WiFi技术的演进与挑战

自 1999 年 Wi-Fi 联盟成立以来，Wi-Fi 技术不断进步，以满足对更快速度和支持更多设备的不断增长的需求。它的受欢迎程度已经达到了字典中的常用术语的程度。如今，它已成为各种客户无处不在的互联网连接，从笔记本电脑、智能手机、电视和机顶盒等需要大量数据的设备，到偶尔发送更新的数据推文物联网设备（例如家庭设备）和办公用品。据ABI称，Wi-Fi设备的年度出货量持续增长，预计到2028年将超过50亿台，未来增长的主要驱动力预计将来自智能/互联家居、可穿戴设备和物联网细分市场。

如今，Wi-Fi 技术有多种风格和配置，支持数百种不同复杂程度的功能。对于设备制造商来说，选择满足功能、性能、成本和功耗限制的正确规格可能具有挑战性。本文提供了有关确定最佳选择时需要考虑的重要参数的见解。

它源自 IEEE 802.11ax 标准，是目前市场上使用最流行的一代。据 ABI 称，2023 年出货量中近一半的 Wi-Fi 设备将是 WI-FI 6，到 2026 年这一比例将攀升至三分之二。

与WI-FI 5（IEEE 802.11ac）相比，WI-FI 6具有双倍的最大MIMO配置、双倍的最大信道带宽和更高的调制方案。这相当于 PHY 级别最大数据速率的 5 倍以上。尽管这非常重要，但这并不是 WI-FI 6 如此受欢迎的原因，它的渗透率是新一代有史以来最快的。

WI-FI 6 的主要优势是更高的网络效率，特别是在可以将更多设备连接到同一接入点的密集区域，从而以更高的吞吐量和更低的延迟提供更好的用户体验。这种更高的效率来自两个主要特征，其中包括：

多用户 MIMO (MU-MIMO)：这将接入点 (AP) 的 MIMO 操作划分为多个用户（或站）。例如，8×8 AP 可以同时处理多达 8 个 1×1 用户，每个空间流一个。AP 通过空中（下行链路）发送单个 8×8 MIMO 数据包，其中包含每个用户在其各自分配的空间流上的数据。每个用户可以在其各自的空间流上同时回复（上行链路）。Wi-Fi 5 Wave 2 已支持 MU-MIMO 下行链路，但不支持 MU-MIMO 上行链路。

Wi-Fi 6 MU-MIMO 功能通过尽可能填充空间流和并行化数据流量，显着提高网络效率

多用户 OFDMA (MU-OFDMA)：这允许将总可用带宽在多个用户之间划分为所谓的资源单元 (RU)。这样，可以让更多的用户连接到该 AP。例如，最多 37 个用户可以同时共享一个 80MHz 信道，每个用户仅使用 2MHz 带宽。此外，这种窄带允许与其他窄带技术（例如蓝牙和802.15.4（即Thread、ZigBee））更好地共存。

Wi-Fi 6 MU-OFDMA 功能通过在多个用户之间共享通道带宽（此处为卡车），显着提高了网络效率

MU-MIMO 和 MU-OFDMA 使 AP 能够更好地调度用户之间的流量，并具有适当的粒度和更好的服务质量控制。数百甚至数千台设备可以连接到 AP，且拥塞情况有限。此外，速度较慢的 WI-FI 6 IoT 设备可以与 WI-FI 6 高要求设备无缝共存，而不会影响其吞吐量和延迟。

WI-FI 6 的另一大功能是目标唤醒时间 (TWT)。对于低功耗物联网设备来说尤其有趣：连接到 AP 的每个 WI-FI 6 设备都可以进入深度睡眠状态，并在与 AP 预先协商的各自预定时间唤醒。这可以最大限度地减少冲突并显着降低功耗。

WI-FI 6 在 2.4GHz 和 5GHz 频段上运行。众所周知，2.4GHz 频段挤满了蓝牙、Zigbee 和 Thread 等其他无线技术。5GHz频段是避免这种拥堵的高速公路。

然而，对数据带宽的需求永远得不到满足。现在有更多的视频流服务提供更高分辨率的视频。在城市世界的许多地方，光纤到户正在推出，提供了超高速互联网的潜力，然后需要在家庭/办公室内提供服务。最近新冠肺炎 (covid 19) 大流行期间在家工作的人数激增，也增加了对可靠、高速 Wi-Fi 的需求。就连WI-FI 6的5GHz高速公路的容量也正在捉襟见肘。因此，WI-FI 6E（仍然源自IEEE 802.11ax标准）被发布，以利用6GHz频段（更准确地说，从5.925GHz到7.125GHz）扩展容量。这个额外的 1.2GHz 带宽最多可增加 7 个 160MHz 带宽通道（而 5GHz 频段上只有 2 个这样宽的通道），或者最多 14 个 80MHz 带宽通道（5GHz 频段上只有 5 个可用）。尽管 6GHz 频谱存在地理挑战（如Wi-Fi 联盟网站所述，并非所有 6GHz 带宽都在全球范围内可用），事实证明 WI-FI 6E 非常受欢迎，在残酷的竞争中创造了一些急需的喘息空间。搜索数据带宽。这个额外的 6GHz 频段拥塞程度较低，因此可以提供更好的服务质量和更低的延迟。这对于游戏和 AR/VR 耳机应用尤其重要。然而，它的射程更有限，墙壁和天花板穿透能力降低。

