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[原创] Qorvo眼里的WiFi 6机遇与挑战

半导体行业观察 ·2020-05-15 09:22·半导体行业观察
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最近,因为小米和华为先后推出了多款WiFi 6路由器,加上FCC允许将6Ghz频段开放给WiFi使用,这就让产业界对WiFi 6及WiFi 6E有了浓厚的兴趣。因为看到了新标准带来的无限机会,有不少芯片企业和相关的终端厂商也都投入其中。


作为行业内领先的射频方案供应商,Qorvo在WiFi射频方案上面也有丰富的经验。为此,半导体行业观察记者日前采访了Qorvo高级市场经理Jeff Lin,给大家带来了新WiFi标准给产业界带来的机遇和挑战分享。

WiFi 6带来的改变


在问到这个问题的时候,Jeff Lin告诉记者,与前几代Wi-Fi 标准相比,Wi-Fi 6纳入很多新的技术。当中1024QAM的调变机制与160MHz 带宽,这两者增进了连线的速率;而OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 与MU-MIMO (Multi-User Multi-Input Multi-Output)的引入则大大提升了WiFi连线的效率 (Efficiency)。除此之外,WPA3提供了更安全且更简易的连线加密机制。

“还有最近IEEE 与FCC 开放了从5.925GHz 到 6.125GHz 共1.2GHz的带宽来提供给Wi-Fi 6使用,并将此扩充的频段正式命名为Wi-Fi 6E,加上原来的2.4GHz (2.412GHz – 2.484GHz) 与 5GHz (5.15GHz – 5.825GHz),Wi-Fi 6所能利用的频段 (Frequency band) 与频道 (Channel) 增多了,在资源配置上也更有弹性。”,Jeff Lin接着说。他进一步指出最近Wi-Fi Alliance也启动了新规范的制定使其标准化与加速新频段商业化的进程。

正是这些特性让WiFi 6在当前的终端市场下拥有巨大的吸引力,为此不少厂商已经积极投入其中。

从Jeff Lin的介绍我们得知,从2018年底,就已开始有Wi-Fi 6的产品陆续的推出市场,产品线也覆盖了企业级的无线Wi-Fi 路由器到家庭用的Wi-Fi Access Point。路由器的主流规格已渐渐从Wi-Fi 5升级成Wi-Fi 6。

“然而,从Wi-Fi的终端设备来看,却看不见对等于Wi-Fi 路由器与Access Point的发展”,Jeff Lin强调。他进一步指出,虽然Samsung也于2019年初在其旗舰机型Galaxy S10正式放入Wi-Fi 6,并在终端设备的取得一个市场领先的地位,但是终究是曲高和寡,许多手机厂商认为Wi-Fi 6的路由器在当时尚未成为市场的主流于是放弃了跟随Samsung的步伐。

然而到了2019年底,许多网通设备厂商如Netgear、Belkin、ASUS、TP-Link、D-Link、Xiaomi等等推出了一系列Wi-Fi 6的无线路由器,加上 iPhone 11直接将2x2的Wi-Fi 6 纳入正式的技术规格,许多手机厂商开始群起效尤。

“目前在2020发表的高阶手机如Samsung、LG、Huawei、OPPO、Vivo、Xiaomi都已将Wi-Fi通讯部分的规格升级至Wi-Fi 6,在终端设备端的推波助澜下,Wi-Fi 6在未来两年内的普及率与穿透度将会更深更广。” Jeff Lin说。

对开发者意味着什么?


在前面我们谈到,WiFi 6无论是带宽、频段和天线等多多个方面都迎来了重大的升级,在笔者看来,这必将给开发者带来巨大的挑战。Jeff Lin也同意这个观点。他指出,Wi-Fi 6 是一个全新的规范。相对于Wi-Fi 5,Wi-Fi 6加入了许多新的技术。正因为如此,所有Wi-Fi 主芯片的供应商与相关的供应链厂商都必须针对Wi-Fi 6的技术规范来开发新的产品。在相同的起跑点上,谁能最快推出Wi-Fi 6的产品谁就能取得技术的领先地位。Jeff Lin强调。

来到射频方面,Jeff Lin举例说到,Wi-Fi 6纳入了许多新的技术,频率调变技术由原先的OFDM升级到ODFMA,调变也由256QAM提升到1024QAM, 串流数目也从最早的1x1进阶到2x2、3x3、4x4,甚至到8x8。

