Wi-Fi 8：开启极高可靠性 (UHR) 连接的新纪元

英国作家狄更斯在《双城记》的开头写道：“这是最好的时代，也是最坏的时代。”

这句话若套用在现今Wi-Fi 的市场现状，何尝不是惊人的相似？

怎么说呢？Wi-Fi 从被发明至今已经经过了20多年的迭代，在2019年，Wi-Fi 6凭借着MU-MIMO、1024QAM、OFDMA等“革命性创新”技术，大幅提升了Wi-Fi 本身的能效，让Wi-Fi 6在短短的3-4年内成为Wi-Fi 技术的主流标准。2021年，Wi-Fi 6E 横空出世，凭借6GHz 频带的独特优势，使Wi-Fi 正式迈入真三频 (Real Tri-Band) 共存的通信技术时代。2024年，科学家们再次凭借着4096QAM、Multi-Link Operation (MLO)、Multi-Resource Unit (MRU)、320MHz Bandwidth等突破性创新技术，将Wi-Fi 的吞吐量与传输效率提升至前所未有的高度。然而Wi-Fi 的发展并未就此止步，它一直都在持续不断地演进和进步。

据了解，市场上主流的Wi-Fi 解决方案芯片厂商与制定Wi-Fi 通信、测试规则与标准 (Regulations) 的机构已着手进行Wi-Fi 8 相关技术功能的制定讨论与研究。Wi-Fi 7的下一代自然就是Wi-Fi 8，正如市面上智能手机的命名逻辑一样，Wi-Fi 8顺理成章地接续Wi-Fi 7。回归正题，为何现在就开始启动Wi-Fi 8的项目研究？原因在于，Wi-Fi 7的技术已经正式落地，芯片与解决方案的提供商以及电信服务的运营商也已开始布局并逐渐完善Wi-Fi 7的生态系统。厂商们希望借此势头，延续Wi-Fi 6所带来的成功，推动Wi-Fi 7成为新一代Wi-Fi 通信技术的主流！

然而，就笔者目前所观察到的市场状况而言，并未呈现出之前所描绘的乐观态势。正如文章开头所述，当前对于Wi-Fi 而言是一个颇为棘手的时期，因为Wi-Fi 7 本身存在的一些问题，比如6GHz 频段并未在全球范围内开放使用，Wi-Fi 7 本身设备的制造与部署成本也高于Wi-Fi 6，还有Wi-Fi 7 所带来的“刚性需求”与“不可取代性”并不明显，这导致我们在市场上看到的Wi-Fi 7的发展动力与速度并未达到Wi-Fi 6曾经的强劲水平。尽管如此，对于Wi-Fi 而言，现在同样也是一个充满机遇的时代。得益于科技创新与自我调整的能力，“校正回归”的速度也日益加快。因此，现在就对Wi-Fi 7持悲观态度或许为时过早，而现在开始讨论Wi-Fi 8也并不会显得太突兀。

首先，我们来回顾一下Wi-Fi 目前的市场规模。根据Wi-Fi Alliance 所发布的统计资料显示（如图1所示），截至2024年，Wi-Fi 所贡献的：

•经济产值为 4.3万亿美元

•带有Wi-Fi功能的设备年度出货为41亿台

•带有Wi-Fi功能的设备共累积出货459亿台

•共有211亿台Wi-Fi 设备正在运行使用

•共出货了2.69亿台使用Wi-Fi 7的设备

•共出货了8.07亿台支持6GHz频段的Wi-Fi 设备

•共出货了1.7亿台支持6GHz频段的Wi-Fi 接入点（AP）

图1. Wi-Fi 的经济规模与出货量统计（图片来源https://www.wi-fi.org）

以下是对Wi-Fi 历史演进的梳理过程。

表1 呈现了Wi-Fi 技术的演变历程及各代技术之间的差异，其中包含了对Wi-Fi 8在IEEE规范中的正式标准文件名称以及最高吞吐量的预估。在无线频段方面，Wi-Fi 8将继续沿用2.4GHz、5GHz与6GHz。关于标准正式发布的年份，业界目前预估为2028年，但真正的标准制定完成日期仍需以IEEE 与Wi-Fi Alliance 工作小组的进度为准。

