Machen Sie sich bereit für WiFi 7 gemäß 802.11be-Standard

Zachariah Peterson
|  Erstellt: June 23, 2021  |  Aktualisiert am: July 3, 2022
WiFi 7 802.11be-Standard

Just als WiFi 6 und 6E auf den Markt kommen und neue Chipsätze verfügbar werden, wird schon an WiFi 7 gemäß 802.11be-Standard gearbeitet. Der neue WiFi-7-Standard baut auf dem vorherigen WiFi-6/6E-Standard auf. Beide setzen den Trend, Verbesserungen iterativ durchzuführen, fort: höhere Gesamtbandbreite, höhere Datenraten, innovative Nutzung von Modulationsformaten und höhere Nutzerzahlen pro Gerät. Neue Technologien wie AR/VR, Gaming mit niedriger Latenz, Produkte für Rechenzentren und andere Echtzeit-Streaming-Anwendungen werden auf WiFi 6/6E und die kommenden WiFi-6-Standards angewiesen sein. Diese Standards reduzieren zudem die Abhängigkeit von 5G/B5G-Netzwerken für die schnelle Datenübertragung über kürzere Entfernungen und bieten eine vertraute Verbindungsmethode per Router.

Diese Technologie ist zwar noch nicht auf dem Markt, aber sobald die ersten Chipsätze verfügbar sind, würde ich mit mehr Anfragen für experimentelle Systeme, Evaluierungsmodule und oberflächenmontierbare Module rechnen. Jetzt ist es an der Zeit, sich über diese Systeme Gedanken zu machen – vor allem, wenn Sie Evaluierungsprodukte für WiFi 7 entwickeln.

Unterschiede zwischen WiFi 6/6E und WiFi 7

Die größte Änderung in WiFi 7 gegenüber WiFi 6&6E ist die theoretisch mögliche maximale Datenrate und Bandbreite. Dies entspricht dem allgemeinen Trend aus früheren Iterationen, die WLAN-Performance immer weiter auszubauen. Bei WiFi 7 wird dies durch eine höhere QAM, höhere Frequenzen (im 6-GHz-Bereich) und durch eine größere Bandbreitenzuweisung erreicht.

 

WiFi 6 (802.11ax)

WiFi 6E (802.11ax)

WiFi 7 (802.11be)

Frequenzen

Dualband: 2,4/5 GHz

Tri-Band: 2,4/5/6 GHz

Tri-Band: 2,4/5/6 GHz

Bandbreite

Bis zu 160 MHz Bandbreite

Bis zu 160 MHz Bandbreite

Bis zu 320 MHz Bandbreite

Datenrate

Bis zu 9,6 Gbit/s

Bis zu 9,6 Gbit/s

30-46,1 Gps

Modulation

OFDMA, 1024-QAM

OFDMA, 1024-QAM

OFDMA, 4096-QAM

Räumliches Multiplexing

MU-MIMO (8 Benutzer)

MU-MIMO (8 Benutzer)

MU-MIMO (16 Benutzer)

EVM-Limit

-35 dB

-35 dB

-38 dB

Viele Herausforderungen, die sich auf Systemebene ans Design stellen, liegen im Verantwortungsbereich der Chiphersteller, die hochintegrierte analoge Front-End-Geräte entwickeln, um neue Produkte unterstützen zu können. Weitere wichtige Änderungen in WiFi 7 umfassen:

  • Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität: Der Tri-Band-Betrieb in WiFi 7 trägt zur Abwärtskompatibilität bei, und die Präambelstruktur in WiFi-7-Paketen ist so aufgebaut, dass sie Vorwärtskompatibilität gewährleistet.
  • Niedrigere Soll-Latenzzeiten: Die Verringerung des Worst-Case-Jitters ist in der Norm verankert, um Anwendungen mit niedrigen Latenzzeiten zu unterstützen. Dies wird durch MU-MIMO mit mehr gleichzeitigen räumlichen Datenströmen und größerer Bandbreite umgesetzt. Eine geringere Latenz führt jedoch auch zu einer niedrigeren EMV-Grenze, wie oben gezeigt.
WiFi-7-Frequenzen erreichen alle den UNII-8-Bereich
Frequenzzuweisung in WiFi 7. [Source: Keysight]

