Multi-Link Operation (MLO) ist eine wichtige und hilfreiche Funktion bei Wi-Fi 7. Es ermöglicht Geräten, über mehrere Bänder und Kanäle gleichzeitig zu senden und zu empfangen. Die Technik ist ähnlich, aber ausgefeilter und flexibler als die Link-Aggregation- oder Trunking-Funktion kabelgebundener Netzwerke (z. B. Ethernet). Sie schafft eine Bündelung mehrerer Verbindungen (Funkgeräte) in verschiedenen Bändern und Kanälen, um als virtuelle Verbindung zwischen den verbundenen Peers zu arbeiten. Jede Verbindung (Gerät) kann unabhängig und gleichzeitig mit anderen Verbindungen arbeiten oder sich koordinieren, um optimale Gesamtgeschwindigkeiten, Latenzzeiten, Reichweiten (Abdeckung) oder Energieeinsparungen zu erzielen. Wi-Fi 7 MLO ist eine MAC-Layer-Lösung für die gleichzeitige Nutzung mehrerer Verbindungen und ist für die Protokolle und Dienste höherer Layer transparent. MLO kann den Durchsatz, die Verbindungsstabilität, das Roaming und die Latenzzeit verbessern sowie Störungen mindern.

In einem Mesh-Heimnetzwerk, das aus Triband-Mesh-Knoten (6 GHz; 5 GHz; 2,4 GHz) oder Access Points (APs) besteht, kann MLO ein funkbasiertes Hochgeschwindigkeits-Backbone mit niedriger Latenz für das Heimnetzwerk bilden und ein Backhaul für die Geräte bereitstellen, die mit den Mesh-Knoten/APs verbunden sind. Wenn jeder Mesh-Knoten eine gleichzeitige 4x4-Triband-Konfiguration unterstützt, bietet das gesamte Backhaul (Backbone) Geschwindigkeiten von bis zu 21,6 GBit/s. Mit MLO ist auch das Backhaul/Backbone robuster und zuverlässiger. Wenn die 5-GHz-Verbindung durch Radar (DFS) unterbrochen wird, kann der Datenverkehr automatisch auf die 6- und 2,4-GHz-Verbindungen umgeschaltet werden, ohne dass der Dienst unterbrochen oder die Dienstqualität (QoS) beeinträchtigt wird. Im Vergleich zum Wi-Fi-7-MLO-basierten Backhaul verwenden die heutigen Wi-Fi-6-/6E-Mesh-Lösungen eines der 4x4-Funksysteme, um das funkbasierte Backhaul zu bilden, das nur 4,8 Gbit/s bietet. Wird diese Verbindung gestört oder unterbrochen, wird das gesamte Backhaul/Backbone beeinträchtigt oder unterbrochen, was zu einer Verschlechterung oder Unterbrechung der QoS führt.

Wenn Client-Geräte wie Smartphones, Laptops etc., mehrere Funksysteme unterstützen, schafft MLO eine „größere“ Leitung zwischen den Geräten und dem AP für höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenz und mehr Zuverlässigkeit – und verbessert so die Benutzererfahrung für nahtloses Roaming.

Wi-Fi 7 fügt neue Mechanismen zur Zuordnung von Ressourcen (RU; Resource Units) hinzu. Im Vergleich zu Wi-Fi 6, bei dem der AP jeder Station (STA) nur eine einzige RU zuweist, können bei Wi-Fi 7 mehrere RUs (MRU) auf eine STA festgelegt werden. MRUs verbessern die Effizienz der Spektrumnutzung, bieten mehr Flexibilität für die bedarfsgerechte Steuerung der Bandbreite (QoS; Quality of Service) pro STA, verringern Störungen und verbessern die Koexistenz mit etablierten Geräten, die auf demselben Band oder Kanal arbeiten.

Solche MRU-Mechanismen unterstützen den orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (OFDMA) und auch Nicht-OFDMA-Modi (MU-MIMO). Der OFDMA-Modus unterstützt kleine und größere MRUs, um mehr Flexibilität bei der Zuweisung der RU/MRUs zu ermöglichen, ohne die MAC- und Scheduler-Designs zu verkomplizieren. Der Nicht-OFDMA-Modus bietet die größte Flexibilität beim Preamble Puncturing von Unterkanälen.

