如今,2019年推出的Wi-Fi 6已经是市场主流,2020年推出的Wi-Fi 6E则沦落为“过渡标准”被很多厂商跳过。最近Wi-Fi联盟正式推出Wi-Fi 7高级无线标准的认证,意味着2024年将成为新一代Wi-Fi技术普及的元年,新标准和前几代最大的区别是什么?又将在哪些领域率先落地呢?

Wi-Fi技术诞生于1999年,是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术。从最早的802.11 b/g/a到2019年的802.11ax,几乎每一代的迭代都以约5年为周期,而在这之后,Wi-Fi技术的迭代周期明显加快。两年后的2021年出现了Wi-Fi 6E,频段扩展至6GHz,2024年伊始,单流最大速率达46 Gbps的Wi-Fi 7又来了。

相比前几代技术, Wi-Fi 7最大的特征是最大带宽增加到了320 MHz,比Wi-Fi 6直接翻倍,采用4K QAM(4096-QAM),传输速率更高,延迟降低,让Wi-Fi 7更适合低延迟、高吞吐场景,例如AR/VR/XR、电子游戏、沉浸式3D培训、汽车和工业物联网等。

1月9日,维护和开发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(802.11 be)高级无线标准的认证,适用的终端产品可以正式获得“Wi-Fi 7认证”(Wi-Fi CERTIFIED 7™)并以此进行销售。

在兼容性上,基于Wi-Fi向下兼容的标准特性,搭载Wi-Fi 7的产品,与采用此前几代标准产品之间都能完美兼容性,例如旧手机、平板设备在Wi-Fi 7网络下都能在2.4GHz与5GHz频段下正常使用。

Wi-Fi 7从2022年的芯片落地,到2023年支持相关技术的路由器落地,如今2024年有望迎来各种终端设备的爆发,为整个电子产业带来一波新的增长。根据Wi-Fi联盟数据,预计2024年将有超过2.33亿台Wi-Fi 7设备进入市场,到2028年将增加到21亿台。

Wi-Fi 6E注定是一个过渡标准

目前,2019年推出的Wi-Fi 6已经是市场主流,相关供应链也已发展成熟。这在产品价格上就能反映出来,例如华为AX3 Wi-Fi 6 路由器在京东商城上售价为229元(人民币,下同),TP-Link AX3000路由器售价249元,更低端的AX1800售价甚至只要150元左右。在终端设备上,目前手机、平板电脑和大部分商规笔记本电脑产品也都将Wi-Fi 6当做标准配置。

反观仅仅一年后(2020年)推出的Wi-Fi 6E,就没那么幸运了,在其尚未普及的情况下,Wi-Fi 7的设备就已经开始陆续推出。鉴于在Wi-Fi 5后标准迭代的速度加快,很多厂商甚至选择跳过6E,直接进入Wi-Fi 7。

这应证了业内关于“Wi-Fi 6E只是6到7之间过渡产品”的说法,“以现有市场的趋势来看确实如此。”Qorvo无线连接业务部亚洲区高级营销经理Jeff Lin(林健富)在接受《电子工程专辑》采访时表示,“目前网通业者正式发布的Wi-Fi 6E产品,相较Wi-Fi 6产品的比例,不足后者十分之一。”

Qorvo无线连接业务部亚洲区高级营销经理Jeff Lin(林健富)

Jeff总结了造成这一现象的几大因素。

首先,Wi-Fi 6E开放了UNII-5到UNII-8 (5925MHz-7125MHz)的频段,所以相比于Wi-Fi 6双频架构(2.4G/5G),在硬件上会多出一套6GHz射频硬件,成本多了三分之一;

其次,由于各国对于频段采取不同的电信法规限制,6GHz频段不能像2.4GHz或5GHz那样通用,造成了Wi-Fi 6E或Wi-Fi 7设备无法在全世界通用。例如中国并没有开放6GHz频段,所以Wi-Fi 6E与Wi-Fi 7设备在中国只能运作在2.4GHz与5GHz频段范围;