图2展示了IEEE正在进行的802.11bn (Wi-Fi 8) 标准化工作的时间表。图中提及的“UHR”是指UHR Study Group (简称UHR SG) ，该小组成立于2022 年7 月，旨在讨论关于UHR项目授权请求 (UHR Project Authorization Request)。在成立研究小组后，需要有一个工作小组 (Task Group) 来落实并执行相关的规范制定。UHR 工作小组 (简称 TGbn) 于2023年11月成立，将持续致力于推动802.11bn的标准化进程，直至符合Wi-Fi 8标准且通过完整认证的产品问世。

表1. Wi-Fi 技术的演进

图2. IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) 与802.11bn (Wi-Fi 8) 标准化工作的时间表（图片来源：arxiv.org）

回顾表1，我们可以清晰地看到，在Wi-Fi 的技术演进过程中，“吞吐量”是最直接且显著改善的方面。而在表2，即IEEE 802.11规范所定义的传输向量格式 (Transmission Vector Format）中，可看到Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6的传输向量格式名称分别被命名为“高吞吐量模式” (HT; High Throughput)、“超高吞吐量模式” (VHT; Very High Throughput) 以及“极高吞吐量模式” (EHT; Extreme High Throughput)。Wi-Fi 6因为采用了OFDMA、MU-MIMO与TWT等技术，解决了Wi-Fi 本身传输效率低与延迟的痛点，于是在定义传输向量格式名称时特别取名为HE (HE，High Efficiency)。而到了Wi-Fi 7，得益于4096QAM、320MHz 带宽等技术的加持，吞吐量再次得到了显著提升，因此才被赋予了“极高吞吐量” (EHT，Extreme High Throughput) 这一简洁明了且易于理解的名称。

在Wi-Fi 8阶段，IEEE将802.11bn的传输向量格式的名称定义为“极高可靠性模式” (Ultra High Reliability)。从这一名称的字面意义来看，可以推断出Wi-Fi 8所追求的目标已不再单纯是更高的吞吐量、更大的传输带宽 (Bandwidth) 或是更多“新的频段”，因此4096QAM、320MHz 带宽与6GHz 等技术会在Wi-Fi 8的规范中继续沿用。

表2. IEEE 802.11规范所定义的传输向量格式

那么，Wi-Fi 8究竟蕴含了多少新的科技与创新理念？这些新技术与理念又能解决哪些问题呢？在开始探讨Wi-Fi 8之前，让我们先回顾一下Wi-Fi 7的两项关键技术：多链路操作（MLO）与多资源单元（MRU）。

MLO (Multi-Link Operation，多链路操作)

多链路操作（MLO)技术的主要目标，是使Wi-Fi 设备能够通过利用不同的频段 (2.4GHz/5GHz/6GHz Bands) 与频道 (Channels) 同时进行数据的发送与接收，而且可以根据当前的网络流量状况与需求，灵活的进行负载均衡 (load balance) 或是数据聚合 (Data Aggregation)。由于所有操作均可跨频段与频道进行，因此显著提升了整个网络系统的数据传输速度，并有效降低了多用户同时在线传输时所产生的延迟问题。图3展示了Wi-Fi 7中 MLO技术如何通过不同频段实现同时传输的功能。

图3. 搭载MLO技术的Wi-Fi 7 与 Wi-Fi 6的对比（图片来源：MediaTek）

MRU (Multiple Resource Unit，多资源单元)

Wi-Fi 7在基于正交频分多址（OFDMA）的资源单元（RU）基础上，提出了多资源单元 (MRU) 的概念。与Wi-Fi 6中的RU分配方式相比，Wi-Fi 7所提出的MRU具有显著的不同。在Wi-Fi 6中，一个节点只能被分配一个RU，而且不能跨RU进行分配。而在Wi-Fi 7中，一个节点可以被允许分配到多个RU，从而实现了更灵活的资源分配方式。

