版主信息与通信 2024-08-26

聊一聊Wi-Fi：高速连接下的射频“芯”机遇与挑战

2024年1月9日，Wi-Fi 标准的组织 Wi-Fi 联盟正式宣布，已完成并推出了 Wi-Fi 7 高级无线标准的认证，符合该标准的终端设备可以正式获得“Wi-Fi 7认证”（Wi-Fi CERTIFIED 7™）并以此进入市场。回顾Wi-Fi的发展历程，从上世纪90年代第一代标准的诞生，到如今第六代（Wi-Fi 6）与第七代（Wi-Fi 7）标准交替，仅短短三十年间，Wi-Fi技术便实现了从零到连接全球的飞跃。

（图片来源于网络）

如今，Wi-Fi已成为生活中一项最普遍的无线连接技术，上图是我们生活中常用设备MacBook、iPhone、iPad、SetBox、IP Camera，不难发现他们都有一个共同的特点——全部具备Wi-Fi功能！手机进屋就连Wi-Fi；iPad不舍得买蜂窝版+Wi-Fi版本，但Wi-Fi版本是底线；IP Camera和电视机顶盒更不能没有Wi-Fi；现在连空气净化器、扫地机器人等智能家居也通过Wi-Fi接入，实现手机APP联动控制。当消费电子行业进入了创新瓶颈，Wi-Fi6、Wi-Fi7（前期技术协议命名为802.11a/b/g/n/ac/ax/be）技术以其卓越的性能及用户体验，也正在积极引入智能制造、智能电车、智慧城市等物联网场景中。在此背景下，Wi-Fi芯片无疑已成为当下智能生态的“水、电、煤”。

今天，我们来聊一聊畅快连接我们无线通信设备的Wi-Fi技术，以及其中的关键模块—Wi-Fi射频前端芯片。

Part.01

Wi-Fi 技术和5G 移动通信的互补

Wi-Fi与5G是当今普遍应用的两种无线通信技术，他们之间的差异以及能否协同发展一直是业界讨论的热点话题。从目前较量的形式来看，两者技术上侧重点不同，在不同领域各有优势。谈不上对立，反而可以说共存互补，成为促进无线通信发展的两大驱动轮。

首先，使用场景上，5G的主要应用场景是户外，极好地满足移动中用户的通信需求；Wi-Fi则偏重于室内的小场景空间，比如家庭住宅、办公室、商铺内等。5G信号作为高频无线电磁波信号，很容易受到遮挡的影响，建筑物钢铁承重结构不可避免会对5G信号造成大幅衰减。在高楼大厦密集的区域，若5G基站建设不够密集，信号很容易衰减。如果此时用户移动范围不大，甚至固定不动，用户会倾向于选择室内信号更强、更稳定的Wi-Fi网络来进行无线连接。

其次，两者的速度是行业热议的话题。当前主流的Wi-Fi 6协议单流最大下载速度为1200Mbps，最大带宽峰值无线传输速率可达9.6Gbps；而Wi-Fi 7标准单流最大下载速度提升到2880Mbps，最大宽带的峰值速率高达46Gbps, 相当于下载速度5.75GB/s；反观5G网络设备的理论下行速度大于1Gbps，；最近火热的5.5G网络理论速率最高可达到10Gbps，相当于下载速度1.25GB/s。两者相比之下，Wi-Fi技术在极限速率上更胜一筹。

再者，经济适用性上，我们不得不提到一个专业名词“ISM频段”和一位美国人“Michael Marcus”。马库斯时任FCC（美国联邦通信委员会）工程师。1985年，他提出申请要求FCC释放三个空闲频段给民用无线通信设备免费使用，申请的频率包括：900MHz、2.4GHz和5.8GHz。后来这些频段被我们称之为ISM（Industrial 工业、Scientific科学和Medical医学）频段，也才有了我们Wi-Fi通信的频段基础。Wi-Fi协议即工作在这类非授权的免费频段上。

