本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”。
自1999年Wi-Fi聯(lián)盟成立以來，Wi-Fi技術不斷進步，以滿足對更快速度和支持更多設備的不斷增長的需求。它的受歡迎程度已經(jīng)達到了字典中的常用術語的程度。如今，它已成為各種客戶無處不在的互聯(lián)網(wǎng)連接，從筆記本電腦、智能手機、電視和機頂盒等需要大量數(shù)據(jù)的設備，到偶爾發(fā)送更新的數(shù)據(jù)推文物聯(lián)網(wǎng)設備（例如家庭設備）和辦公用品。據(jù)ABI稱，Wi-Fi設備的年度出貨量持續(xù)增長，預計到2028年將超過50億臺，未來增長的主要驅(qū)動力預計將來自智能/互聯(lián)家居、可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)細分市場。
如今，Wi-Fi技術有多種風格和配置，支持數(shù)百種不同復雜程度的功能。對于設備制造商來說，選擇滿足功能、性能、成本和功耗限制的正確規(guī)格可能具有挑戰(zhàn)性。本文提供了有關確定最佳選擇時需要考慮的重要參數(shù)的見解。
各代技術之間的差異
什么是Wi-Fi 6？
它源自IEEE 802.11ax標準，是目前市場上使用最流行的一代。據(jù)ABI稱，2023年出貨量中近一半的Wi-Fi設備將是WI-FI 6，到2026年這一比例將攀升至三分之二。
與WI-FI 5（IEEE 802.11ac）相比，WI-FI 6具有雙倍的最大MIMO配置、雙倍的最大信道帶寬和更高的調(diào)制方案。這相當于PHY級別最大數(shù)據(jù)速率的5倍以上。盡管這非常重要，但這并不是WI-FI 6如此受歡迎的原因，它的滲透率是新一代有史以來最快的。
WI-FI 6的主要優(yōu)勢是更高的網(wǎng)絡效率，特別是在可以將更多設備連接到同一接入點的密集區(qū)域，從而以更高的吞吐量和更低的延遲提供更好的用戶體驗。這種更高的效率來自兩個主要特征，其中包括：
多用戶MIMO(MU-MIMO)：這將接入點(AP)的MIMO操作劃分為多個用戶（或站）。例如，8×8 AP可以同時處理多達8個1×1用戶，每個空間流一個。AP通過空中（下行鏈路）發(fā)送單個8×8 MIMO數(shù)據(jù)包，其中包含每個用戶在其各自分配的空間流上的數(shù)據(jù)。每個用戶可以在其各自的空間流上同時回復（上行鏈路）。Wi-Fi 5 Wave 2已支持MU-MIMO下行鏈路，但不支持MU-MIMO上行鏈路。
Wi-Fi 6 MU-MIMO功能通過盡可能填充空間流和并行化數(shù)據(jù)流量，顯著提高網(wǎng)絡效率
多用戶OFDMA(MU-OFDMA)：這允許將總可用帶寬在多個用戶之間劃分為所謂的資源單元(RU)。這樣，可以讓更多的用戶連接到該AP。例如，最多37個用戶可以同時共享一個80MHz信道，每個用戶僅使用2MHz帶寬。此外，這種窄帶允許與其他窄帶技術（例如藍牙和802.15.4（即Thread、ZigBee））更好地共存。
Wi-Fi 6 MU-OFDMA功能通過在多個用戶之間共享通道帶寬（此處為卡車），顯著提高了網(wǎng)絡效率
MU-MIMO和MU-OFDMA使AP能夠更好地調(diào)度用戶之間的流量，并具有適當?shù)牧６群透玫姆召|(zhì)量控制。數(shù)百甚至數(shù)千臺設備可以連接到AP，且擁塞情況有限。此外，速度較慢的WI-FI 6 IoT設備可以與WI-FI 6高要求設備無縫共存，而不會影響其吞吐量和延遲。
