《破局射频前端》之二：终端WIFI FEM的演进和价值量分析

海大指南针

发布于 2022-05-16 17:58:35

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文章被收录于专栏：iRF射频前端产业观察

前言

前作《5G射频前端的挑战和商业机会》，主要演绎了射频前端各种不同半导体工艺和产品类别的故事。详情请参考iRF射频前端产业观察公众号。这里我们来梳理下WIFI FEM的演进和相关价值量的变化。文章的重点是变化和量化。

标准的演进

【射频前端产业观察】以下WIFI标准演进部分，翻译自https://www.qorvo.com/resources/d/qorvo-the-wi-fi-evolution-white-paper。该版权归原作者所有。

介绍

在过去 20 年中，IEEE 802.11（通常称为 Wi-Fi）从 2 Mbps 演变为超过千兆位的速度，吞吐量增加了 1000 倍。该标准通过引入新的协议（如 802.11n、802.11ac 和 802.11ax（Wi-Fi 6）而不断进步。新标准支持更高阶的调制方案，如 64 QAM、256 QAM和1024 QAM。

这些新标准还支持同时将多个流MIMO传输到单个客户端或多个客户端。除了提高峰值数据速率外，还努力提高频谱效率。引入了多用户多输入多输出（MU-MIMO）和正交频分复用（OFDMA）等多用户技术，以提高网络效率和网络容量。一旦Wi-Fi（802.11）标准发布并实施，随着市场的开放和新技术的出现，世界开始发生转变。每一项新标准都建立在以前的标准之上，提高了速度和可靠性。

WIFI标准

如果你想购买一个新的无线网络设备或移动设备，你会被众多的选择和标准搞糊涂。自1997年Wi-Fi 首次向消费者发布以来，其标准一直在不断发展，通常导致更快的速度和网络/频谱效率。随着新的功能不断添加到原有的标准上面来，逐步形成了大家熟知的802.11b、802.11g。

表1列出了与这些不同标准和最大理论数据速率。数率方面需要考虑多个因素带来的降低，包括距离、调制速率和转发纠错编码、带宽、MIMO 乘数、保护间隔和典型误差率，所以实际速率低于理论值。802.11 系列由一系列半双工无线调制技术组成，这些技术基本相同的接口协议。本文将讨论每个 Wi-Fi 标准的基本知识。

802.11-1997 标准

802.11-1997 是家用的第一个无线标准，于1997 年发布，但现在已过时。本标准使用具有避免碰撞的运营商感应多访问协议（CSMA/CA），定义了通过局域网（LAN）中的空中接口进行数据通信设备的协议和兼容互连。此协议支持三个物理层技术，包括1Mbps 的红外操作、支持 1 Mbps 的跳频分布频谱（FHSS）以及支持 1 和 2 Mbps 数据速率的可选 2 Mbps 数据速率或支持 1 和 2 Mbps 数据速率的直接序列传播频谱（DSSS）。由于互操作性问题、成本和吞吐量不足，本协议并未广泛普及。

802.11b 标准

1999年中期，市场上出现了802.11b的产品。它的最大理论数据速率为 11 Mbps，并且使用与原始标准中定义相同的 CSMA/CA 中间件访问方法。数据吞吐量的急剧增加，以及价格的大幅下降，导致802.11b作为无线技术的广泛接受。802.11b 使用 2400-2500MHz. 802.11b的 ISM 无需许可频段是DSSS 的 di rect 扩展，并使用互补码键（CCK）作为调制技术。802.11b 用于点对多点配置。

覆盖范围取决于射频环境、输出功率和接收器的灵敏度。802.11b 的通道带宽为 22 MHz，可以 11 Mbps 的速度运行，但可缩减至 5.5，然后缩小到 2，然后缩小到 1 Mbps（自适应速率选择），以减损错误导致的重新广播速率。802.11b 标准与其他无线标准的频带宽相同。因此，在家庭无线设备，如微波炉，蓝牙®设备，和无绳电话可以导致对Wi-Fi的干扰。

802.11a 标准

802.11a 使用与原始标准相同的核心协议。它以 5 GHz 的速度运行，使用 52 子载波的正交频分复用（OFDM），最大理论数据速率为 54 Mbps。这实现了 20 Mbps 中的实际吞吐量。它支持的其他数据速率包括 6、9、12、18、24、36 和 48 Mbps. 802.11a 无法与 802.11b 互操作，因为它们在不同的ISM 频段中运行。因为 2.4 GHz 越来越拥挤，5 GHz 频段具有 802.11a 的显著优势，但由于载波频率较高，信号有效的覆盖范围小于 802.11b/g。

