Inleiding
In juni 2021 keurde de Europese Commissie het gebruik van de 6GHz-frequentieband voor Wi-Fi 6E goed en in december van datzelfde jaar volgde de Nederlandse overheid. Het was vanaf dat moment eindelijk mogelijk om de technologie Wi-Fi 6 ten volle te benutten. De eerste Wi-Fi 6E-apparatuur ligt echter nog geen paar maanden in de winkel of bedrijven kondigen al Wi-Fi 7-apparatuur aan. Wat is Wi-Fi 7, hoeveel beter is het dan Wi-Fi 6 en wanneer kun je het kopen? De antwoorden vind je in dit artikel.
De eerste aankondiging van Wi-Fi 7-apparatuur vond plaats tijdens het Mobile World Congress, de jaarlijkse telecombeurs in Barcelona. Qualcomm presenteerde daar zijn FastConnect 7800-netwerkadapter, die geschikt is voor Wi-Fi 7 en Bluetooth 5.3. Volgens Qualcomm moeten de eerste netwerkadapters al in de tweede helft van 2022 in producten als laptops en smartphones verschijnen. Concurrent MediaTek verwacht zijn Wi-Fi 7-chips in 2023 te leveren en Intel heeft het over eind 2023 of begin 2024.
Dat zijn nogal ver uiteenliggende data en dat komt door de manier waarop wifistandaarden bepaald worden. Wifistandaarden worden vastgelegd door het Institute of Electrical and Electronics Engineers, dat beter bekendstaat als de IEEE. De standaard voor wifi heeft artikelcode 802.11 en iedere keer dat er iets toegevoegd wordt, krijgt dat amendement een nieuwe lettercode. Daar komen bekende standaarden als 802.11n en 802.11ac vandaan. De nieuwe wifistandaard valt onder artikel 802.11be, maar voor consumenten zal er vooral over Wi-Fi 7 gesproken worden.
:strip_exif()/i/2005191748.jpeg?f=imagenormal)
Current Status and Directions of IEEE 802.11be, the Future Wi-Fi 7, ieee.org
De ontwikkeling van een nieuwe wifistandaard is een langdurig proces. In het geval van Wi-Fi 7 werden de eerste stappen al in 2018 gezet en in het najaar van 2021 kwam het eerste ontwerp, of draft, van de standaard uit. Volgens de planning zullen er nog vier ontwerpen volgen en zal de standaard in mei 2024 definitief zijn. Hoe kan het dan dat Qualcomm dit jaar nog Wi-Fi 7-apparatuur op de markt wil brengen? Qualcomm wacht niet tot de standaard definitief is, maar baseert zich voor zijn chips op de ontwerpen. Dat is niet ongebruikelijk in wifiland. In 2007 bijvoorbeeld begon de Wi-Fi Alliance met het testen en certificeren van 802.11 draft N-apparatuur, terwijl de IEEE het 802.11n-amendement pas in oktober 2009 goedkeurde, toen er dus al twee jaar draft N-apparatuur op de markt was.
Werken met ontwerp-specificaties heeft ook tot gevolg dat eerder uitgebrachte wifiapparatuur sommige functionaliteit van een later ontwerp niet ondersteunt. Bij Wi-Fi 5, of 802.11ac, was er bijvoorbeeld een eerste generatie netwerkapparatuur, die maximaal 80MHz brede kanalen ondersteunde en beperkt was tot drie spatial streams. De tweede generatie 802.11ac-netwerkapparatuur werd in marketingtermen '802.11ac wave 2' genoemd en ondersteunde 160MHz kanaalbreedte en vier spatial streams. Beide 'waves' houden zich aan de 802.11ac-specificatie en zijn onderling compatibel, maar de tweede heeft extra functionaliteit die de eerste niet heeft. Het is dus voor consumenten niet 'erg' om ontwerp-apparatuur in huis te halen, maar je zult tegen de tijd dat de specificatie af is, wat functionaliteit missen die de apparatuur op dat moment wel heeft.
Bij Wi-Fi 7 zal het proces net als voorheen verlopen. De standaard is nog niet 'af', maar het is al wel duidelijk welke bouwstenen de IEEE voor 802.11be wil gaan gebruiken om de snelheid te verhogen. De belangrijkste van die bouwstenen passeren in dit artikel de revue.