MRU 的另一个优势在于，它能够降低干扰对可用频道的影响，并进一步提升OFDMA的效率。前导码打孔（Preamble Puncturing）技术在Wi-Fi 6中已被引入，而在Wi-Fi 7 中，该技术结合MRU的特性，使其工作机制变得更加灵活。在Wi-Fi 6的架构下，执行前导码打孔后，其RU仍需通过OFDMA机制分配给“多个”用户，这意味着在单一用户的使用场景下，前导码打孔无法发挥其优势。然而通过MRU，执行前导码打孔后的RU可以全部分配给一个用户，并且即使在不连续的频谱 (non-continuous spectrum) 环境下，也能够执行前导码打孔操作。

图4 展示了Wi-Fi 7中MRU的显著效果，其能让RU将信号干扰所导致的可用频道损耗从75%降低至25%。正因如此，相较于Wi-Fi 6站点（Station），支持MRU功能的Wi-Fi 7 站点（Station）在多用户与高密度网络环境下，能够将信道带宽的可用性提升3倍之多。此外，MRU功能不仅提高了带宽的可用性，还支持Wi-Fi 7 AP在多用户同时传输的场景下显著降低延迟。

图4. MRU提升Wi-Fi 站点信道带宽的可用性（图片来源：MediaTek）

今年二月，台湾无线通信解决方案供应商暨通讯芯片领军企业联发科技 (MediaTek) 发布了关于其Filogic ™ 芯片与Wi-Fi 8 相关技术的白皮书。该白皮书中提及了几项创新技术，包括NPCA、IDC、HIP EDCA以及TXOP Preemption，旨在实现更稳定、更高效的Wi-Fi 连接，以实现之前所提出的UHR SG所追求的极高可靠性目标。读者也可通过MediaTek 的Wi-Fi 8 Filogic ™ 白皮书，深入了解实现UHR所需的关键技术。

在深入探讨每项新技术背后的原理之前，首先来揭示这些技术可解决的问题以及它们为Wi-Fi 系统带来的益处。表3列出了MediaTek Wi-Fi 8 Filogic ™中用于提升传输效率并改善延迟的关键技术。

表3. MediaTek Wi-Fi 8 Filogic ™提升传输效率与改善延迟的关键技术

NPCA (Non-Primary Channel Access，非主信道访问)

接下来通过MediaTek的技术白皮书中所举的一个例子来阐释非主信道访问（NPCA）的概念。在一个Wi-Fi Mesh 网络环境中，存在三个APs，它们分别采用不同的信道与带宽设置，以满足三个具有不同网络需求用户的连接需求，如图5所示。

图5. 多个AP同时在同一主信道下运行（图片来源：MediaTek）

三个AP均以5G 低频段作为主要信道。其中，使用者Lila使用的是信道38，带宽为40MHz；而使用者Rose则使用的是信道50，带宽为160MHz。根据理论计算， Lila所能达到的最高吞吐量仅为Rose的四分之一。在这种网络架构下，Lila 注定要经历更长的等待时间，同时也会减少其他两名对网络带宽有较高需求用户的传输时间。

在多接入点协调（Multi-AP Coordination） 或是Mesh 网络环境中，同信道干扰（CCI）是一个普遍存在的问题，尤其是当多个用户与设备都使用同一个信道进行连接时，CCI问题就会变得尤为严重。如图6所示，NPCA 机制为AP和 Station提供了一种应对CCI干扰的有效方法。当它们受到CCI干扰时，可以通过协商，将原先的非主要信道指定为双方的主要信道进行传输，从而避开同信道干扰，提高网络传输效率与吞吐量。

图6. 窄频CCI发生时AP与Station会切换到NPCA的主信道作封包侦测（图片来源：MediaTek）

IDC (In-Device Coexistence，设备内共存)

除了Wi-Fi，我们生活周边同时运行的无线设备数量日益增多，尤其是蓝牙设备，它与Wi-Fi 一样均在2.4GHz的频率上运行。尽管蓝牙与Wi-Fi 的调制方式存在差异，但在某些使用场景与连线环境下，两者之间仍然可能互相干扰或降低连线质量。传统的解决方式是让蓝牙设备在Wi-Fi不进行数据传输时发射信号，以避免干扰，然而这种被动的避让方式会增加系统延迟，而且在多Wi-Fi 与蓝牙设备共存的环境中，延迟和干扰会愈发严重。

Wi-Fi 8的IDC机制通过初始控制帧（ICF）、初始控制响应（ICR）与控制响应帧（CFR）等信令交互，在AP与Non-AP (客户端，Client) 之间进行“协调沟通”，以实现所谓的并存 (Coexistence)。