So können alle 20-MHz-Unterkanäle mit Ausnahme des Hauptkanals oder der 40/80-MHz-Kanäle in einer 320-MHz-Bandbreite punktiert werden. Dies ermöglicht die maximale Ausnutzung des Kanalspektrums, wenn es zu Störungen kommt, und stellt die beste Koexistenz bereit, wenn es ein etabliertes Gerät in einem bestimmten Frequenzbereich des Kanals arbeitet.

Wi-Fi 7 bietet viele neue Funktionen und Verbesserungen. Dazu gehören Preamble Puncturing, Ziel-Weckzeit (TWT) und eingeschränkte TWT (rTWT), mehr Reichweite (MCS 14 und MCS 15) etc. Andere Funktionen wie Multi-AP-Koordinierung (für Beamforming, OFDMA, räumliche Wiederverwendung, gemeinsame Übertragung), 16 räumliche Streams und HARQ usw. werden möglicherweise in Version 2 unterstützt und hier nicht behandelt.

Wi-Fi 7 unterstützt blitzschnelle Geschwindigkeiten: Wi-Fi 7 baut auf seinem Vorgänger Wi-Fi 6 (802.11ax) auf und unterstützt einen extrem hohen Durchsatz (EHT; Extremely High Throughput) bei einer Rohdatenrate von bis zu 46 Gbit/s mit 16 räumlichen Streams, die in den Standardspezifikationen definiert sind. Dies ist viel schneller als 10-GBit/s-Ethernet, das auf Cat-6/6a/7-Kabeln läuft. Die nächstgelegenen Zugangs- und Datenanbindungstechniken sind Thunderbolt 3/4, USB 4 und HDMI 2.1, die eine maximale Rohdatenrate von 40 Gbit/s oder mehr bieten.

Wi-Fi 7 unterstützt eine Kanalbandbreite von 320 MHz; das ist doppelt so viel wie Wi-Fi 6. Wi-Fi 7 verbessert auch die QAM-Granularität von 1024 (1K) auf 4096 (4K), was die Geschwindigkeiten im Vergleich zu Wi-Fi 6/6E oder Wi-Fi 5 Wave 3 um 20 Prozent erhöht. Darüber hinaus verdoppelt Wi-Fi 7 auch die maximale Anzahl der räumlichen (Spatial) Streams, die in gewisser Weise mit der Anzahl der Antennen austauschbar ist, von 8 auf 16. Während Wi-Fi 6/6E also bis zu 9,6 Gbit/s für 8 räumliche Streams unterstützt, sind es bei Wi-Fi 7 bis zu 46 Gbit/s für 16 räumliche Streams: 9,6 Gbit/s x2 (doppelte Bandbreite) x 1,2 (QAM-Verbesserung) x2 (räumliche Streams).

Mit diesen hohen Geschwindigkeiten können Nutzer mit zwei Wi-Fi-Antennen (zwei räumlichen Streams) maximale Multi-GBit/s-Geschwindigkeiten (5,8 Gbit/s) für häufig verwendete Geräte wie Smartphones, Laptops usw. erreichen. Aufgrund strenger Stromverbrauch- oder Formfaktorbeschränkungen können viele Geräte, die eine Antenne verwenden, auch eine Datenrate von bis zu 2,9 Gbit/s unterstützen. Nutzer können mehr als die doppelte Geschwindigkeit erreichen, ohne für zusätzliche Antennen oder höhere Stromrechnungen bezahlen zu müssen, da keine zusätzlichen Leistungsverstärker oder Frontend-Module benötigt werden – ein Paradigmenwechsel für viele zukünftige Anwendungen.

