應援高速低延遲多點連接　Wi-Fi 7撐起元宇宙/AIoT

近十數年來，由於雲端運算、伺服器、物聯網(IoT)的整合應用發展快速，使得元宇宙(Metaverse)的技術發展出現相當多的應用方向。元宇宙有許多的別稱，另一個比較符合其技術應用的別稱即為虛擬空間(Virtual Space)，元宇宙又被稱為虛擬空間主因也是因為應用了虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、人工智慧(AI)、物聯網、伺服器、邊緣運算等。

元宇宙/AIoT成趨勢

元宇宙的技術應用目前發展軸向是應用在建構出社群/社交連結的三維(3D)虛擬世界所構成的虛擬網路，並以VR/AR穿戴裝置作為介面讓人們進入虛擬空間，目前可應用發展的領域有電腦遊戲、工業自動化、智慧醫療、機器視覺、教育、人工智慧、數位分身(Digital Twins)、虛擬工廠、虛擬協作和虛擬辦公。

另一方面，物聯網就是能夠將設備、行動裝置、汽車連線至網際網路的設施等各種裝置，以Wi-Fi或是行動網路(例如4G、5G)連結起來，並且也結合了感測器來與其他設備進行資料傳送與接收。物聯網主要涵蓋了三個處理程序：

・擷取資訊

透過感測器，任何的物聯網設備能夠取得所處環境中的環境資訊，例如應力、溫度、濕度、壓力、粉塵、照度等環境資訊。

・雲端處理

物聯網設備會根據所取得的環境資訊以網路傳輸到雲端系統，不論是私有雲端或是公共雲端系統的伺服器共享資訊。

・資料分析與處理

雲端伺服器或是本地邊緣設備根據取得的環境資訊進行運算、分析、處理、示警。

物聯網之所以能夠將數個裝置、感測器、電器、設備連接在一起成為一個大型的物聯網體系，並能廣泛的應用在工業自動化、智慧家庭、智慧醫療領域，主要是依靠Wi-Fi存取技術，Wi-Fi比藍牙(Bluetooth)有更高的頻寬將大量的資訊在這些互聯的裝置與系統中傳遞，並能透過網際網路將資料傳送到遠端設備。

而隨著互聯網的裝置數量成長，所產生的資料量增加也相當驚人，這些資料甚至被用在作為大數據(Big Data)預測使用。

人工智慧應用在物聯網上，成為AIoT，主要目的是讓物聯網蒐集到的大量資料能夠在無人力干預的情況下被用來分析、學習、預測、做出決策，因此可以說物聯網結合了人工智慧才能創造出具有智慧裝置相連結的網路。

AIoT可應用在智慧家庭、建築自動化、工業自動化、自動駕駛車、智慧醫療、智慧城市、農業、機器人、建築自動化等相關領域，對於趨勢預測以及遠端智慧醫療也帶來了相當大的發展潛力。

從上述的討論可以發現，元宇宙以及AIoT的發展關鍵除了行動通訊(5G)做為局端與本地端之間的大量資料傳輸之外，最重要的關鍵是本地端的裝置與設備間的寬頻數據傳輸，意指在本地區域網內需要有相當高速的無線數據傳輸技術，因此Wi-Fi 7的寬頻、低延遲、更多的MIMO使用者數量、更複雜的調變技術能力，都是元宇宙以及AIoT的應用中所需要的，因此Wi-Fi 7的技術將能使得元宇宙及AIoT的發展更加快速，應用也將更多元。如圖1為AIoT應用Wi-Fi 7技術的示意圖。

Wi-Fi 7是什麼?

