Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告由八部分组成:无线通信中射频和基带芯片开发及制造工艺;Wi-Fi和Wi-Fi 6/6E技术沿革、应用及市场;Wi-Fi 6路由器及主控芯片构成、主要厂商和市场增长;手机Wi-Fi 6芯片技术、开发和市场增长;Wi-Fi 6物联网应用场景、终端Wi-Fi芯片关键技术及市场增长;手机Wi-Fi 6芯片主要厂商及产品对比;Wi-Fi 物联网芯片主要厂商及产品对比;Wi-Fi技术和芯片开发人才/团队。

随着智能家居、智能表计、智能交通、智能安防,以及工业物联网的发展,针对物联网应用的无线通信技术也得到了快速发展。适合物联网的无线通信技术主要有两类:一是Wi-Fi、ZigBee和蓝牙等短距离通信;另一类是低功耗广域网(LPWAN)通信技术,LPWAN又可细分为两类:工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;以及工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

物联网无线通信技术对比

不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、传输速度和安全性等方面各有优缺点,因此各有不同的适用场景。例如,Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电的应用环境;蓝牙适合高速、传输更多信息及通过手机操控的场景。

Wi-Fi在物联网应用中也比较普遍,但连接不稳、效率不高和时断时续等一直是Wi-Fi技术让人头疼的问题。为了让Wi-Fi在万物互联的时代更加普及和持续为社会和人们创造价值,Wi-Fi联盟专门制定了IoT Wi-Fi标准 ——Wi-Fi HaLow,其IEEE代号是802.11ah。这一新的Wi-Fi标准的优势在于功耗低,传输距离长,特别适合小尺寸、电池供电的可穿戴设备,以及工业互联网部署。

Wi-Fi HaLow的特性和优势

Wi-Fi HaLow(包含IEEE 802.11ah技术的产品名称)通过在低于1 GHz的频谱下运行来增强Wi-Fi功能,以提供更大的传输范围和更低的功耗。Wi-Fi HaLow可满足物联网(IoT)的独特要求,适合工业、农业、智能建筑和智慧城市环境中的各种应用。Wi-Fi HaLow可实现传感器网络和可穿戴设备等应用所需的低功耗连接,其有效传输范围比许多其他物联网技术更长,并且在干扰严重的恶劣环境下仍可提供稳定的连接,其中穿透墙壁或其他障碍的能力是一个特别的优点。

Wi-Fi联盟制定的最新技术标准HaLow及其它Wi-Fi标准组合。(来源:Wi-Fi联盟)

作为Wi-Fi标准组合的一部分,Wi-Fi HaLow实现了Wi-Fi通信更全面的无线连接。Wi-Fi HaLow可以提供用户期望从Wi-Fi获得的许多好处,比如多供应商互操作性,易于设置且不会破坏现有Wi-Fi网络,以及最新的Wi-Fi安全性。

HaLow运行在900MHz频段上,而非现在流行的2.4GHz和5GHz频段,这一频段更适合小量数据负荷以及低功耗设备,尤其适合智能手表和智能家居设备。美国使用902MHz至928MHz的免许可频段,其它国家也使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100m的覆盖范围,但HaLow在使用合适天线的前提下可以远达1km,信号更强,且不容易被干扰。HaLow号称传输距离是标准2.4GHz Wi-Fi的两倍,而且穿墙能力更强。

物联网设备的Wi-Fi 6芯片主要功能模块构成

我们以乐鑫科技的ESP32-C6为例来说明面向物联网应用的Wi-Fi 6芯片及模组的主要组成。ESP32-C6 是一款集成 Wi-Fi 6 + Bluetooth 5 (LE) 的 32 位 RISC-V SoC,具有极低功耗和高性价比,能够大幅提升物联网设备的 Wi-Fi 传输效率,提供安全可靠的连接性能。目前,ESP32-C6 已通过 Wi-Fi 联盟认证。

ESP32-C6搭载 RISC-V 32 位单核处理器,时钟频率高达 160 MHz,内置 400 KB SRAM,384 KB ROM,并支持多个外部 SPI、Dual SPI、Quad SPI、QPI flash。ESP32-C6 具有 22 个可编程 GPIO 管脚,支持 ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI 和 PWM。