在他看来,这些升级回归到设计层面,那就意味着愈是高效率、高传输速率的装置需要更复杂且高规格的设计,对射频开发者而言,当中有很多问题是需要他们深入考虑的。例如1024QAM调变机制要求更低的EVM Floor,这就要求开发者必须提升系统设计与成本如Layout、版材叠层、材料选择等等来降低或克服讯号干扰的问题;至于MU-MIMO的引入,让Wi-Fi 装置的串流数目从2x2、3x3、4x4甚至到8x8,这带来最直接面对的问题就是不同通路信号在同时传送接收子时可能造成的互相干扰与多路串流系统让整体功耗提升进而产生的散热等问题。

“Wi-Fi 6目前还在起步的阶段,Wi-Fi 6E的相关规范也才刚出炉,在整个Wi-Fi 6供应链尚未健全的大环境下,射频开发者除了必须承受更大的产品开发压力如方案选择 (Wi-Fi Chipsets、FEMs、Filters、Antennas…)、系统架构 (2x2、3x3、4x4 或其他…) 等等,还有成本偏高所带来的挑战。”,Jeff Lin说。

“对于不同地区,因为有无线通讯的法规与限制,这给WiFi产品设计带来的问题,也需要开发者深入考虑的”,Jeff Lin接着说。

他表示,当前的无线通信法规可以归类为两种: 一为美规 (美国FCC-Federal Communication Commission) ,另一个为欧规 (CE-Conformité Européene )。其中FCC允许Wi-Fi发射比较高的功率,因此对于在北美地区与其他跟随FCC规范的国家 (如中南美洲、台湾,印度,新加坡,澳洲…) 通常选择高功率 (High Power) 的前端射频模块 (Front-End Module;FEM);CE对于Wi-Fi发射的功率规格较为严谨且限制较多,因此跟随CE法规的Wi-Fi 产品大多选用中功率 (Middle Power) 的前端射频模块。

针对这些不同的区域规范 (Territory Regulation),Qorvo除了前端射频模块外,还提供了边带滤波器 (Bandedge Filter) 与LTE-WiFi 并存滤波器 (LTE Co-existence Filter) 来协助开发者打造性能优越的产品。Jeff Lin举例说到,在FCC规范中,2.4GHz的第一个频道与最后一个频道 (CH1 and CH11) 必须降低发射功率,理由是因为CH1与CH11旁边紧邻的就是LTE所使用的频段,FCC为了预防Wi-Fi 2.4GHz 边带频道发射功率太大进而干扰LTE的频段才会有这个限制。但对于网络设备的供应商来说,降低某特定频道的发射功率会对Wi-Fi的覆盖率造成影响。

此外,欧洲ETSI EN 300 328 v1.8.1对LTE抗噪声干扰 (LTE Interferer Immunity) 有明确的规范。从2019年开始,许多的欧洲运营商皆已将要求Wi-Fi AP必须符合EU Blocker的法规。

以上问题都是WiFi产品开发者需要重点考虑的问题。

Qorvo的应对之策


作为射频领域的领先厂商,早在2年多前当Wi-Fi 6 还处于早期标准制定阶段,Qorvo已经与坊间主流的Wi-Fi 主芯片厂商如高通与博通等进行前期的产品规格制定与技术交流。经过多次的改良与设计变更,目前针对高通与博通的Wi-Fi 6解决方案,Qorvo有其对应的中发射功率 (Middle Power) 与高发射功率 (High Power) 以及5V至3.3电压的前端射频模块 (Front-End Module; FEM) 并成功的导入所属的参考设计。

除了前端射频模块外,Qorvo也提供了边带滤波器 (Bandedge Filter) 与LTE-Wi-Fi 并存滤波器 (LTE Co-existence Filter) 来解决上文谈到的不同地区的不同法规限制,并同时能与FEM搭配使用。

首先看边带滤波器方面,Jeff Lin告诉记者,Qorvo的这个产品可以有效地抑制非Wi-Fi 2.4GHz CH1与CH11的边带频率,除了避免Wi-Fi的信号去干扰到LTE的信号质量,同时实现所有的2.4GHz频道全部发射一样的发射功率 (Flat Power) 确保使用者不管使用哪个频道都能享有最佳的覆盖与信号质量。