图7展示了IDC的控制机制，AP与Non-AP Station (Client) 利用ICF/ICR/CFR等信令交互，获取传输与接收的详细信息，包括最高调制方式（Maximum modulation）、编码方案Coding Scheme (MCS)、可用的最多大空间流数 (Spatial Streams)、速率控制（Rate Control）等参数。

图7. IDC 控制信号交换与顺序机制（图片来源：MediaTek）

TXOP Preemption

为了确保较高优先级的数据包能被优先传输，TXOP Preemption机制能允许非当前TXOP持有者 (Holders) 暂时中断正在进行的传输过程，以便于传输更紧急的数据。这类似于在常规道路交通中，交警临时开辟一条专用通道以供救护车先行通过，等救护车通过后，再恢复成原先的道路状况。

TXOP的抢占机制适用于以下两种场景：

当AP (TXOP Holder) 正在进行下行传输机会 (DL TXOP) 时，仅允许Wi-Fi 站点 (Responder) 发出上行传输机会 (UL TXOP) 的抢占请求。

当AP正在进行上行传输机会 (UL TXOP) 时，仅允许Wi-Fi 站点 (Responders) 发出下行传输机会 (DL TXOP) 或另一个上行传输机会 (UL TXOP) 的抢占请求。

图8. 两种TXOP Preemption 的使用场景（图片来源：MediaTek）

Hi-Priority EDCA (HIP EDCA)

在Wi-Fi 网络架构中，每个终端设备的每一个将被传输或接收的数据都会在特定时间点进行调度。通过优先级排序和相应算法，大多数数据传输能够在规定时间内顺利完成。然而，随着网络环境的日渐复杂以及越来越多具有低延迟需求跟高优先级的数据流等待处理，Wi-Fi 面临着越来越大的挑战。所以为了实现Wi-Fi 8所追求的“极高可靠性”的目标，必须采用更先进的解决方案来应对这一问题，HIP EDCA便是Wi-Fi 8中提出的一项关键技术。

在Wi-Fi网络架构中，音频数据包通常被赋予最高的传输优先级。然而正如上文提到的，当两个或更多设备在同一个时间点尝试传输音频数据封包时，可能会导致所有设备在随机的时间点暂停所有数据包的传输，直至高优先级的音频数据包得以重新传输。因此，这种状况可能会让网络的使用者产生不良的网络使用体验，如语音通话断断续续、数据传输停滞或是传输失败等问题。

现有的增强型分布式信道接入（EDCA）机制通过提供一个较小的退避竞争窗口（backoff contention window），确保Wi-Fi 的终端设备在传输AC3 或是AC-VO (Voice) 数据包时，相较于其他访问类别（Access Categories） 的数据时，具有更高的传输优先级。然而，当遇到上述所描述的状况时，那该如何解决？图9展示了HIP EDCA 的数据包交换机制。根据MediaTek的技术白皮书所述，MediaTek提出了一种实现HIP EDCA的机制，该机制利用现有的 RTS frame、固定数据速率（fixed data rate ）与重新设置 EDCA的参数来实现，详细的做法如下所示：

重新使用具有固定数据速率的non-HT 格式作为高优先级的RTS。

将EDCA参数重新配置为AIFSN = 2、CWmin= 0和CWmax = 7，进而传输高优先级的RTS。

通过这些操作，高优先级的AC在与其他AC竞争信道访问权时，能够持续获得优先权。同时，当发送RTS的站点遇到冲突时，可以在EIFS周期内重传RTS，因为在此期间暂时退避 (backoff) 的Wi-Fi 终端不会占用信道资源。

图9. HIP EDCA的数据包交换顺序与机制（图片来源：MediaTek）

MediaTek所发表的技术白皮书对Wi-Fi 8的若干关键技术进行了详细的阐述与说明。除了白皮书与本文所提到的新技术外，还有部分新技术正由标准制定机构与业界进行激烈讨论，并计划纳入Wi-Fi 8的规范之中，以下将对此进行整理和介绍：

dRU (Distributed RU，分布式资源单位)