虽然 WI-FI 7 仍有待 2024 年晚些时候获得批准，但我们已经开始在市场上寻找“预”WI-FI 7 芯片和设备。源自 IEEE 802.11be 规范的 WI-FI 7 将拥有更大的实力：

• 信道带宽高达 320MHz，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 的信道带宽为 160MHz。该功能仅适用于 6GHz 频段。

• 高达 16×16 MIMO 配置，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 中为 8×8

• 4K QAM 最大调制，与 WI-FI 6/6E (802.11ax) 中的 1K QAM 相比

WI-FI 7 的速度几乎比 WI-FI 6/6E 快 5 倍。但这并不是人们对 WI-FI 7 突然产生兴趣的唯一原因。有两个非常重要的功能正在引起人们对下一代 Wi-Fi 的关注：

• 多链路操作 (MLO)：这提供了聚合来自相同或不同频段的两个通道的能力，以提高吞吐量、绕过干扰并减少延迟。例如，由于干扰因素，在 6GHz 频段上获得 3 个可用信道中的免费 320MHz 信道可能非常具有挑战性，甚至不可能。为了克服这种情况，借助 MLO，WI-FI 7 (802.11be) 连接可以聚合 7 个可用信道中的 6GHz 频段中的两个不相交的 160Mz 信道，或者 6GHz 频段上的一个信道与 5GHz 频段上的另一个信道。理论上任何组合都是可能的，包括例如 5/6GHz 频段上 160MHz + 80MHz 信道的聚合。

Wi-Fi 7 多链路操作 (MLO) 功能允许聚合两个链路（或通道）以提高整体吞吐量（此处聚合了两个 160MHz 带宽通道）

MLO 还可以用于负载平衡，通过在通道之间快速、无缝地切换来最大程度地减少争用/重试。这也意味着延迟的减少。

• 多资源单元（MRU）：当用户的吞吐量需求驱动需要“大”资源单元时，如此大的带宽可能在整个信道带宽上都不是空闲的。因此，具有与 MLO 类似的概念，但在同一信道上，可以为单个用户聚合两个连续或不相交的资源单元，以实现吞吐量要求。

得益于 MLO 和 MRU，WI-FI 7 (802.11be) 非常有吸引力，特别是在具有高吞吐量、低延迟和高链路可靠性要求的应用中。如何、何时以及通过哪些渠道进行聚合是 WI-FI 7 基础设施提供商的差异化优势。

了解每一代技术带来的好处，什么是最适合我的应用的？除了生成和相关功能集之外，还需要考虑支持的最大配置参数，例如：

支持的射频频段：默认为2.4GHz，所有类型均支持。由于 2.4GHz 频谱很拥挤，许多技术都在竞相争夺媒介（Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 和其他专有技术），因此支持 5GHz 频段甚至 6GHz 频段（在 WI-FI 6E 上）可能会很有趣。和无线网络 7)。这是一项额外成本（5/6GHz 无线电芯片上的额外芯片尺寸），但由于拥塞程度较低和重传次数较少，因此有助于实现更高的吞吐量和更短的延迟。

最大信号带宽：信号带宽可以为20MHz、40MHz、80MHz（从Wi-Fi 5 / 802.11ac开始）、160MHz（从WI-FI 6 / 802.11ax开始）或320MHz（WI-FI 7 / 802.11be上）仅限 6GHz 频段）。信号带宽越大，数据吞吐量越高。如果高吞吐量不是一个重要参数，那么支持更大的带宽仍然是有益的；对于给定的吞吐量，更大的带宽会导致空中花费的时间更短，从而降低功耗。此外，在空中花费的时间更少，可以为其他人留下更多的空闲空间，因此更多的设备可以共存。这就是为什么许多低功耗 IoT 设备支持高达 40MHz 带宽而不是仅 20MHz，即使这会带来少量额外成本。

最大 MIMO 配置：Wi-Fi 系统可以具有单个收发器链（SISO，又名单输入单输出）或多个收发器链（MIMO，又名多输入多输出）。实际上，发射链和接收链数量的任意组合都是可能的，最高可达标准授权的最大数量（例如，WI-FI 6 最多为 8×8，WI-FI 7 最多为 16×16）。1×1 是指 SISO 配置，而 2×2 是具有 2 个发射链和 2 个接收链的 MIMO 系统。还存在不对称配置，例如具有 2 个发送链和 3 个接收链的 2×3。更多的链意味着更高的吞吐量。这就像有几根平行的管道。例如，2×2 比 1×1 快两倍。但有时增加链的数量并不是为了增加吞吐量，而是为了通过额外的多样性来达到更高的灵敏度。例如，2×3 配置可能仅在接收侧支持 2 个（而不是 3 个）空间流，第三条链用于获得额外的信号分集，从而获得更高 dB 的灵敏度。总而言之，更多的链意味着更高的吞吐量或更高的灵敏度，但由于无线电链的重复而带来了额外的芯片尺寸和成本。