無線傳輸技術日新月異，不論是Zigbee、Bluetooth還是Wi-Fi，每項技術隨著時間的演進逐步提升技術標準與能力，使得無線技術能跟上使用者需求的增加及應用技術/平台的規格標準。

Wi-Fi技術標準由Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)訂立，而Wi-Fi Alliance將不同傳輸速率的無線傳輸規格正式更名為Wi-Fi再加一個數字，以代替IEEE 802.11x的技術規範名稱。舉例而言：IEEE 802.11a為Wi-Fi 1、IEEE 802.11b為Wi-Fi 2、IEEE 802.11g即為Wi-Fi 3、IEEE 802.11n為Wi-Fi 4、IEEE 802.11ac為Wi-Fi 5、IEEE 802.11ax為Wi-Fi 6。 Wi-Fi 6與Wi-Fi 7之間有一個過渡的規範稱為Wi-Fi 6E(IEEE 802.11ax)，Wi-Fi 6與Wi-Fi 6E這兩者之間的主要差異是Wi-Fi 6和其他的Wi-Fi 4、Wi-Fi 5、Wi-Fi 6裝置共享2.4G/5G頻段的頻譜，而Wi-Fi 6E則是可以額外使用第三頻帶即6GHz頻段來傳輸資料。亦即Wi-Fi 6E能使用2.4G/5G/6G等三個頻帶的通道，而Wi-Fi 6卻只能使用2.4G/5G這兩個頻帶。Wi-Fi 6E使用6GHz頻段最多可以擁有額外的七個160MHz的通道，反觀Wi-Fi 6沒辦法使用6GHz頻段來傳輸，所以最多只能擁有兩個160MHz通道。

目前最新的應用技術/平台相當熱門的是AR、VR、AI智慧醫療、元宇宙、AIoT，這些技術在本地端需要連接許多裝置與設備，且資料傳輸量需求相當大，因此需要的無線傳輸技術必須擁有大頻寬、低延遲、抗干擾能力強、有效應用頻譜資源的多重鏈結(Multi-Link)技術、相同編碼率(Code Rate)下有更高的資料速率(Data Rate)、允許更多的使用者同時存取且能避免干擾。在這種要求下，傳輸速率比Wi-Fi 6E高了四倍以上的Wi-Fi 7便應運而生，Wi-Fi 7又被稱為IEEE 802.11be。

Wi-Fi Alliance於2021年5月推出802.11be草案，之後Wi-Fi 7的規格便奠基於此進行修改與增刪，IEEE 802.11be最終確定的規格尚未完全定義完成，因為目前只是草案階段，尚須經過幾次修改，正式的版本會在2024年發布。目前依據WiFi Alliance的Wi-Fi 7規範發布進程，規範依照兩個Release發布，在2021年發布Release 1的第一版草案，即Draft 1.0，預計在2022年底發布。而Release 2則是在2022年初開始啟動，最終Wi-Fi 7規格的正式版本預計於2024年底發布。

Wi-Fi 7的特點

就原理而言，Wi-Fi 7理論上可以達到每個存取點30Gbps的頻寬，並且理論最高資料率可達46.4Gbps，這樣的網速為Wi-Fi 6的理論最高網速9.6Gbps的4.8倍，因此Wi-Fi 7相當適合在低傳遞延遲、大頻寬、抗干擾、多裝置多重鏈結需求的元宇宙及AIoT的應用當中發揮其技術優勢。Wi-Fi 7有如下特點：

三頻操作

Wi-Fi 7與Wi-Fi 6E一樣都能夠在2.4GHz、5GHz、6GHz這三個頻段進行資料收發，這意謂著Wi-Fi 7能夠比只支援Wi-Fi 6的裝置設備環境可以再額外使用新增的七個160MHz的通道，亦即在當地法規允許下，能再使用額外約1,200MHz的頻寬，更多的使用通道能減少多個使用者搶頻寬的情況發生。

由於目前並不是所有國家或地區都允許6GHz頻段可供無線區域網使用，但因為Wi-Fi 6E的普及率及使用率不斷的增加下，市場與趨勢會促使這些國家與地區逐漸朝向開放，因此同樣可操作在三頻的Wi-Fi 7將可奠基在Wi-Fi 6E的基礎上發揮其三頻操作的優勢，也可因應AIoT及元宇宙連接裝置的增加而擴增的頻寬需求。