最后,Wi-Fi 6E面对的W-Fi 7是“根红苗正”的新一代Wi-Fi规范,除了6GHz频段,其演进的新技术还包括4096-QAM、MLO、Multi-RU等,大大增进了Wi-Fi的传输效能。即使6GHz频段受到了地域性的法规限制,其未来的发展与市场预期都要远强于6E。

综上所述Jeff认为,未来几年Wi-Fi 6的市场份额会继续的增长,而Wi-Fi 7则会随着测试认证标准的发布,与上下游产业链的推动下,在2024年第二季度开始起量,“至于Wi-Fi 6E,则不会有太明显的成长,且会渐渐被Wi-Fi 7取代。”

Wi-Fi 7和前几代技术最大的区别

之前的Wi-Fi 6协议在2.4GHz和5GHz频段免授权频谱有限且拥挤,现有Wi-Fi在运行VR/AR等新兴应用时,不可避免地会遇到QoS低的问题。为了实现最大吞吐量提升的目标,Wi-Fi 7引入了6GHz频段,并增加新的带宽模式,包括连续240MHz,非连续160+80MHz,连续320 MHz和非连续160+160MHz。

WiFi 7 vs WiFi 6

此外Wi-Fi 6的最高调制方式是1024-QAM,其中调制符号承载10bits。为了进一步提升速率,Wi-Fi 7将会引入4096-QAM,使得调制符号承载12bit。在相同的编码下,Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以获得20%的速率提升。

Wi-Fi 7不同于5,6代技术的另一大特点是多链路操作(Multi-Link OperationMLO),支持在站(STA,如你的手机)和Wi-Fi接入点(AP,如你的路由器)之间建立多个链接,在2.4GHz、5GHz和6GHz上建立了新的频谱管理、协调和传输机制,可同时连接到所有频段,实现了所有可用频谱资源的高效利用,增加吞吐量、减少延迟,并提高可靠性。

工作组定义了多链路聚合相关的技术,主要包括增强型多链路聚合的MAC架构、多链路信道接入和多链路传输等相关技术。其中MLO是对MAC层的一种改进,它使用MLD(多链路设备)多链路聚合来无缝动态切换来实现负载平衡和低延迟,实现更高的吞吐量、更低的延迟和更高的可靠性。Wi-Fi 7 MLO主要包括两种模式:STR模式和NSTR模式。

STR模式(同时发送和接收操作)是指同时收发模式或异步模式。也就是说,两个或更多的链路完全独立工作,它们不会相互干扰。

STR模式

NSTR模式(非同步收发操作)是指非同时收发模式或同步模式。也就是说,不允许同时进行接收和发送操作。在同一时间,所有链路只能接收或所有链路可以发送数据。

NSTR模式

除了上面谈到的,Wi-Fi 7还有几个主要技术更新:

多资源单元(Multi-RU)。在Wi-Fi 6中,每个用户只能在分配到的特定RU上发送或接收帧,大大限制了频谱资源调度的灵活性。为解决该问题,进一步提升频谱效率,Wi-Fi 7中定义了允许将多个RU分配给单用户的机制,允许一个用户对应多个RU的组合,提升资源利用率和信息传输速度。当然,为了平衡实现的复杂度和频谱的利用率,协议中对RU的组合做了一定的限制,即:小规格RU(小于242-Tone的RU)只能与小规格RU合并,大规格RU(大于等于242-Tone的RU)只能与大规格RU合并,不允许小规格RU和大规格RU混合使用。

支持多AP(Access Point,接入点)间的协同调度。目前在802.11的协议框架内,AP之间实际上是没有太多协作的关系。自动调优、智能漫游等常见的WLAN功能都属于厂商自定义的特性。AP间协作的目的也仅是优化信道选择,调整AP间负载等,以实现射频资源高效利用、均衡分配的目的。Wi-Fi 7中的多AP间的协同调度,包括小区间的在时域和频域的协调规划,小区间的干扰协调,以及分布式MIMO,可以有效降低AP之间的干扰,极大的提升空口资源的利用率。