Bredere kanalen: 240 en 320MHz
Standaarden voor draadloze netwerken worden aangeduid met een getal: Wi-Fi 5 of de naam van het amendement, bijvoorbeeld 802.11ac. Er is echter ook een lettercode, die de standaard karakteriseert. De code van Wi-Fi 4 was bijvoorbeeld HT, wat staat voor high throughput, en Wi-Fi 5 was VHT, wat staat voor very high throughput. Wi-Fi 6 kreeg de afkorting HE, die voor high efficiency staat, omdat bij die generatie de nadruk op efficiëntie ligt. Bij Wi-Fi 7 ligt de nadruk weer op snelheid, getuige de afkorting EHT, wat staat voor extremely high throughput. Daarbij wordt ook het getal 40Gbit/s genoemd en dat is inderdaad significant sneller dan Wi-Fi 6, maar dit is ook een linksnelheid die je in de praktijk niet tegen zult komen. Duidelijk is echter dat de snelheid omhooggaat, maar op welke manier?
Een manier om een hogere snelheid te behalen, is door een breder kanaal te gebruiken. Aanvankelijk gebruikte wifi een kanaalbreedte van 20MHz, met Wi-Fi 4 steeg dat naar maximaal 40MHz en Wi-Fi 5 deed er met maximaal 160MHz nog een schepje bovenop. Een breder kanaal gebruiken is niet altijd even makkelijk. Op de 2,4GHz-band is bijvoorbeeld in totaal maar 82MHz bandbreedte beschikbaar, waarvan je maximaal 40MHz zelf kunt gebruiken. Doordat er al veel apparatuur van die frequentie gebruikmaakt, is in de praktijk maximaal 20MHz haalbaar. Wi-Fi 5 en 6 kunnen op de 5GHz-band een kanaalbreedte van maximaal 160MHz gebruiken en Wi-Fi 6E kan ook 160MHz gebruiken op de 6GHz-band. Deze frequentiebanden bieden meer ruimte en worden ook door minder andere apparaten 'vervuild', zoals bij de 2,4GHz-band het geval is.
:strip_exif()/i/2003274064.jpeg?f=imagenormal)
Wifispectrum. In Europa is op 6GHz alleen het eerste deel van het spectrum beschikbaar, tot 6425MHz.
Wi-Fi 7 verdubbelt die maximale kanaalbreedte naar 320MHz, op de 6GHz-frequentieband. Dat leidt tot een verdubbeling van de snelheid in vergelijking met een 160MHz-kanaal, al is het de vraag of we er tegen de tijd dat Wi-Fi 7 beschikbaar is, ook daadwerkelijk gebruik van zullen maken. Er kleven namelijk wat nadelen aan een breder kanaal. Het eerste nadeel is dat je zendvermogen niet hoger wordt als je het kanaal breder maakt. Ga je bijvoorbeeld van 80 naar 160MHz met hetzelfde zendvermogen, dan halveer je de signaalsterkte, wat een 3dB lagere rssi oplevert. De verdubbeling naar 320MHz verlaagt de rssi nog eens met 3dB en het signaal zal dus nog wat minder ver reiken.
Het tweede nadeel is dat er in Europa op de 6GHz-band slechts 500MHz aan kanaalbreedte vrij te gebruiken is. Je zult dus al heel snel je buren, en zij jou, in de weg zitten als je van een 320MHz breed kanaal gebruik wilt maken. Waarom is er dan voor 320MHz gekozen als het in de praktijk niet makkelijk te gebruiken zal zijn? In vrijwel heel Amerika, Zuid-Korea en Saudi Arabië is het deel van de 6GHz-band dat goedgekeurd is voor gebruik voor wifi, geen 500MHz, maar 1200MHz breed. Daarin kun je drie 320MHz-kanalen kwijt die elkaar niet storen. Daarnaast biedt Wi-Fi 7 de mogelijkheid om niet 320MHz aaneengesloten frequentieruimte in te nemen, maar die ruimte op te delen in twee blokken van 160MHz op verschillende delen van de band. Dat trucje is niet helemaal nieuw; Wi-Fi 5 kon hetzelfde, maar dan met twee blokken van 80MHz.
Behalve 320MHz komt er ook de mogelijkheid om een 240MHz breed kanaal te gebruiken. Daarvan zouden er op het in Europa goedgekeurde spectrum wel twee naast elkaar kunnen bestaan zonder interferentie. Het 240MHz-kanaal is ook op te splitsen in twee stukken van 160 en 80MHz.