Michael Marcus

另一方面，由于5G通信技术使用授权频段，运营商需向相关机构支付一定费用以获得其使用权限，相应地运营商也会对普通用户收取通话与上网资费；所以享受5G服务是收费的。

这样对比下来，用户只要在家中安装了有线宽带服务（中国俗称“光猫”），转化成Wi-Fi无线全屋覆盖则无须支付巨额的频谱使用费，只需一次性投资无线路由器设备即可。在需要消耗大量下载流量的场景下，对经济成本比较敏感的用户，则会选择好用实惠的Wi-Fi网络。

（图片来源于网络）

最后，讨论电池容量的人很多，讨论移动终端功耗对比的人却很少，但电池容量其实才是用户日常使用中的最大痛点。在5G信号覆盖差的室内，由于信号强度减弱，终端的射频PA不得不增大发射功率来上传数据给几公里外的5G基站。这种情况下，手机连接5G网络需要发射功率在100mW或200mW以上，而连接室内几米远的Wi-Fi设备大约50mW已足够。同样情况下，手机上使用Wi-Fi比5G续航更久，看到这里不少喜欢打游戏的同学应该深有体验，打开电竞游戏前先切换到续航更久的Wi-Fi信号。在这一点上，苹果手机在iOS 系统的语音与数据设置里除“启用5G”模式，还额外增加了“自动5G”和“使用4G”两个省电选项，只是大部分人并不了解三个选项的差异所在。

综上所述，Wi-Fi技术与5G通信协议在不同应用场景中具有各自的优势，同时也存在一定局限性。5G网络适用开放性、流动性、密集性的设备连接，Wi-Fi则是适用于家庭网络和私密程度高的企业。所以5G主外、Wi-Fi主内依旧是完美的结合和互补，两者协同发展才能为用户提供更好的网络体验。

Part.02

Wi-Fi的前世今生，技术要素的具体体现？

1、Wi-Fi标准技术演进

现代化的生活，与Wi-Fi的应用与普及息息相关。无论是在家中的温馨角落，还是在繁忙的办公场所，Wi-Fi 都如同一股无形的力量，将我们与丰富多彩的数字世界紧密相连。想象一下，清晨醒来，我们无需繁琐的线缆连接，通过 Wi-Fi 就能轻松获取最新的新闻资讯，了解世界的动态；在温馨的客厅里，一家人围坐在一起，通过 Wi-Fi 流畅地观看高清电影，享受惬意的休闲时光。于上班族而言，Wi-Fi 更是工作中不可或缺的伙伴。如现代化的办公室中，Wi-Fi 使得团队成员能够随时随地访问云端数据，工作高效协同。视频会议不再受限于线缆的束缚，让身处异地的各位同事能面对面般交流沟通，大大提高了工作效率。在教育领域，Wi-Fi 为在线学习提供了坚实的支撑。学生可以在家中通过 Wi-Fi 连接，参与远程课堂，获取优质教育资源，打破了时间和空间的限制。在医院里，Wi-Fi 使得医疗设备能够实时传输数据，为患者的诊断和治疗提供更及时、准确的依据。可以说，Wi-Fi 已经深深融入了现代化生活的每一个细节，如同空气般不可或缺，不断推动着社会的进步和发展，持续创造更加便捷、更加高效和更加丰富多彩的生活方式。

Wi-Fi技术基本遵循5年一代，2~3年半代的节奏演进。随着需求的快速增长，同步推动相关技术的快速迭代。

在20世纪90年代初，IEEE成立了著名的802.11工作组，由Victor Hayes维克多.海斯主持。1991年维克多工作的NCR团队和合作伙伴AT&T在荷兰联合开发了WaveLAN网络用于收银系统。WaveLAN被认为是Wi-Fi前身，任职NCR公司的维克多.海斯也被称为Wi-Fi之父。