WI-FI 6的另一大功能是目標喚醒時間(TWT)。對于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備來說尤其有趣：連接到AP的每個WI-FI 6設備都可以進入深度睡眠狀態(tài)，并在與AP預先協(xié)商的各自預定時間喚醒。這可以最大限度地減少沖突并顯著降低功耗。
什么是Wi-Fi 6E？
WI-FI 6在2.4GHz和5GHz頻段上運行。眾所周知，2.4GHz頻段擠滿了藍牙、Zigbee和Thread等其他無線技術。5GHz頻段是避免這種擁堵的高速公路。
然而，對數(shù)據(jù)帶寬的需求永遠得不到滿足?，F(xiàn)在有更多的視頻流服務提供更高分辨率的視頻。在城市世界的許多地方，光纖到戶正在推出，提供了超高速互聯(lián)網(wǎng)的潛力，然后需要在家庭/辦公室內(nèi)提供服務。最近新冠肺炎(covid 19)大流行期間在家工作的人數(shù)激增，也增加了對可靠、高速Wi-Fi的需求。就連WI-FI 6的5GHz高速公路的容量也正在捉襟見肘。因此，WI-FI 6E（仍然源自IEEE 802.11ax標準）被發(fā)布，以利用6GHz頻段（更準確地說，從5.925GHz到7.125GHz）擴展容量。這個額外的1.2GHz帶寬最多可增加7個160MHz帶寬通道（而5GHz頻段上只有2個這樣寬的通道），或者最多14個80MHz帶寬通道（5GHz頻段上只有5個可用）。盡管6GHz頻譜存在地理挑戰(zhàn)（如Wi-Fi聯(lián)盟網(wǎng)站所述，并非所有6GHz帶寬都在全球范圍內(nèi)可用），事實證明WI-FI 6E非常受歡迎，在殘酷的競爭中創(chuàng)造了一些急需的喘息空間。搜索數(shù)據(jù)帶寬。這個額外的6GHz頻段擁塞程度較低，因此可以提供更好的服務質(zhì)量和更低的延遲。這對于游戲和AR/VR耳機應用尤其重要。然而，它的射程更有限，墻壁和天花板穿透能力降低。
什么是Wi-Fi 7？
雖然WI-FI 7仍有待2024年晚些時候獲得批準，但我們已經(jīng)開始在市場上尋找“預”WI-FI 7芯片和設備。源自IEEE 802.11be規(guī)范的WI-FI 7將擁有更大的實力：
●信道帶寬高達320MHz，而WI-FI 6/6E(802.11ax)的信道帶寬為160MHz。該功能僅適用于6GHz頻段。
●高達16×16 MIMO配置，而WI-FI 6/6E(802.11ax)中為8×8
●4K QAM最大調(diào)制，與WI-FI 6/6E(802.11ax)中的1K QAM相比
WI-FI 7的速度幾乎比WI-FI 6/6E快5倍。但這并不是人們對WI-FI 7突然產(chǎn)生興趣的唯一原因。有兩個非常重要的功能正在引起人們對下一代Wi-Fi的關注：
●多鏈路操作(MLO)：這提供了聚合來自相同或不同頻段的兩個通道的能力，以提高吞吐量、繞過干擾并減少延遲。例如，由于干擾因素，在6GHz頻段上獲得3個可用信道中的免費320MHz信道可能非常具有挑戰(zhàn)性，甚至不可能。為了克服這種情況，借助MLO，WI-FI 7(802.11be)連接可以聚合7個可用信道中的6GHz頻段中的兩個不相交的160Mz信道，或者6GHz頻段上的一個信道與5GHz頻段上的另一個信道。理論上任何組合都是可能的，包括例如5/6GHz頻段上160MHz+80MHz信道的聚合。
Wi-Fi 7多鏈路操作(MLO)功能允許聚合兩個鏈路（或通道）以提高整體吞吐量（此處聚合了兩個160MHz帶寬通道）
MLO還可以用于負載平衡，通過在通道之間快速、無縫地切換來最大程度地減少爭用/重試。這也意味著延遲的減少。
多資源單元（MRU）：當用戶的吞吐量需求驅(qū)動需要“大”資源單元時，如此大的帶寬可能在整個信道帶寬上都不是空閑的。因此，具有與MLO類似的概念，但在同一信道上，可以為單個用戶聚合兩個連續(xù)或不相交的資源單元，以實現(xiàn)吞吐量要求。