Complexere modulatie: QAM4096
Behalve een breder kanaal introduceert Wi-Fi 7 een hoger, complexer, niveau van modulatie: QAM4096. Mocht je je afvragen wat modulatie precies is, dan kun je dat teruglezen in dit achtergrondartikel. Kort gezegd is een wifisignaal een elektromagnetische golf en modulatie past die golf aan. Dat kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld door de sinus 180 graden uit fase te laten lopen. Stel dat zender en ontvanger afspreken dat een golf in fase codeert voor een 0 en dat een faseverschuiving waardoor de sinus 180 graden uit fase loopt, codeert voor een 1, dan kan de zender de sinus door die te verschuiven zo moduleren dat hij nullen en enen overdraagt.
QAM is iets ingewikkelder. Het past niet alleen de fase, maar ook de amplitude van de golf aan, waardoor er meer verschillende vormen zijn waarin de sinus gemoduleerd kan worden. Bij QAM16 zijn dat er zestien. Die zestien verschillende mogelijke vormen die de sinus kan aannemen, coderen dan voor 4bit.
Het kan nog een stapje ingewikkelder, bijvoorbeeld als je de amplitude en fase in nog meer, kleinere, stapjes aanpast. QAM256, dat bij Wi-Fi 5 werd geïntroduceerd, codeert voor 8bit en QAM1024, onderdeel van Wi-Fi 6, codeert voor 10bit. 10bit (QAM1024) in een keer overdragen in plaats van 4 (QAM16) maakt de verbinding dus 2,5 keer zo snel, maar hoe hoger het niveau van de QAM, des te lastiger het voor de ontvanger is om te onderscheiden welke 'vorm' de sinus precies heeft. Bij QAM1024 zijn er 1024 opties en als je naast het accesspoint staat en het signaal sterk is, is dat niet moeilijk te onderscheiden. Als de ontvanger echter verder weg staat en het signaal enigszins is uitgedoofd, wordt het al lastiger en zal de verbinding naar een lager niveau van modulatie moeten overschakelen om de golf nog 'leesbaar' te houden voor de ontvanger.
Wi-Fi 7 voegt nog een hoger niveau van modulatie toe: 4096QAM, dat voor 12bit codeert en 20 procent sneller is dan 1024QAM. De IEEE schrijft dat je voor 4096QAM een signal to noise ratio van 40dB nodig hebt. Dat is hoog en in de praktijk zul je daardoor niet zomaar 4096QAM kunnen gebruiken. De oplossing om in de praktijk wel van 4096QAM gebruik te maken, is beamforming. Daarbij kunnen twee of meer antennes hetzelfde signaal uitsturen, dat bovendien in de richting van de client wordt uitgezonden. Dit gerichte signaal is sterker en dus makkelijker te ontcijferen voor de client, waardoor je langer het hoogste modulatieniveau kunt gebruiken. De IEEE wil van QAM4096 een optioneel onderdeel van Wi-Fi 7 maken.
Harq en multi-link
Als je een pakketje over een draadloos netwerk verstuurt, wordt dat gecodeerd in een gemoduleerde golf, die door de ontvanger wordt opgevangen en gedecodeerd. Dat decoderen gaat niet altijd goed; de golf die je verstuurt, kan door ruis verstoord zijn of zijn uitgedoofd doordat je te ver weg staat. Als een sta, oftewel een ontvanger, een pakketje in goede orde ontvangt, stuurt hij een ACK-signaal terug naar de zender. Gebeurt dat niet, bijvoorbeeld doordat de ontvanger het pakketje niet kan decoderen, dan stuurt hij geen ACK en zal de verzender, na een bepaalde time-outperiode het pakketje opnieuw moeten sturen. Dit systeem heet automatic repeat request, afgekort arq.
Als een groot aantal pakketjes niet goed ontvangen wordt, kan de verzender, in de meeste gevallen het accesspoint, besluiten om over te schakelen op een ander mcs-niveau. Dat zorgt bijvoorbeeld voor een eenvoudigere modulatie, waardoor de ontvanger de pakketjes wel gemakkelijk kan decoderen.