Wie bei anderen drahtlosen Designs sind Simulationen und Tests in den relevanten Frequenzen sehr wichtig, um Signalverzerrungen und Verluste entlang einer Verbindung (Antennenversorgungsleitung) einzuschätzen. Das Design der Verbindungen und die passenden Netzwerke, die in WiFi 5 und WiFi 6 verwendet wurden, sind auch in WiFi 6E und WiFi 7 noch relevant, da sich die beteiligten Frequenzen nicht geändert haben. Bestehende Wellenleiter-Designs müssen möglicherweise geringfügig angepasst werden, um die größere Bandbreite ohne Dämpfung in bestimmten Teilen des Bandes unterzubringen. Solche nach dem Layout stattfindenden Simulationen können jedoch auch mit einem externen Feldlöser durchgeführt werden.

Kommende Komponententrends

Um einen Eindruck davon zu bekommen, wie die kommenden WiFi-7-fähigen Produkte aussehen und sich anfühlen werden, können wir einen Blick darauf werfen, was mit WiFi-6/6E-Produkten passiert ist – insbesondere mit SoCs und Modulen.

Modulschnittstellen

Wenn Sie planen, Ihrem Design mit einem Modul WiFi-7-Funktionen hinzuzufügen, sollten Sie überlegen, welche Schnittstellen auf dem Transceiver für die Datenübertragung zum Modul verwendet werden. PCIe und USB sind die beiden Module, die bereits für den Einsatz in WiFi 6E vorgesehen sind. Beispielsweise ist das Modul AX210.NGWG.NV WiFi 6E von Intel mit PCIe- und USB-Schnittstellen ausgestattet. Erwartungsgemäß wird eine PCIe-Generation als Standardschnittstelle verwendet, um parallele Hochgeschwindigkeitsdaten an ein WiFi-7-Modul zu liefern. 

SoC-Optionen

Wenn Sie ein kompakteres, hochintegriertes, eingebettetes System oder ein mobiles Gerät entwickeln möchten, sollten Sie sich darauf einstellen, dass für diese Zwecke bald SoCs auf den Markt kommen werden. Dies ist ein weiterer Trend, den wir beobachtet haben: MCUs mit HF-Front-Ends und anderen Funktionen werden für den Einsatz in bestimmten Bereichen integriert, beispielsweise in Netzwerkgeräten, im IoT-Bereich oder im Mobilfunkbereich. Ein Beispiel dafür ist das CW641 SoC von NXP mit integriertem Wi-Fi 6E, das bald kommen wird. WiFi-7-fähige Systeme, die eine kompakte Bauform und hohe drahtlose Datenraten erfordern, benötigen eine integrierte Option, die nur in fortschrittlichen SoCs zu finden ist.

Was Leiterplattendesigner heute tun können

Wenn Sie sich einen Vorsprung bei fortschrittlichen WiFi-7-Designs verschaffen möchten, gibt es einige Punkte, die Sie dabei beachten sollten:

  • Fangen Sie mit WiFi 6/6E an: In Bezug auf die Systemarchitektur und die Betriebsfrequenz werden WiFi-7-fähige Systeme WiFi-6/6E-Systemen weitestgehend ähnlich sein. Wenn Sie ein WiFi-6/6E-System korrekt layouten können, dann sind Sie auch für die Arbeit mit WiFi 7 gewappnet.
  • Machen Sie sich mit koplanarem Wellenleiterrouting vertraut: Wenn Sie sich Referenzdesigns und typische HF-Designrichtlinien ansehen, wird meistens ein koplanares Wellenleiterrouting für die Antennenversorgungsleitung empfohlen. Hierbei geht es vor allem um die richtigen Abstände und Leiterbahnbreiten in Ihren Designregeln.
  • Eignen Sie sich mehr Wissen über adaptives Beamforming an: Was ich Ihnen mit diesem komplizierten Begriff sagen möchte, ist, dass Sie lernen sollten, wie man Breitband-Phased-Arrays für Beamforming entwickelt. Dies ist normalerweise eher im Radarbereich Thema, aber Beamforming wird auch in WiFi 6/6E verwendet, um eine Datenübertragung mit hohem Durchsatz zu gewährleisten. Für Leiterplatten-Designer, die an Routern oder anderen WLAN-Geräten arbeiten, legen diese Aspekte fest, wie die Antennen auf dem Gerät angeordnet werden.
Benutzeroberfläche in Altium Designer zum Hinzufügen eines Shields
Verwenden Sie koplanares Wellenleiter-Routing mit Impedanzkontrolle auf WiFi-Antennenversorgungsleitungen, um die Isolation von anderen Leiterbahnen und Komponenten zu gewährleisten.