高階調變4096QAM

Wi-Fi 6E原本設計的調變可達1024QAM，但是Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)更進一步將其調變階數增加為4094QAM，這將使得星座圖的每個符號(Symbol)密度增加，直接促使資料率提升20%。資料率提升的代價是發射器(Transmitter)的調變技術須提升且EVM的要求比Wi-Fi 6E相比需要提升3dB，即-38dB。

320MHz通道頻寬

由於Wi-Fi 7能夠使用6GHz頻段來傳送接收資料，所以IEEE 802.11be規範能夠使用320MHz的通道頻寬(160M+160M)，與使用160MHz的通道頻寬(例如IEEE 802.11ax)相比之下，320MHz的通道頻寬能夠使得PHY層資料率也增加一倍。

值得注意的是，6GHz頻段目前可以支援六個正交的320MHz頻寬的通道以及三個非正交的通道，對於元宇宙的多裝置連結AR及VR所必要的大通道容量與大資料流量具有相當顯著的助力。如圖2為各種不同通道頻寬的示意圖。

多重鏈結

多重鏈結是指透過共用的MAC層以及單獨的實體層(PHY Layer)，使得Wi-Fi 7能夠把多個不同頻段的不同通道組合在一起，讓使用者能夠利用這種組合式的通道進行傳送與接收。

這種多重鏈結技術可以讓所有可用頻譜得到最高的使用效率，實現所有可用頻譜資源的高效利用，因此這種技術能夠動態地運用所有可用頻段或是能夠以此技術閃避高干擾通道，此稱為多鏈結運行(MLO)，這種高效的運用頻譜資源能夠提高可靠性、降低延遲、增加輸送量。

可由圖3了解多重鏈結技術方塊圖。

16×16 MIMO

Wi-Fi 7目前的規範可以達到16條空間流(16 Stream)，相較於Wi-Fi 6E最多8條空間流來說，Wi-Fi 7的空間流是Wi-Fi 6E的兩倍，所以資料傳輸量也是兩倍，同時也能支援上行鏈路與下行鏈路的多使用者MU-MIMO。

各晶片廠Wi-Fi 7晶片布局

目前市場上網通三雄MTK、Qualcomm、Broadcom都推出各自開發的Wi-Fi 7晶片。首先是聯發科技(MTK)於2022年1月發表了全球第一個Wi-Fi 7 demo，透過Wi-Fi 7特有的4096 QAM及320MHz通道頻寬可以讓最大傳輸率達到30Gbps，預計完整的產品將於2023年上市。

其次是高通(Qualcomm)在2022年2月底3月初推出全球首款Wi-Fi 7晶片FastConnect 7800，該晶片實現Wi-Fi 7所有特點，包含三頻操作、4096 QAM、320MHz通道頻寬、MLO、16×16 MIMO，並能運作於2.4G/5G/6G三頻段，在2022年下半年已投入商用產品開發。

再者，博通(Broadcom)於2022年4月發表了該集團首款Wi-Fi 7晶片BCM4916，並且布局了企業級產品晶片BCM43740、BCM73720。此外還對於消費性產品推出了兩個解決方案BCM6726、BCM67263，特別的是BCM67263為Wi-Fi 7簡化版，只支援6GHz頻段。

Wi-Fi 7挾著多種技術規格優勢：三頻操作(2.4G/5G/6G)、高階調變(4096QAM)、寬通道頻寬(320MHz)、多重鏈結、16×16 MIMO，在本地端與行動通訊4G/5G網路搭配，則可以有效地克服元宇宙、AIoT所需要的低延遲、高頻寬需求多使用者多重存取、高資料率的無線存取需求，更能夠讓元宇宙、AIoT的連接設備和多使用者數量能夠有較高的擴充彈性，可謂商機無限。

(本文作者王冠雄為台灣立訊網通射頻硬體研發副理，陳偉鑫為台灣立訊網通研發總監)