ESP32-C6 功能框图如下。

ESP32-C6 的独特之处在于提供了对 2.4 GHz Wi-Fi 6 协议 (802.11ax) 的支持,并向下兼容 802.11 b/g/n。为优化和提升物联网设备性能,ESP32-C6 支持 802.11ax 的仅 20 MHz 信道带宽工作模式,以及 802.11b/g/n 协议的 20/40 MHz 带宽。此外,802.11ax 还支持 Station 工作模式,为设备提供更高的传输速率和更低的功耗。Bluetooth 5 (LE) 可基于广播扩展 (Advertising Extensions) 和 Coded PHY 实现远距离通信。它还支持 2 Mbps PHY,用于提高传输速率和数据吞吐量。

ESP32-C6 支持上行、下行正交频分多址 (OFDMA) 接入和下行多用户多输出多输入 (MU-MIMO) 接入机制,均能实现在拥堵的无线网络环境中,进行高效率、低延迟的工作。802.11ax 协议的另一个重要功能是目标唤醒时间 (Target Wake Time, TWT),使设备在支持 802.11ax 的 Wi-Fi 接入点协助下延长睡眠时间。这一特性将允许 ESP32-C6 用户构建由电池供电的物联网设备,设备可以基于电池电量使用数年,并始终保持连接状态。

ESP32-C6 支持基于 RSA-3072 算法的安全启动、基于AES-128-XTS 算法的 flash 加密、用于保护设备身份安全的数字签名和 HMAC 模块,以及用于提高性能的加密加速器。这些安全机制确保了由 ESP32-C6 构建的设备具有高标准的安全级别。

ESP32-C6 依旧沿用乐鑫的物联网开发框架 ESP-IDF,ESP 用户可以基于熟悉的开发平台,轻松构建 ESP32-C6 应用。用户如果想将 ESP32-C6 用作外部主机的协处理器,可选择乐鑫 ESP-Hosted 和 ESP-AT 固件。

物联网Wi-Fi芯片的关键技术和开发重点

相对于路由器和手机用Wi-Fi芯片,面向新兴物联网应用的Wi-Fi芯片无论在技术难度和市场竞争方面都比较低,因此我们看到大部分国产Wi-Fi芯片初创公司都是面向物联网应用领域的。乐鑫科技的Wi-Fi MCU在全球市场份额最大,高达30%以上,我们可以从该公司的年度报告中看出其Wi-Fi芯片产品规划和Wi-Fi关键技术的研发重点。

乐鑫目前已有 ESP8266、ESP32、ESP32-C以及 ESP32-S 四大物联网芯片产品系列。自 ESP32 系列起,新增蓝牙和 AI 算法功能,芯片产品向 AIoT 领域发展。“处理”以 MCU 为核心,包括 AI 计算;“连接”以无线通信为核心,目前已包括 Wi-Fi 和蓝牙技术。

其中 ESP32-S 系列自 ESP32-S3 芯片开始,会强化 AI 方向的应用。ESP32-S3 芯片的 MCU 增加了用于加速神经网络计算和信号处理等工作的向量指令 (vector instructions)。AI 开发者们通过使用这些向量指令,可以实现高性能的图像识别、语音唤醒和识别等应用。此系列未来还会衍生出四核及以上多核 AIoT 产品线。

此外,乐鑫还以开源的方式建立了开放、活跃的技术生态系统,自主研发了一系列开源的软件开发框架,如操作系统 ESP-IDF、音频开发框架 ESP-ADF、自组网 Mesh 开发框架 ESP-MDF、设备连接平台 ESP RainMaker、人脸识别开发框架 ESP-WHO 和智能语音助手ESP-Skainet 等,以此构建了一个完整、创新的 AIoT 应用开发平台。

该公司在物联网 Wi-Fi MCU通信芯片领域的核心技术包括:

  1. 大功率 Wi-Fi 技术:在通用的 CMOS 半导体工艺条件下,提高 Wi-Fi 射频信号的发射功率。
  2. Wi-Fi 基带技术:为芯片提供高速、稳定的无线数据传输。
  3. Wi-Fi 物联网异构实现方法:在 Wi-Fi 物联网中设置基带速率可调的 Wi-Fi 物联网桥接设备,该桥接设备采用时分的形式,分别以降基带速率方式与长距离物联网设备进行通信,以全基带速率方式与全基带速率设备进行通信。
  4. 基于组 MAC 地址的多 Wi-Fi 物联网设备分组集体控制系统及方法:该技术对大量功能相近的 Wi-Fi 物联网设备,以组 MAC 地址进行群体操作,可以减少数据包发送数量,简化控制过程,加快被控设备的反应速度。
  5. Wi-Fi Mesh 组网技术:该技术能够支持高带宽、高传输率的Wi-Fi 设备组网。