得益于MLO和MRU，WI-FI 7(802.11be)非常有吸引力，特別是在具有高吞吐量、低延遲和高鏈路可靠性要求的應用中。如何、何時以及通過哪些渠道進行聚合是WI-FI 7基礎設施提供商的差異化優(yōu)勢。
需要考慮的其他設計配置參數(shù)
了解每一代技術帶來的好處，什么是最適合我的應用的？除了生成和相關功能集之外，還需要考慮支持的最大配置參數(shù)，例如：
支持的射頻頻段：默認為2.4GHz，所有類型均支持。由于2.4GHz頻譜很擁擠，許多技術都在競相爭奪媒介（Wi-Fi、藍牙、Zigbee和其他專有技術），因此支持5GHz頻段甚至6GHz頻段（在WI-FI 6E上）可能會很有趣。和無線網(wǎng)絡7)。這是一項額外成本（5/6GHz無線電芯片上的額外芯片尺寸），但由于擁塞程度較低和重傳次數(shù)較少，因此有助于實現(xiàn)更高的吞吐量和更短的延遲。
最大信號帶寬：信號帶寬可以為20MHz、40MHz、80MHz（從Wi-Fi 5/802.11ac開始）、160MHz（從WI-FI 6/802.11ax開始）或320MHz（WI-FI 7/802.11be上）僅限6GHz頻段）。信號帶寬越大，數(shù)據(jù)吞吐量越高。如果高吞吐量不是一個重要參數(shù)，那么支持更大的帶寬仍然是有益的；對于給定的吞吐量，更大的帶寬會導致空中花費的時間更短，從而降低功耗。此外，在空中花費的時間更少，可以為其他人留下更多的空閑空間，因此更多的設備可以共存。這就是為什么許多低功耗IoT設備支持高達40MHz帶寬而不是僅20MHz，即使這會帶來少量額外成本。
最大MIMO配置：Wi-Fi系統(tǒng)可以具有單個收發(fā)器鏈（SISO，又名單輸入單輸出）或多個收發(fā)器鏈（MIMO，又名多輸入多輸出）。實際上，發(fā)射鏈和接收鏈數(shù)量的任意組合都是可能的，最高可達標準授權的最大數(shù)量（例如，WI-FI 6最多為8×8，WI-FI 7最多為16×16）。1×1是指SISO配置，而2×2是具有2個發(fā)射鏈和2個接收鏈的MIMO系統(tǒng)。還存在不對稱配置，例如具有2個發(fā)送鏈和3個接收鏈的2×3。更多的鏈意味著更高的吞吐量。這就像有幾根平行的管道。例如，2×2比1×1快兩倍。但有時增加鏈的數(shù)量并不是為了增加吞吐量，而是為了通過額外的多樣性來達到更高的靈敏度。例如，2×3配置可能僅在接收側(cè)支持2個（而不是3個）空間流，第三條鏈用于獲得額外的信號分集，從而獲得更高dB的靈敏度?？偠灾嗟逆溡馕吨叩耐掏铝炕蚋叩撵`敏度，但由于無線電鏈的重復而帶來了額外的芯片尺寸和成本。
最大MCS：收發(fā)器鏈上可以實現(xiàn)的最大吞吐量還取決于支持的最高調(diào)制編碼方案(MCS)。但更高的MCS會導致調(diào)制解調(diào)器中的信號處理更復雜，并且對模擬/無線電架構(gòu)的要求更嚴格，這意味著更大的芯片尺寸和更高的功耗。這就是為什么有時WI-FI 6低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案為了節(jié)省成本和功耗僅支持MCS8/9（256QAM），而WI-FI 6標準最高可支持MCS10/11（1024QAM）。
多無線電/多鏈路配置：當設備支持多個頻段（2.4GHz、5GHz，有時是6GHz）時，可以通過Wi-Fi系統(tǒng)的單個實例或多個實例來處理各個頻段上的鏈路：
單個實例化允許同時處理每個頻段，但需要分時處理。從用戶/應用程序的角度來看，這是透明的，只是總吞吐量在每個頻段之間共享。無論如何，單個實例化都可以支持Wi-Fi 7多鏈路單無線電(MLSR)功能，該功能允許立即從一個通道切換到另一個通道，以獲得更高的可靠性和更短的延遲。