Die Latenzzeit ist ein weiterer wichtiger Parameter für die Dienstqualität (QoS) und das Benutzererlebnis. Sie ist vor allem für Echtzeitanwendungen von entscheidender Bedeutung. Viele Multimedia-Anwendungen wie hochauflösendes Videostreaming in Echtzeit, Virtual Reality, Augmented Reality, Cloud-Gaming und Echtzeit-Programmierung erfordern weniger als 20 ms Latenz. Es ist nicht einfach, eine so niedrige Latenzzeit in einer funkbasierten Umgebung zu erzielen. Die Latenz auf der WAN-Seite, etwa 10 ms oder etwas länger bei Glasfaserzugängen, ist ein Problem bei Cloud-Anwendungen. Das Latenzbudget zwischen dem WAN-Modem und dem Endpunkt-Client stellt eine große Herausforderung dar, um ein optimales Benutzererlebnis zu erzielen. Wi-Fi 6 erreicht eine Latenz von 10 bis 20 ms, und Wi-Fi 6E kann eine niedrigere Latenz in einer viel weniger umstrittenen Umgebung erreichen. Wi-Fi 7 wird dazu beitragen, die Latenz in den Bereich unter 10 ms und schließlich unter 1 ms mit deterministischen Grenzen zu senken, indem verschiedene Vorgaben in den 802.11be-Standards genutzt werden. Zu diesen zählen MLO, TWT und rTWT, verbesserte getriggerte Übertragungen und schließlich integrierte zeitempfindliche Netzwerkfunktionen (TSN; Time-Sensitive Network).

Wie erwähnt, bietet MLO einen dynamischen Mechanismus zum Anpassen der Verbindung zwischen mehreren Links. MLO kann die Übertragungslast auf der Verbindung zwischen zwei Link-Peers (z. B. AP und Client-Gerät) dynamisch ausgleichen – basierend auf Metriken wie der Verbindungsqualität für Leistungsfähigkeit und Robustheit (Load Balancing). Kommt es auf einer der Verbindungen zu Störungen oder zu einem Verbindungsverlust (beispielsweise auf Grund der Reichweite), funktioniert die Verbindung weiterhin auf den verbleibenden Links, und die Übertragung kann nahtlos vom ausgefallenen Link auf die guten Verbindungen umschalten (Fast Failover). MRU/RU und Preamble Puncturing sorgen auch für robustere Verbindungen. Wenn zum Beispiel eine Störung auf bestimmten Unterkanälen oder einem bestimmten Abschnitt des Spektrums des Betriebskanals auftritt, kann der AP die Verwendung dieser gestörten Unterkanäle oder RU/MRUs vermeiden und die Übertragung basierend auf der aktuellen Umgebungssituation und dem Kanalstatus optimieren. Zusätzlich verbessern MCS 14 und 15, die zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) definiert wurden, ebenfalls die Robustheit der Verbindung – sobald sich die Entfernung zwischen den Verbindungspartnern vergrößert.

Bessere Störunterdrückung und Koexistenz

Wi-Fi 6/6E verbessern bereits viele Funktionen zur Störunterdrückung und Koexistenz mit etablierten Geräten zusätzlich zu Wi-Fi 5. Wi-Fi 6 bietet flexiblere Unterkanal-Punktierungsmuster und kann RU im OFDMA-Modus nutzen, um Störungen auf einer granulareren Ebene zu vermeiden, die bis zu 2 MHz reicht (kleinste RU mit 26 Unterträgern). Wi-Fi 6E unterstützt die automatische Frequenzkoordination (AFC) für die Koexistenz mit etablierten Geräten. Wi-Fi 7 mit MRU und höchster Flexibilität der Preamble-Puncturing-Funktionen, die alle möglichen Unterkanal- und hochauflösenden Punktierungsmuster sowohl im OFDMA- als auch im Nicht-OFDMA-Modus (MU-MIMO) unterstützen, bietet eine viel bessere Störunterdrückung mit optimaler QoS für verschiedene Arten von Diensten.

MLO verbessert auch das Benutzererlebnis für nahtloses Roaming. Es bietet integrierte Roaming-Erweiterungsfunktionen, die in den 802.11be-Standards definiert sind. Entfernt sich das Gerät beispielsweise weiter vom AP, behält MLO die Multi-Link-/ML-Verbindung zwischen dem AP und dem Gerät bei und kann automatisch auf dem 2,4-GHz-Band arbeiten, ohne das Band zu wechseln. Umgekehrt kann MLO automatisch und dynamisch auf den 5- und 6-GHz-Bändern arbeiten, wenn sich das Gerät näher am AP befindet, um eine höhere Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die heutigen Wi-Fi-6/6E-APs müssen sich auf Band-Steering- oder Client-Steering-Funktionen auf der Anwendungsebene verlassen, um den Client zwangsweise auf verschiedene Bänder zu lenken. Dies funktioniert nicht immer wie erwartet, da der AP keine Kontrolle über die Client-Geräte hat. Die Client-Geräte entscheiden, ob sie das Band wechseln oder nicht. Außerdem ist die Kompatibilität zwischen Anbietern eine weitere große Herausforderung für nahtloses Roaming.