值得一提的是,Wi-Fi 7将MIMO数据流提升为16条,变成了16×16UL/DL MU-MIMO。从单个路由器来说,理论上可以通过16根天线来收发信号,理论上可以将物理传输速率提升两倍以上。而Wi-Fi 7另一个新特性——CMU-MIMO,比MU多了一个C,这个C就是代表Coordinated(协同),意思是CMU-MIMO的16条数据流可以不由一个AP提供,而是由多个AP同时提供,对应了Wi-Fi 7的多AP协同调度功能。 

多AP间的协同调度的方式有很多,包括C-OFDMA(Coordinated Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)、CSR(Coordinated Spatial Reuse)、CBF(Coordinated Beamforming)和JXT(Joint Transmission)等。

前导码打孔技术(Preamble Puncturing)。在某些情境下,现有用户会在空闲的连续信道中(如20MHz或40MHz)占用一部分带宽,这种情况下通常会阻止AP接入点使用该频谱。前导码打孔解决方案支持AP接入点在不受上述干扰影响的同时,将主信道和剩下的不连续的可用从信道进行捆绑,让使用该连续信道成为可能。虽然打孔量减少了总体带宽,但仍能实现比其他方式更宽的信道,减少了频宽浪费,提升了频谱利用率。

在多链路操作、多AP协同调度、时间敏感网络以及增强的重传机制加持下,Wi-Fi 7具备了更高效更灵活的特性。

这些Wi-Fi技术的进步与创新,让愈来愈多新奇的、充满想象的应用实现真正的“无线化”,如Facebook的元宇宙(Meta Universe)应用、4K/8K高分辨率无线显示屏幕、实时互动的高分辨率在线游戏、与动作视觉同步机器手臂/机器人、高清无线监控系统,以及现在最火的AI高速数据传输与分析等。

Qorvo在Wi-Fi 7上的布局

基于在射频领域多年的积累,Qorvo针对Wi-Fi 7提供完整的无线前端射频模组(RF Front-End Module)和滤波器(Filters)解决方案,同时兼顾低功耗与小封装的优势,可以为产品开发提供更大的空间和灵活性。

据Jeff介绍,Qorvo在宽带前端模块(FEM)产品上涵盖了设计、生产、测试、应用等流程,“公司拥有全球先进的GaN、GaAs、SOI等工艺水平,可以快速开发出高效率、高线性、高集成度的FEM。例如公司首款面向Wi-Fi 7的非线性FEM QPF4702,支持从5.1GHz至7.1GHz的整个5GHz和6GHz频段。”

迄今为止,线性放大一直是包括Wi-Fi FEM在内RF设计所追求的“圣杯”,但随着Wi-Fi无线设备数量的增加,降低功耗和外形尺寸变得越来越重要。例如在三频段或四频段Wi-Fi 7设计中,容纳散热器和风扇等大型热管理组件的空间更小了,有时甚至没有空间。

针对此类问题的解决方案就是使用非线性FEM。与线性放大器相比,非线性FEM所需的电流更小,因此功耗可降低20-25%。为避免固有失真造成的信号衰减,Qorvo的方案还采用了DPD(数字预失真)技术,大多数Wi-Fi芯片组供应商都采用DPD查表方法为非线性FEM提供预失真参数。通过这种方式,非线性FEM可获得快速校准,而且在几乎不需要任何处理器功耗的情况下性能几乎与线性FEM相当,但效率更高。

Jeff说道,“目前用于Wi-Fi接入点的非线性FEM技术,在提高功率放大器(PA)效率的同时,降低了功耗和冷却成本,是正确实现三频段Wi-Fi 7设计的关键。向非线性FEM的转型预计将成为市场的长期趋势,企业级AP和服务提供商网关产品将率先采用这项新技术。” 

此外早在3年多前,当Wi-Fi 7还处于早期标准制定阶段时,Qorvo就已经与主流Wi-Fi主芯片厂商高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、联发科(MediaTek)、迈凌科技(MaxLinear)合作开发能够支持Wi-Fi 7的产品,例如支持UNII 1-3(5G频段)的QPQ5500以及支持UNII 5-8(6G频段)的QPQ5601,同时兼顾低功耗与小封装的优势,让网络设备厂商在产品开发上拥有更大的空间与弹性。