Het nadeel van een lager mcs-niveau is echter dat het langzamer is. Een van de voorstellen in de Wi-Fi 7-draft is dan ook de toevoeging van harq. Die afkorting staat voor hybrid automatic repeat request en dat wordt bij UMTS-netwerken bijvoorbeeld al veel langer toegepast. Als een pakketje in deze situatie niet gedecodeerd kan worden, stuurt de ontvanger, net als bij arq, geen ACK terug, waarna een retransmission plaatsvindt. De ontvanger gooit het niet-decodeerbare pakketje echter niet weg, maar bewaart het. Als de retransmission binnenkomt, kan de ontvanger de informatie uit het originele pakketje en uit de retransmission combineren, om het pakketje alsnog te decoderen. Het grote voordeel van harq is dat de verbinding langer op een hoger mcs-niveau kan blijven werken. Dat is zeker in het geval van de eerder aangestipte QAM4096-modulatie geen gek idee.
Multi-link
Wi-Fi 7-accesspoints zullen gebruik kunnen maken van drie frequentiebanden: 2,4GHz, 5GHz en 6GHz. Wi-Fi 7-clients zullen ook van die frequentiebanden gebruik kunnen maken en normaal gesproken wordt daarbij een van de frequenties gekozen. Bij Wi-Fi 7 zal multi link operation toegevoegd worden, waarbij clients verschillende frequentiebanden tegelijk kunnen gebruiken.
:strip_exif()/i/2005192500.jpeg?f=imagenormal)
Current Status and Directions of IEEE 802.11be, the Future Wi-Fi 7, ieee.org
De voordelen van multi-link zijn op slag duidelijk. Als je niet via een enkele frequentieband, maar via twee frequentiebanden bent verbonden met een accesspoint, kun je in theorie je snelheid verdubbelen; 1 plus 1 is immers 2. Voor die verdubbeling moeten beide frequentiebanden uiteraard 'vrij' zijn en moet het signaal even sterk zijn, waardoor de overdrachtssnelheid per link even hoog is. Het gebruik van verschillende frequentiebanden om data 'verspreid' te versturen, wordt joint mode genoemd en die levert de meeste snelheid op. Die joint mode kan zelfs over alle drie de frequentiebanden werken. Bij de meeste accesspoints zal de 2,4GHz-band minder snel geconfigureerd zijn dan de 5GHz- en 6GHz-kanalen, maar kan hij alsnog bijdragen aan een hogere totale bandbreedte.
De duplicate mode kan ervoor zorgen dat de verbinding betrouwbaarder wordt, door over beide links dezelfde data te versturen. Komt er via een van de links een pakketje binnen dat niet gedecodeerd kan worden, dan kan de ontvanger hetzelfde pakketje van de andere link proberen te decoderen, voordat er een kostbare retransmission plaatsvindt.
Meer spatial streams: tot 46Gbit/s?
Wifiverbindingen verlopen via de antennes van een accesspoint en client. De meeste accesspoints hebben verschillende antennes en kunnen die ook tegelijk gebruiken. Er is dan sprake van verschillende spatial streams. Met behulp van die spatial streams kan een accesspoint verschillende dingen doen. Door niet van een, maar van twee antennes gebruik te maken, kan een accesspoint de bandbreedte met de client bijvoorbeeld verdubbelen. De spatial streams kunnen ook gebruikt worden om het signaal robuuster te maken door dezelfde boodschap over beide antennes te versturen of om het signaal te richten met behulp van beamforming. In een eerder artikel gingen we al eens dieper in op die technieken.
/i/2005193144.png?f=imagenormal)
Maximale snelheden volgens specificatie. Bron: TP-Link
Wi-Fi 6 kan gebruikmaken van maximaal acht spatial streams. Dat betekent dus dat je, als je die streams allemaal bundelt, een theoretische overdrachtssnelheid van 9,6Gbit/s kunt halen. De meeste Wi-Fi 6-gebruikers zullen bij een perfecte verbinding een linkspeed van 1,2 of 2,4Gbit/s tegenkomen, maar geen 9,6Gbit/s. Dat komt doordat Wi-Fi 6 weliswaar acht spatial streams ondersteunt, maar Wi-Fi 6-clients niet meer dan twee antennes hebben. De meeste accesspoints hebben ook niet meer dan vier antennes en dan heb je al een high-end model van een paar honderd euro te pakken. De specificatie is, kortom, niet per se representatief voor het eindproduct. Als er met koeienletters 9,6Gbit/s op de doos staat, betekent dat niet dat je een client met die snelheid kunt verbinden.