多個實例化允許完全同時支持多個頻段，從而支持更高的聚合吞吐量。由于芯片尺寸較大，因此成本較高，但可以通過其帶來的附加價值來補償。
最適合我的應用程序的版本和配置是什么？
選擇最新最好的口味和配置并不總是合適的，因為這可能會導致昂貴的過度殺傷力。面臨的挑戰(zhàn)是選擇在性能、成本和功耗之間提供最佳折衷的風格和配置。讓我們看幾個例子。
低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備
低功耗物聯(lián)網(wǎng)中普遍存在的問題是成本，然后是功耗。這就是為什么WI-FI 4（源自IEEE 802.11n規(guī)范）單頻段2.4GHz仍然占主導地位，因為人們可以找到遠低于1美元的芯片，但已經(jīng)足夠好了。但隨著產(chǎn)量的增加，WI-FI 6芯片的成本很快非常接近WI-FI 4芯片。它還帶來了額外的好處：
如果需要更高的數(shù)據(jù)吞吐量：使用MCS7（64QAM調(diào)制）時，WI-FI 4 1×1 40MHz帶寬可達到150Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，而WI-FI 6 1×1 40MHz帶寬時
由于TWT功能，功耗更低。沖突越少，重傳就越少，因此空中花費的時間也就越少。
由于更高的數(shù)據(jù)速率，功耗更低。對于給定的數(shù)據(jù)吞吐量，更高的數(shù)據(jù)速率意味著在空中花費的時間更少，因此在更短的時間內(nèi)啟用無線電時功耗更低。
更多WI-FI 6設備可以連接到WI-FI 6接入點。
低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備通常速度很慢。與前幾代不同，WI-FI 6慢速設備不會減慢Wi-Fi網(wǎng)絡速度，因此可以更好地與快速設備共存。
如果可靠性是一個關鍵參數(shù)，那么至少支持雙頻段就很重要。在某些工業(yè)應用中通常會出現(xiàn)這種情況。
如果延遲很關鍵，則必須支持具有兩個或三個頻段的Wi-Fi 7。在某些工業(yè)和醫(yī)療應用中可能就是這種情況。
高端設備
支持Wi-Fi的高端設備通常處理大量數(shù)據(jù)傳輸，例如視頻流和文件共享。這些設備包括智能手機、平板電腦、PC/筆記本電腦、電視、機頂盒、相機、AR/VR耳機等。它們主要具有MIMO 2×2多頻段配置。雖然我們?nèi)匀辉谑袌錾峡吹酱罅縒i-Fi 5芯片，但新設計至少主要是Wi-Fi 6(802.11ax)，以便獲得吞吐量效率的優(yōu)勢，特別是隨著連接到Wi-Fi 5的設備數(shù)量的增加接入點正在增長。其中一些設備（例如智能手機、游戲機和AR/VR耳機）將在遷移到Wi-Fi 6E甚至Wi-Fi 7(802.11be)時獲得巨大優(yōu)勢，從而享受更高的可靠性和更低的延遲。
接入點
在設計/部署/升級基礎設施時，建議使用Wi-Fi 7(802.11be)接入點，特別是在機場、體育場、購物中心和辦公室等密集環(huán)境中，其中連接的用戶多達數(shù)千個，移動且具有動態(tài)Wi-Fi要求，定期在電子郵件、瀏覽、聊天、文件傳輸和視頻會議之間切換。這些接入點通常具有4×4 MIMO配置或以上。
對于家庭或小型辦公室等較小的環(huán)境，具有2×2 MIMO配置的接入點通常就足夠了。據(jù)ABI稱，2×2配置占網(wǎng)絡和接入點Wi-Fi芯片組總出貨量的40%以上。如果沒有很強的時延要求，從技術角度來看，Wi-Fi 6或6E就足夠了，但必須考慮WI-FI 7相對于競爭的營銷價值。