Bandedge 滤波器实现了Wi-Fi 2.4GHz全频道的最大发射功率

再看,LTE Co-existence 滤波器方面。Jeff Lin表示,,Qorvo的LTE Co-existence 滤波器可以避免Wi-Fi与LTE信号彼此的干扰。

LTE Co-existence 滤波器降低LTE对Wi-Fi的干扰同时符合EU Blocker的兼容规范

除此之外,Qorvo也另辟了一个名为iFEM (Integrated FEM) 的产品线。所谓iFEM,顾名思义就是将之前所提的Bandedge或是LTE Co-existence 滤波器整合进Wi-Fi 6 的前端射频模块,除了简化无线射频前端的设计,同时降低元件成本与线路匹配调校的时间。

得益于在相关技术上面的投入和积累,Qorvo Wi-Fi 6 前端射频的产品已被市场上如高通、博通、英特尔和宽腾达等主流Wi-Fi 无线网络解决方案芯片厂商认证并纳入其所属的参考设计。按照Jeff Lin所说,有了参考设计的辅助,产品开发商能缩短产品开发时间并简化产品验证的工作,加速Wi-Fi 6 商业化与出货的时程。

“同时,Qorvo 也跟网络产品开发商与网络服务提供商共同参与新型的网络应用与架构,进一步结合物联网的概念与实际应用场景”,Jeff Lin补充说。

WiFi与5G的关系


进入WiFi 6 时代,尤其是WiFi 6E面世之后,WiFi的速度有了质的飞跃,5G本身也有了很大的提升。关于这两个网络未来的发展,也有很多的讨论。有人甚至认为这两者是一个替代关系。

针对这个问题,Jeff Lin告诉记者,5G与Wi-Fi 彼此不是竞争与对立,而是一种互相支持互相配合的关系。这主要是因为5G与Wi-Fi在不同的环境与应用场景皆有其各自的优势与劣势。

例如5G的布建必须由电信运营商来主导,加上频段使用上会有收费的问题,因此整个运营成本会远比Wi-Fi来得高,Wi-Fi本身是使用免付费的开放频段,并且产业供应链与产品覆盖率完整。而在Wi-Fi网络覆盖范围的场所与应用场景如家庭网络、公共区域 (机场、车站、体育馆等等)、特定场所 (校园、旅馆、卖场等等),Wi-Fi会是比较经济的选择,在Wi-Fi无法涵盖的范围如农村、山区、离岛等等人口密度低且网络基础建设比较薄弱的地区,就需要5G网络来支持。

“目前很多的解决方案提供商与电信网路服务运营商投入大量的时间与金钱在发展5G,然而,由于5G本身的规模太庞大,从一开始的规格制订就受到很多政策面上的限制 (如频段的分配与专利竞争),加上各国之间的政治角力 (如近日来沸沸扬扬的华为案与美中贸易战等等),不可讳言的5G面临很多的挑战。”Jeff Lin补充说。

反观Wi-Fi,Wi-Fi可说是全球最受欢迎最多人使用且产品覆盖率最高的一项无线网络技术,大部分的关键技术是由Wi-Fi芯片提供商与射频方案解决方案厂商来主导,因此在新技术的导入与布建上远比5G要来的容易,由于5G与Wi-Fi 6所推出的时程类似,于是有很多人开始争论5G是否会取代Wi-Fi 6。

“基于上述的分析与目前Wi-Fi 6在市场上的反应,我个人认为Wi-Fi 6 的产品成熟度与规范的完整度会比5G来得快且健全。”Jeff Lin说。

未来的展望和挑战


在文章前面我们谈到,因为FCC允许WiFi使用6Ghz频段,这就引发了大家对WiFi 未来的更多思考。面对这个即将爆发的新规,Qorvo又是怎样看待的呢?