Wi-Fi 7 zal via een enkele spatial stream een maximale overdrachtssnelheid van 2,88Gbit/s kunnen halen. Het maximumaantal spatial streams gaat omhoog van acht naar zestien en als je die allemaal tegelijk kunt gebruiken, kom je op een maximum van 46Gbit/s. Dat is het getal dat je soms in het marketingverhaal van Wi-Fi 7 tegenkomt. We verwachten op de consumentenmarkt geen accesspoints en al helemaal geen clients met zoveel spatial streams tegen te zullen komen, dus die 46Gbit/s wordt misschien werkelijkheid bij een volgende wifigeneratie.
Toch kan het handig zijn om een accesspoint te hebben met ondersteuning voor veel spatial streams. Beamforming is een steeds grotere rol gaan spelen bij wifi. Met behulp van die techniek kan een accesspoint twee sinussen in fase naar de client sturen. Daardoor wordt het signaal sterker en reikt het verder. Bovendien maakt het niet uit hoeveel streams de client accepteert. Bij een 4x4:4-router en een 2x2:2-client kan de client twee spatial streams accepteren, terwijl de router zijn andere twee radiochains voor beamforming gebruikt.
Voorlopige conclusie
Wat gaan we in de praktijk van Wi-Fi 7 zien en wanneer? Qualcomm heeft, zoals we eerder in dit artikel noemden, al een draadloosnetwerkkaart klaarstaan, de FastConnect 7800. Die netwerkadapter heeft ondersteuning voor 320MHz kanaalbreedte en QAM4096-modulatie. De netwerkkaart kan van twee spatial streams gebruikmaken voor een maximale theoretische overdrachtssnelheid van 5,8Gbit/s. De netwerkkaart heeft ook ondersteuning voor multi-link, waarbij expliciet het simultane gebruik van de 5GHz- en 6GHz-band wordt genoemd, maar niet die van de 2,4GHz-frequentieruimte.
Aan de kant van de accesspoints heeft Broadcom een aantal chips aangekondigd, met verschillende specificaties. De snelste daarvan ondersteunt vier spatial streams, 320MHz kanaalbreedte en QAM4096-modulatie, wat een maximale overdrachtssnelheid van 11,5Gbit/s oplevert. Het lijkt er vooralsnog op dat de Qualcomm-netwerkkaart de eerste met Wi-Fi 7 op de markt zal zijn, dus met een enkele client zal maximaal de helft van die 11,5Gbit/s gebruikt kunnen worden. Wanneer die apparatuur op de markt komt, is echter nog niet bekend. Qualcomm lijkt zijn netwerkkaart al af te hebben, maar zonder accesspoints heb je er weinig aan. Het is dus de vraag zijn hoe snel fabrikanten de chips van Broadcom in een accesspoint geïmplementeerd zullen hebben.
Wat kun je dan bij die eerste generatie Wi-Fi 7 verwachten? De genoemde snelheden klinken prachtig, maar het zijn natuurlijk wel marketingcijfertjes. Door de overhead in het wifiprotocol zul je de genoemde snelheden in de praktijk niet halen. Meestal blijft er, in een storingsvrije ruimte, zonder demping, een procent of 70 van over, wat in het geval van de Fastconnect 7800 alsnog 4Gbit/s is. Dat is een stuk sneller dan Wi-Fi 6, maar het blijft een maximum dat je alleen zult halen in ideale omstandigheden. Het is bovendien de vraag hoe lang Wi-Fi 7 die hoge snelheid kan volhouden als ruis het signaal verstoort en er demping optreedt. De bredere kanalen en complexe modulatie vereisen een hoge rssi om die maximale snelheden daadwerkelijk te halen.
Als er, kortom, een ding duidelijk is als we naar de bouwstenen van Wi-Fi 7 kijken, dan is het wel dat wifi flink sneller gaat worden. Alle ingrediënten als QAM4096, bredere kanalen, harq en multi-link dragen daaraan bij. Na de efficiëntiestap die Wi-Fi 6 was, is het mooi om te zien dat we nu weer een stap in snelheid zetten. En hoe dat in de praktijk uitvalt, zullen we te zijner tijd uiteraard testen.