Victor Hayes

1996年澳洲政府的研究机构CSIRO（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）澳大利亚联邦科学与工业研究组织的Dr John O'Sullivan约翰.奥沙利文领导的一群由悉尼大学工程系毕业生组成的研究小组，发明并在美国成功申请了无线网技术专利。IEEE曾请求澳洲政府放弃其Wi-Fi专利，让世界免费使用Wi-Fi技术，但遭到拒绝；澳洲政府Wi-Fi专利费收到2013年，总金额达到4.3亿美元。虽然是些冷知识，但不得否认维克多.海斯和约翰.奥沙利文在Wi-Fi的发展历程中具有开创性和奠基性的地位。由于他们的深入研究，Wi-Fi 技术才得以从实验室走向广泛的应用，改变了人们的生活和工作方式。

Dr John O'Sullivan

1997年，IEEE 802.11工作组推出第一代WLAN标准2.4G频段，较慢的速度（2Mbps）阻碍了其在大众市场的吸引力。

1999年802.11b问世，采用了与原802.11无线标准相同的2.4GHz ISM频段，提高速率到11Mbps，使用直接序列扩频（DSSS）。

1999年IEEE又补充发布了一个更快的802.11a标准，运行在5GHz频段，首次引入了基于OFDM概念的传输技术，所支持的速度高达54Mbps。802.11a在当时虽然快，但是更高的工作频率也意味着更小的覆盖范围，而且在当时5GHz频段的射频元器件仍属于稀缺产品，造成了整体造价的高昂，不利于大众普及。举个例子，全世界第一台使用Wi-Fi技术的笔记本脑其实是斯蒂夫.乔布斯于1999年7月21日在纽约发布的Apple iBook，当时无线网卡是选配件，价格99美金（1999年的99美金），选用的802.11b协议，而没有选速度更快的802.11a。

（图片来源于网络）

2003年IEEE发布了802.11g，与802.11b使用同样的2.4GHz频段，却能达到54Mbps的速度。802.11g也是苹果无线基站Apple AirPort Extreme所使用的通信协议。

Apple AirPort Extreme

五年后，2009年的802.11n标准对Wi-Fi影响深远。该标准对传输和接入进行重大改进，引入了MIMO、安全加密等新概念和基于MIMO的高级功能（波束成形、空间复用等），最大带宽传输速度达到600Mbps。此外，802.11n也是第一个能同时工作在2.4 GHz和5 GHz频段的Wi-Fi技术。

NETGEAR WGR614

上图是国内无线路由器的名机—NETGEAR的小白（WGR614），贯穿了11g/n时代。两者区别主要在天线的数量，一根天线的小白使用802.11g协议，而两根天线的产品则使用了802.11n协议。

2013年发布的802.11ac是802.11n的承继。802.11ac每个通道的工作频宽将由802.11n的40MHz，提升到80MHz，再加上调制方式从64QAM提升至256QAM，单流最大理论传输速度由802.11n最高的150Mbps跃升至433Mbps。另外，在2015年发布了802.11ac wave2标准，带宽进一步拓宽到160MHz，并将波束赋形和MU-MIMO等功能推向主流，提升了系统接入容量，单流速率进一步提高到867Mbps。

2018年，当Wi-Fi联盟在IEEE推出802.11ax时，为了体现重大代际变更，同时又能让非行业人士能简单直观的理解和记忆，Wi-Fi联盟选择使用数字序号对Wi-Fi重新命名。802.11ax被命名为Wi-Fi 6，而802.11ac作为前两代标准，被 “追封”为Wi-Fi 5。

2019年，移动5G时代到来，移动业务的快速发展和高密度接入对 Wi-Fi 网络的带宽提出了更高的要求，同年9月16日，Wi-Fi联盟宣布启动Wi-Fi 6认证计划。Wi-Fi 6协议基于2.4GHz和5GHz两个频段，并非像Wi-Fi 5双频路由器那样不同的频段对应不同的协议，而是迎合当下物联网、智能家居等发展潮流，双频都支持11ax传输协议。对于一些对带宽需要不高的智能家居设备，可以使用2.4GHz频段去连接，保证足够的传输距离；而对于需要高速传输的设备，就使用5GHz频段。