谈到Wi-Fi 7 技术规格上全面升级,给射频元件的设计带来的挑战,Jeff认为,320MHz的带宽与4096QAM调变,意味着前端射频器件要能有能力支持更低的EVM floor。随着Wi-Fi技术的演进,FEM必须能支持的EVM floor从Wi-Fi 4的-30dB,到Wi-Fi 5的-35dB,再到Wi-Fi 6 的-43dB。

“到了Wi-Fi 7,则一举将FEM要求的EVM Floor推升到-47 dB。”Jeff表示,Qorvo的Wi-Fi 7 FEM产品有着非常好的EVM指标,可以最大限度地把有用不失真信号通过天线发射出去,以保证接收端准确无误的解调出来有用信号。同时支持良好的320MHz带宽传输质量,大大增加接入终端设备,提升吞吐量,“通过使用Qorvo的FEM (PA+LNA+SW),能进一步提高覆盖范围距离。其中PA可以极大的增强信号发射功率,LNA可以提高信号的接收灵敏度。”

Qorvo一直与市场主流的Wi-Fi芯片厂商保持着良好的合作关系,包括前期合作开发参考设计板,以确保整机性能满足客户的指标需求。过去因为不同layout、不同板材的射频指标性都会有差异,导致产品在设计初期EVM问题一直难以解决。而Qorvo通过改善匹配,确保每一级芯片都能完美的发挥出最优性能,并针对关键指标,都留有一定的余量,以确保批量出货的一致性。

哪些领域率先落地?

有观点认为,Wi-Fi 7对于宽带网络和使用场景的要求比较高,如果不是千兆宽带或家里有几十台设备需要联网的话,盲目升级的性价比不高。对此Jeff表示认同,他认为就目前主流市场与一般Wi-Fi使用场景来说,Wi-Fi 6已经足以应付,Wi-Fi 7虽然有很多新的技术,但是本身的硬件成本相对于Wi-Fi 6来说的确偏高,“若没有极端的应用场景如AR/VR或是数十台终端设备需要同时高速传输,我认为使用者不用急于将家中的Wi-Fi路由器升级为Wi-Fi 7。”

Wi-Fi 7除了会率先在路由器上落地外,预计会在手机、笔电、XR设备、机顶盒、远程医疗等高吞吐、低延迟场景率先落地。就目前所知,市场上主流的安卓系统手机厂商将在2024年开始发布搭配Wi-Fi 7芯片的智能手机,同时某些中高端的笔记本电脑也会开始出货搭配Wi-Fi 7模块的产品。

随着Wi-Fi技术向Wi-Fi 7进阶,Wi-Fi 7全面商用的第一枪已经打响,市场当前尚处于早期阶段,国内厂商也迎来了又一次的追赶机遇。随着芯片的规模出货,各大品牌纷纷推出新款Wi-Fi 7路由器或推送Wi-Fi 7支持固件,手机厂商也在陆续给自家设备陆续OTA以增加对Wi-Fi 7网络的支持。

Wi-Fi 6在2019年推出后,用了三年到2022年才实现对Wi-Fi 5市占的超越。而Wi-Fi 7的标准认证规范于2024年1月8日正式的公布,意味着愈来愈多Wi-Fi 7设备会在2024年上市。虽然目前市场主流还是以Wi-Fi 6为主,但随着未来Wi-Fi终端产品的规格升级,上游供应链的成熟,越来越多需要高吞吐量、低延迟、高分辨率画面的互动视频应用与游戏需求,预估Wi-Fi 7的普及率将在2027年与目前的Wi-Fi 6持平,2028年会超越Wi-Fi 6成为新的市场主流。

Jeff表示,Qorvo将会继续与芯片制造商、Wi-Fi联盟和监管机构合作,加速Wi-Fi新技术的推进并与设备商密切合作推动下一代产品尽快上市。

据悉,Qorvo的新型非线性FEM元件已准备就绪,将于2024年批量投放市场。

关于受访人

Jeff Lin是 Qorvo 常驻亚洲的 Wi-Fi 专家,拥有 20 多年的无线和半导体技术经验,能够帮助 Qorvo 客户优化 Wi-Fi 解决方案,解决各种棘手的射频设计难题。

责编:Luffy
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