Jeff Lin表示,Wi-Fi 6 纳入了许多新的技术,这些技术大大增进了连线的效率与吞吐量 (Throughput),目前IEEE与Wi-Fi Alliance 正在如火如荼地着手进行如何将新增加的6GHz频段 (5925MHz-7125MHz) 纳入Wi-Fi 6的标准规范,2019年Wi-Fi Alliance正式将这个延伸的6GHz频段命名为Wi-Fi 6E。而在今年的四月,FCC也正式投票通过让Wi-Fi 6能够使用这个频段,此举将Wi-Fi所使用的非授权使用频段从原先Wi-Fi 5的U-NII 1-3扩展到 U-NII 1-8,其中新增的6GHz频段即为U-NII 5-8。以下为U-NII 5-8的频率分布与功率限制:

Wi-Fi 6E新增的频段与功率限制

在他看来,更高的频率与更宽的频带支持也为Qorvo带来了不少的挑战。而Qorvo目前也正与Wi-Fi芯片提供商与系统商密切合作开发Wi-Fi 6E所需要的前端射频模块 (Front-End Module) 、滤波器 (Filter) 与分路器 (Diplexer),计划在2020年底能启动系统验证测试。

Jeff Lin 指出,Wi-Fi 6E所支持的更大频宽为网通设备厂带来无限的遐想,尤其是针对企业级 (Enterprise) 与公共热点 (Wi-Fi Hotspot) 的运用。根据他的观点,Wi-Fi 6可以解决Wi-Fi 5所遇到的技术瓶颈如网络拥堵与上传下载时程分配不均的问题。

“由于企业级Wi-Fi Access Point与Hotspot 必须能支持大量的使用者同时连线并对于频宽与安全性有完善的管理,高效率的连线与网络服务机制能允许每一台Wi-Fi AP连接并管理更多的使用者,WiFi 6E让每个使用者享有更好的使用体验并且在相同覆盖面积的基础上减少Wi-Fi AP的布建数目。”Jeff Lin说。

他进一步指出,利用Wi-Fi 6E这个新开放的频段具有1.2GHz频宽与干扰较少的特性,已有网络设备商着手计划利用这个频段来做AP与AP之间的「回载网络」(Backhaul)。他表示,Wi-Fi 6对于网状 (Mesh) 或是分布式 (Distributed) Wi-Fi的网络架构在规范中已有明确的定义与说明。但利用Wi-Fi 6E所定义的新频段来做为AP与AP之间的Backhaul,能让每个AP都能有更稳定的且更高速的专属网络或通道来互相连线进而实现一个完全无缝连结 (Seamless Connection) 与室内漫游 (Indoor Roaming) 的室内全覆盖环境。

以6GHz作为Backhaul来解决信号覆盖问题

在Jeff Lin看来,随着Wi-Fi 6E规格的敲板定案,Wi-Fi网络系统方案提供商也将目前Wi-Fi 三频 (Tri-Band) 的架构从2.4G + 5G (Low-Band) + 5G (High-Band) 升级到 2.4G + 5G (U-NII 1-3) + 6G (U-NII 5-8)。

基于Wi-Fi 6E下Wi-Fi 三频的架构

在WiFi 6还没有普及的时候,市场上关于WiFi 7的讨论也甚嚣尘上。在问到对这个未来新标准的看法的时候,Jeff Lin告诉记者,现在来谈论Wi-Fi 7 并不是很客观,毕竟Wi-Fi 6 整个的规范制定还未臻完善,FCC也是刚在今年4月23日正式投票通过开放Wi-Fi 6E的频段,Wi-Fi射频芯片、其他周边 (如PAs、FEMs、滤波器、天线) 与测试设备厂商正开始如火如荼地开发新产品来因应Wi-Fi 6 日趋成熟的市场与日渐增温的需求。

“根据市调机构的调查,Wi-Fi 6将在2022年达到50%以上的市场份额,我觉得那时候再来讨论Wi-Fi 7会比较有意义。”Jeff Lin说。

但对于目前市场上谣传802.11be 将会是未来Wi-Fi 7的主要架构与雏形,802.11be能够支持到最大320MHz的带宽,调变方式也从Wi-Fi 6的1024QAM晋升到2048QAM这些讨论。

Jeff Lin表示,如果要达到这样的技术要求,需要有更好的射频芯片,更高的频率与更完整的解决方案与合适的运用场景来驱动。而Qorvo身为全球射频元件的领导厂商,将积极地参与前期的规格制定到后续与解决方案提供商的共同开发然后与终端设备厂商完成产品量产、测试到布建。


*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2310期内容,欢迎关注。

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