Mit WiGig über WiFi 7 hinaus

WiFi 7 ist zwar ein großer Schritt nach vorn im Vergleich zu den früheren Versionen, da es WLAN auf ein höheres Spektrum erweitert und so höhere Datenraten ermöglicht. Es gibt jedoch auch einen anderen Standard, WiGig, der die Datenübertragung mit einer viel höheren Frequenz beschleunigt. Dieser Standard erweitert WLAN in das 60-GHz-ISM-Band für die Datenübertragung zu Endnutzergeräten mit hoher Durchsatzrate auf kurze Distanz. Der WiGig-Standard ist besser bekannt als IEEE 802.11ad und wird manchmal auch als Mikrowellen-WLAN bezeichnet.

Das Ziel von WiGig besteht darin, deutlich höhere Datenraten (bis in den Gbit/s-Bereich) zu ermöglichen. Dieses Ziel wurde normalerweise für mmWave-Implementierungen von 5G versprochen, allerdings werden für WiGig keine mobilen Chipsätze oder Modems benötigt. Die wichtigsten Spezifikationen für WiGig sind unten aufgeführt:

  • Betriebsbänder: 2,4 GHz, 5–6 GHz und 60 GHz
  • Datenübertragungsrate: Maximal 7 Gbit/s (maximiert mit OFDM-Multiplexing)
  • Modulationsformate:
    • OFDM: SQPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM
    • Single-Carrier: π⁄2-BPSK, π⁄2-QPSK

WiGig nutzt Beamforming, um eine Datenübertragung im 60-GHz-Band auf bis zu 10 m Reichweite zu ermöglichen. Das ist eine relativ kurze Distanz und ist nur für Geräte in unmittelbarer Nähe gedacht. Da WiGig-konforme Produkte jedoch auch auf den herkömmlichen 2,4/5–6-GHz-Bändern funktionieren müssen, können auch Geräte, die weiter von einem Router oder Zugangspunkt entfernt sind, mit dem Internet verbunden werden.

Der nächste Schritt von IEEE 802.11ad ist 802.11ay, das WiGig um MIMO mit bis zu 8 räumlichen Streams ergänzt. Diese Systeme, die Hochfrequenz-Beamforming implementieren, erfordern spezielle Chipsätze, und integrierte Produkte von Unternehmen wie Qorvo kommen jetzt auf den Komponentenmarkt. 802.11ay verspricht auch eine höhere Reichweite durch die Verwendung eines Phased Array, wie es normalerweise für MIMO erforderlich ist. Dieses System ermöglicht eine sehr hohe Auflösung und Verstärkung, wenn die Leistung auf einen einzelnen Benutzer mit einer Entfernung von bis zu 300-500 m gerichtet ist.

Bleiben Sie auf dem Laufenden über Änderungen an 802.11-Standards

Die IEEE 802.11 Task Group hat mit der Entwicklung der verschiedenen Standards alle Hände voll zu tun. Die neuen 802.11-Standards sehen Fortschritte in allen Bereichen vor, von V2X-Netzwerken (Vehicle-to-Everything) bis hin zu Sensorsystemen und optischen Netzwerken. Um die Weiterentwicklung von IoT-Produkten zu unterstützen und Sicherheitsprobleme anzugehen, sind weitere Ergänzungen geplant, beispielsweise die Unterstützung für randomisierte MAC-Adressen und Datenschutzstandards. Die vollständige Liste der vorgeschlagenen und geplanten Änderungen können Sie in den Projektzeitplänen der IEEE 802.11 Working Group einsehen (gültig seit 11. Juni 2021). Dieser Satz von Standards war enorm erfolgreich. Erwarten Sie also nicht, dass sich die Entwicklung in diesem Bereich verlangsamt.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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