Im Hinblick auf die Effizienz der Spektrumnutzung bietet Wi-Fi 7 noch bessere Werte als Wi-Fi 6/6E. Die zusätzliche Effizienz basiert auf mehreren Wi-Fi-7-Funktionen: MRU, Preamble Puncturing, MLO, 4096 QAM, zukünftige 16 Spatial Streams und koordinierte Multi-AP-Funktionen wie Beamforming, OFDMA, gemeinsame Übertragung etc.

Höherer Wirkungsgrad und weniger Stromverbrauch bei Wi-Fi 7

Durch die höheren Geschwindigkeiten, die größere Kanalbandbreite von 320 MHz, 4096 QAM und die geringere Latenz liefert Wi-Fi 7 Daten mit viel höherer Energieeffizienz. Wi-Fi 7 baut auf den Stromsparfunktionen von Wi-Fi 6 auf und verbessert diese Funktionen in vielerlei Hinsicht, um eine möglichst optimale Energieeinsparung zu erzielen.

Mit MLO müssen Client-Geräte nicht auf jeden DTIM-Beacon-Frame (Delivery Traffic Indication Map) warten und keine GTK/IGTK/BIGTK-Updates (Group Temporal Key, Integrity Group Temporal Key, Beacon Integrity Group Temporal Key) durchführen. Der Client kann eine Verbindung für DTIM-Beacon-Updates, Datenverkehrsmeldungen und kritische BSS-Updates aufrechterhalten und andere Verbindungen in den Deep Sleep versetzen, ohne regelmäßig für DTIM-Beacon-Updates aufzuwachen.

Zusätzlich zu TWT, der vielversprechendsten Energiesparfunktion bei Wi-Fi 6, unterstützt Wi-Fi 7 die TXOP-Sharing-Funktion (Triggered Transmission Opportunity) zur weiteren Energieeinsparung. Sie ermöglicht einem AP, einen Teil der Zeit innerhalb einer erhaltenen TXOP einem zugehörigen Client-Gerät zur Übertragung zuzuweisen, so dass es in der nächsten Dienstperiode (SP; Service Period) nicht aufwachen muss.

Zudem gibt es auch viele proprietäre dynamisch-adaptive Energiesparfunktionen, die auf realen Anwendungen, dem Echtzeit-Durchsatz und Umgebungsanforderungen (z. B. Temperatur) basieren. Die Halbleiter von Onsemi unterstützen auch diese Funktionen.

In den letzten Jahren haben Wi-Fi-Sensoranwendungen wie Bewegungserkennung, Positionierung (insbesondere in Innenräumen) auf der Grundlage von Wi-Fi-Kanalstatusinformationen (CSI; Channel State Information) und FTM/RTT (Fine Time Measurement/Round Trip Time ) großes Interesse bei Dienstanbietern und Endnutzern geweckt. Wi-Fi-Kanäle sind störanfällig, sehr dynamisch und frequenzselektiv, und eine gestörte CSI kann die Genauigkeit der Bewegungserkennung erheblich verschlechtern. Durch die Kanalbandbreite von 320 MHz unterstützt Wi-Fi 7 wesentlich umfangreichere CSI-Daten für bis zu 3984 Unterkanäle, was die Genauigkeit bei der Bewegungserkennung verbessert. Da bei einer 320-MHz-Übertragung so viele CSI-Daten erfasst werden können, lassen sich ausreichend große Teile der nicht-gestörten CSI auswählen und für die Bewegungserkennung nutzen, während störbehaftete CSI-Daten vermieden werden.

Mit zwei- oder vierfachem Oversampling und Upsampling können RTT-Zeitstempel und Messgenauigkeit bei 320-MHz-Signalen im der Sub-Nanosekunden-Bereich liegen. Wi-Fi 7 unterstützt also eine Genauigkeit von weniger als einem Meter (30 cm) für die Entfernungsmessung und die Positionierung in Innenräumen, was viele interessante neue Wi-Fi-Sensoranwendungen ermöglichen wird. (av)