在众多国产物联网Wi-Fi芯片厂商中,翱捷科技是除乐鑫科技之外值得关注的一家公司。该公司的科创板上市申请最近成功过会,应该很快就可以登陆科创板。翱捷的核心技术简要介绍如下。

  1. 全制式蜂窝基带芯片技术:在5G 通信领域,实现了独特的软硬件结合的全模全频段搜网技术,极大提高了搜网和从无网到有网的恢复速度,同时,自主研发设计了基带与射频间的超高速数字接口,保证了芯片内部的数据传输速率及稳定性。
  2. 超低功耗SoC 芯片设计技术:包括数字设计中的精细化时钟开闭管理、电源域开闭管理、动态降频与降压技术,高转化效率的集成开关电源、低功耗高性能的数模转换器件和射频设计技术,以及物理设计中对器件筛选并通过动态仿真对功耗进行评估优化的技术等。
  3. 基带射频一体化技术:通过先进的数模混合设计技术,有效地解决了数字电路对模拟电路的串扰,实现基带射频一体化,可有效降低芯片成本、面积、功耗及客户布板难度。
  4. 超大规模数模混合芯片设计技术:从电源管理、功耗监控、高性能封装和高可靠性测试等四个方面逐步攻克了设计难题,并已在先进制程上得到实施。公司为客户定制的超大规模芯片已量产,实现了在单颗芯片上晶体管数量达到177 亿(华为麒麟990 旗舰手机芯片晶体管数量为103亿)。
  5. 高性能ISP 设计技术及图形处理和显示技术:ISP 单元同时集成了高动态图像视频处理、二维和三维图像去噪和增强及镜头畸变矫正等能力,在图像分辨率、颜色还原能力、图像动态范围等具有优异表现。公司自主研发的高性能LCD controller 模块具有多层的合成能力,支持Crop、Rotation、1-1-156 Scaling、色域转换、Gamma 校正、色彩矫正等多种图像处理功能。
  6. 动态可重构神经网络技术引擎NPU 设计技术:基于自有先进的异构、可扩展的领域专用智能处理芯片设计和智能算法编译器技术,同时具备了AI 算法的领先软硬件协同开发方法。

物联网应用场景及终端市场规模

Wi-Fi作为物联网最重要的连接方式之一,将受益于物联网的快速发展。Wi-Fi MCU从家电应用向非家电应用加速渗透,包括灯、插座、窗帘、门锁、智能穿戴产品等。Wi-Fi 6的多用户MIMO技术极大的改善了多个终端并发的通信速率问题,扩大单个路由器的可连接终端数量。到2023年将达到90%左右,成为真正的主流产品。

根据ABI Research数据,2019年全球Wi-Fi芯片出货量约为32亿片,随着Mesh网络、智能家居、车联网等应用的兴起,Wi-Fi芯片将保持快速成长态势。另据Techno Systems Research数据,全球物联网Wi-Fi芯片2019年出货量约为5亿片,将持续保持40%以上高速成长。在物联网芯片应用方面,Wi-Fi MCU主要应用分布于智能家居中的家用电器设备、家庭物联网配件(例如电灯和插座)、工业物联网等。根据Techno Systems Research的行业调查报告,家用Wi-Fi产品占物联网应用的69%,工业应用占比17%。

得益于性能的全面升级,Wi-Fi 6的应用场景得到拓宽。与5G应用场景相似,适用于对高速率、大容量、低延时要求高的场景,主要包括消费级场景,例如智能手机、平板电脑、智能家居、智能穿戴设备等智能终端、超高清应用以及VR/AR等;服务场景,例如远程医疗;高密度场景,例如机场、酒店、大型体育场馆等;工业级场景,例如智慧工厂、智能仓储等。

Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告之一:无线通信中射频和基带芯片开发及制造工艺

Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告之二:Wi-Fi和Wi-Fi 6/6E技术发展、应用及市场

Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告之三:Wi-Fi 6路由器及主控芯片构成、主要厂商和市场增长

Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告之四:手机Wi-Fi 6芯片技术、开发和市场增长

责编:Steve
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