前文已对RU与MRU的原理及功能进行了回顾。在Wi-Fi 8规范中，定义了“分布式资源单位”（dRU）来进一步提升MRU的效率。dRU的原理在于，通过动态调整资源单位的大小和分配策略，以适应不同网络使用场景下的需求。当网络负载较轻时，dRU可以分配更多资源给用户，进而提升网络传输速度；而在网络负载较重时，dRU则会减少资源单位的分配，以确保网络的稳定性与公平性。dRU是专为6GHz频段的低功率室内 (LPI，Low Power Indoor) 设备而设计的，其对于上行 OFDMA的效率有显著的提升，并能增进整体网络的传输性能。

Co-SR (Coordinated Spatial Reuse；协调空间复用)

Wi-Fi 6的一项核心功能就是MIMO (Multi-Input Multi-Output)技术，该技术通过多个空间流同时传输数据，进而大幅提升了网络的吞吐量。在Wi-Fi 6环境中，若有一个AP以最大功率进行传输，其他AP就必须相应地降低其本身的功率以避免干扰，但这种做法会影响整个Wi-Fi 网络的稳定性与可靠性。但在 Co-SR的机制下，就可以协调AP彼此之间的发射功率，使得MIMO传输得以进行，从而提高总体的吞吐量。

Co-BF (Coordinated Beamforming；协调波束成形)

波束成形（Beamforming）对于Wi-Fi而言已不算是新的技术。在Wi-Fi 8的研究中，研究小组提出了“协调式”波束成形的方案，该方案允许同一个空间内的多个AP互相协调，进而确定哪些终端设备需要接受信号，而哪些则不需要，并据此决定波束成形的时机与发射对象。这一功能在网状网络 (Mesh Network) 与 多AP协调（Multiple AP Coordinate ）的使用场景中非常有用，能够有效避免传输干扰，并增强Wi-Fi信号的覆盖范围。

Co-TWT (Coordinated Target Wake-up Time，协调目标唤醒时间)

Wi-Fi 7制定了限制目标唤醒时间 (Restricted TWT) 机制，旨在节省电力并减少不必要的周期性唤醒。而在Wi-Fi 8中，将Wi-Fi 7的“限制”目标唤醒时间升级成“协调”目标唤醒时间。该功能允许Wi-Fi AP与Wi-Fi 终端设备之间协调传输延迟敏感流量的具体时间，从而显著降低物联网设备的电能消耗。同时，它还能最大限度地减少与非延迟敏感流量之间的争用冲突，进而降低延迟并提高传输的可预测性。

目前关于Wi-Fi 8的规范与标准制定尚处于讨论阶段，甚至连IEEE 802.11bn规范的第一版初稿都尚未公布。本文所涉及的关于Wi-Fi 8的新技术资料，均是基于业界权威专家与台湾通讯芯片领军企业联发科技所发表的研究报告进行整理与介绍。文中所涵盖的内容并非详尽无遗，其中也加了作者的主观看法与评论。

如本文开头所述，相对于前几代的Wi-Fi技术，新一代Wi-Fi 已不再是一味地追求更高的传输速度、更大的带宽、更多的频段或是更高的调制方式。反而是注重提升网络效率与可靠性。很多技术与功能都在强调“协调” (coordinate) 与“沟通” (negotiate)。也许真正让Wi-Fi 升级的最终手段并不是一味地增加资源，而协同合作才是最终的解决方案。至少我们在Wi-Fi 8中看到的就是如此。

Wi-Fi 8 的极高可靠性为Wi-Fi技术开辟了更多的高级应用领域与广阔的未来发展前景，如远程实时高清转播、自动驾驶、远程遥控、工业级智能网络与高速AI运算等。若问及Wi-Fi 8对于芯片与系统开发商而言是不是一个很大的挑战，我个人认为答案是肯定的。若要实现Wi-Fi 8的极高可靠性，在硬件方面必须强化PHY与MAC层的能力。同时，主芯片本身的数字处理速度与运算能力也需提升至新的高度，以确保拥有足够的资源来处理复杂且繁琐的信息沟通与协调工作。

Wi-Fi 8为下一代的通信连接技术奠定了更为坚实的基础，并将为未来面临的更严苛的应用场景提供更强而有力的支持，让我们共同拭目以待！