最大 MCS：收发器链上可以实现的最大吞吐量还取决于支持的最高调制编码方案 (MCS)。但更高的 MCS 会导致调制解调器中的信号处理更复杂，并且对模拟/无线电架构的要求更严格，这意味着更大的芯片尺寸和更高的功耗。这就是为什么有时WI-FI 6低功耗物联网解决方案为了节省成本和功耗仅支持MCS8/9（256QAM），而WI-FI 6标准最高可支持MCS10/11（1024QAM）。

多无线电/多链路配置：当设备支持多个频段（2.4GHz、5GHz，有时是 6GHz）时，可以通过 Wi-Fi 系统的单个实例或多个实例来处理各个频段上的链路：

单个实例化允许同时处理每个频段，但需要分时处理。从用户/应用程序的角度来看，这是透明的，只是总吞吐量在每个频段之间共享。无论如何，单个实例化都可以支持 Wi-Fi 7 多链路单无线电 (MLSR) 功能，该功能允许立即从一个通道切换到另一个通道，以获得更高的可靠性和更短的延迟。

多个实例化允许完全同时支持多个频段，从而支持更高的聚合吞吐量。由于芯片尺寸较大，因此成本较高，但可以通过其带来的附加价值来补偿。

选择最新最好的口味和配置并不总是合适的，因为这可能会导致昂贵的过度杀伤力。面临的挑战是选择在性能、成本和功耗之间提供最佳折衷的风格和配置。让我们看几个例子。

低功耗物联网中普遍存在的问题是成本，然后是功耗。这就是为什么 WI-FI 4（源自 IEEE 802.11n 规范）单频段 2.4GHz 仍然占主导地位，因为人们可以找到远低于 1 美元的芯片，但已经足够好了。但随着产量的增加，WI-FI 6 芯片的成本很快非常接近 WI-FI 4 芯片。它还带来了额外的好处：

如果需要更高的数据吞吐量：使用 MCS7（64QAM 调制）时，WI-FI 4 1×1 40MHz 带宽可达到 150Mbps PHY 数据速率，而 WI-FI 6 1×1 40MHz 带宽时

由于 TWT 功能，功耗更低。冲突越少，重传就越少，因此空中花费的时间也就越少。

由于更高的数据速率，功耗更低。对于给定的数据吞吐量，更高的数据速率意味着在空中花费的时间更少，因此在更短的时间内启用无线电时功耗更低。

更多 WI-FI 6 设备可以连接到 WI-FI 6 接入点。

低功耗物联网设备通常速度很慢。与前几代不同，WI-FI 6 慢速设备不会减慢 Wi-Fi 网络速度，因此可以更好地与快速设备共存。

如果可靠性是一个关键参数，那么至少支持双频段就很重要。在某些工业应用中通常会出现这种情况。

如果延迟很关键，则必须支持具有两个或三个频段的 Wi-Fi 7。在某些工业和医疗应用中可能就是这种情况。

支持 Wi-Fi 的高端设备通常处理大量数据传输，例如视频流和文件共享。这些设备包括智能手机、平板电脑、PC/笔记本电脑、电视、机顶盒、相机、AR/VR 耳机等。它们主要具有 MIMO 2×2 多频段配置。虽然我们仍然在市场上看到大量 Wi-Fi 5 芯片，但新设计至少主要是 Wi-Fi 6 (802.11ax)，以便获得吞吐量效率的优势，特别是随着连接到 Wi-Fi 5 的设备数量的增加接入点正在增长。其中一些设备（例如智能手机、游戏机和 AR/VR 耳机）将在迁移到 Wi-Fi 6E 甚至 Wi-Fi 7 (802.11be) 时获得巨大优势，从而享受更高的可靠性和更低的延迟。

在设计/部署/升级基础设施时，建议使用 Wi-Fi 7 (802.11be) 接入点，特别是在机场、体育场、购物中心和办公室等密集环境中，其中连接的用户多达数千个，移动且具有动态 Wi-Fi 要求，定期在电子邮件、浏览、聊天、文件传输和视频会议之间切换。这些接入点通常具有 4×4 MIMO 配置或以上。

对于家庭或小型办公室等较小的环境，具有 2×2 MIMO 配置的接入点通常就足够了。据 ABI 称，2×2 配置占网络和接入点 Wi-Fi 芯片组总出货量的 40% 以上。如果没有很强的时延要求，从技术角度来看，Wi-Fi 6或6E就足够了，但必须考虑WI-FI 7相对于竞争的营销价值。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第3596期内容，欢迎关注。