Wi-Fi 6将MU-MIMO从Wi-Fi 5仅支持下行4车道拓展到上下行8车道，可以一次支持多个终端设备上行/下行传输更多数据。引入OFDMA将无线信道划分为多个子载波，用户数据不再占用整个信道，实现与MU-MIMO的互补传输。正交振幅调制最高支持1024QAM，相比Wi-Fi 5的256QAM提升25%。通过这些技术Wi-Fi 6的理论最大连接速率（160M带宽、8x8路）提升到9.6Gbps。2020年Wi-Fi联盟进一步拓展Wi-Fi 6E频段5925MH~7125MHz，新增的1200MHz频谱资源让160MHz信道资源从原先的2个增加到9个，新的三频搭配模式2.4G/40MHz + 5G/160MHz + 6G/160MHz让160MHz带宽成为终端设备的一个必备新标准。

New Spectrum

2023年11月28日，国家无线电办公室印发了《关于采用IEEE 802.11be 技术标准的无线局域网设备新增技术要求及检测方法的通知》，这意味着中国正式出台Wi-Fi 7的认证标准;另一方面国际 Wi-Fi联盟组织（WFA）于2024年1月8日，正式宣布推出 Wi-Fi CERTIFIED 7TM认证计划，这也意味着Wi-Fi 7即将正式商用。Wi-Fi 7技术引入了 320MHz 带宽、多链路操作（MLO，Multi-Link Operation）、4096 阶正交幅度调制（4K QAM）、增强型OFDMA以及灵活的信道选择等多项突破性技术，将带来更高的数据传输速率、更低的延迟以及更强的网络连接稳定性，为用户提供更加流畅和高效的网络体验。

具体来讲，相比之前Wi-Fi 6的2.4GHz、5GHz频段， Wi-Fi 7则新增对6GHz频段的支持。Wi-Fi 7 可支持320 MHz信道，相比上代的Wi-Fi 6 的带宽翻了一倍。同时，Wi-Fi 7 能够支持最多 16 根天线发送、16 根天线接收信号（16x16），相比上一代标准 8 根天线发送，接收信号的能力也多了一倍。Wi-Fi 7采用的4096QAM调制，比Wi-Fi 6的1024QAM有更高的数据密度，从而在相同的带宽下传输更多数据。这些技术共同作用，使得Wi-Fi 7的理论传输速率高达46Gbps，达到Wi-Fi 6的4.8倍。

多链路操作（MLO）是Wi-Fi 7的另一大亮点，它允许设备在多个频段2.4GHz、5GHz和6GHz上同时建立多个链接，从而高效利用所有可用频谱资源，增加吞吐量、减少延迟并提高可靠性。

Multi Link Operation - MLO

Preamble Puncturing

Wi-Fi 7 支持前导码打孔技术（Preamble Puncturing），过往繁忙的频道表示无法充分使用频段，数据只能通过主要频道发送。现在，通过前导码打孔技术，能够自动跳过干扰堵塞的信道，起到提升传输效率和降低时延的效果，带来更高稳定的网络体验。

2、Wi-Fi系统的关键要素

信号带宽

Wi-Fi 技术的演进突飞猛进的同时不容忽视的是，信号带宽从Wi-Fi 5 的80M → Wi-Fi 6的160M → Wi-Fi 7 的 320M，越来越宽；同时调制方式也由 Wi-Fi 5 256QAM → Wi-Fi 6 1024QAM → Wi-Fi 7 4096QAM快速演进，这些都对射频前端放大器的平坦度和宽带下线性度指标要求急剧提高，射频前端芯片的动态EVM底噪要求也被推到接近物理极限。

MIMO数量

另一方面由于MIMO 数量也从Wi-Fi 5 的4-6 天线普及到Wi-Fi 6的 8-12天线，而在Wi-Fi 7 产品中12-16 天线将成为主流，这对射频芯片的功耗更是提出了前所未有的挑战。如何在保持高性能的同时，平衡功耗和芯片尺寸也是一大设计难题。

多链路操作（MLO）的实现

MLO技术要求FEM能够同时在不同频段上高效工作。这需要射频前端更高的集成度和复杂度，要求PA、低噪声放大器（LNA）、开关（SW）以及滤波器高度集成，以实现不同频段的高效聚合和切换。