因为成本高、范围小、与 802.11b 不兼容，802.11a 产品最初没有被广泛接受。在 52 个 OFDM 子载波中，48个用于数据，4个用于带载波间隔的导频子载波，其载波间隔为 312.5 kHz。每个子载波都可以是BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM。通道的带宽为 20 MHz，占用带宽为 16.6 MHz。符号持续时间为 4 μsec，包括 0.8 μsec 的保护间隔。 OFDM 的优势包括减少接收中的多路径效果和提高频谱利用效率。表 2 列出了由 11a 支持的不同调制及其各自的理论数据速率。

表2，802.11a 20 MHz 通道间距的调制速率和数据速率。

802.11g 标准

802.11g 于 2003 年夏季上市。它使用与 802.11a 相同的 OFDM 技术。与 802.11a 一样，它支持 54 Mbps 的最大理论速率。但像802.11b一样，它在拥挤的2.4GHz中运行，因此容易受到内部干扰的影响。 802.11g 与 802.11b（即 802.11b 设备可连接到 802.11g 接入点）向后兼容。802.11g 能够使用 802.11a 和 802.11b/g 处理双频段或双模式接入点。

802.11n 标准

随着802.11n，Wi-Fi变得更加更快，更可靠。这是通过将 MIMO 和 40 MHz 通道添加到物理层（PHY）和帧聚合到 MAC 层来实现的。

MIMO 是一种利用多路传输和接收天线来利用多路径传播来增加无线电链路容量的方法。这些天线需要空间分离，以便从每个传输天线到每个接收天线的信号具有不同的空间特征，以便在接收器上，它可以将这些流分离成平行的独立通道。宽度为40MHz的通道使通道宽度翻倍，并且提供比单个 20 MHz 通道高一倍的物理数据速率。802.11n 初稿版本允许最多4 个空间流，最大理论吞吐量为 600 Mbps。

表3，802.11n 单流调制和数据速率。

20 MHz频道有 56个 OFDM 子载体，52个数据和4个具有载波分离的导航频率（312.5KHz的载波间隔）。每个子载波都可以是 BPSK、QPSK、16 QAM 或 64 QAM。总符号持续时间为3.6 或4μSec，包括分别0.4 或 0.8μSec的守卫间隔。表3列出了单个流（对于多个流，数据速率是流数的倍数）的不同调制和编码方案。802.11n 支持多个MAC 服务数据单元（MSDUs）或 MAC 协议数据单元（MPDUs）的帧聚合将它们打包在一起，以减少在多个帧上的开销，从而提高用户级别的数据速率。此外，802.11n 是向后兼容802.11g，11b 和11a. Qorvo 一直是802.11n 组件的领先供应商，包括功率放大器，低噪音放大器，集成前端模块（FEM）。

802.11ac 标准

802.11ac 通过提供每秒千兆位速度来加速 Wi-Fi，通过扩展 802.11n 概念（包括更宽的带宽（高达 160 M）来实现），更多 MIMO 空间流（最多8 个）、下行链路多用户 MIMO（最多 4 个客户端）和高密度调制（高达 256 QAM）。802.11ac支持256 QAM 在 3/4， 5/6 编码速率（MCS8/9）。这需要+6 dB更加严格的系统级 EVM （-34 dB）要求。Qorvo的11ac 组件能够轻松满足这些 EVM 要求。802.11ac 仅在5 GHz 频段工作，因此双频段接入点和客户端将继续使用 802.11n，2.4 GHz。2013年发布的第一波802.11ac，仅支持 80 MHz 通道和多达 3 个空间流，在物理层提供高达 1300 Mbps 的传输速度。第二波产品，或者说802.11ac第二波产品在2015年发布，支持更多的渠道结合，更多的空间流和MU-MIMO。MU-MIMO 是 802.11ac 的重大进步。MIMO 将多个流指向单个用户，MU-MIMO 可以同时将空间流引导到多个客户端，从而提高网络效率。此外，802.11ac 使用一种称为波束成形的技术。通过波束成形，天线能将无线电信号指向特定设备。 802.11ac 路由器与 802.11b、11g、11a 和 11n 向后兼容，这意味着所有旧客户端只需使用 802.11ac路由器即可正常工作。

Wi-Fi 6 或802.11ax标准

图 1，OFDM vs OFDMA 资源配置。

802.11ax 是第六代 Wi-Fi，基于 802.11ac 的有点，可提供更高的无线容量和可靠性。802.11ax 通过使用更密集的调制（1024 QAM）（OFDMA）、减少子载体间距（78.125 kHz）以及使用基于计划的资源分配来实现这些优势。与 802.11ac 不同， 802.11ax 是双频段2.4和5GHz技术。802.11ax 旨在最大限度地兼容，与 802.11a/g/n/ac 客户有效共存。802.11ax 使用 OFDMA，它允许资源单位（RUs）根据客户的需求划分带宽，并以更快的速度为多个个人提供相同的用户体验。Wi-Fi 通道以 802.11ac 被分解为较小的 OFDM 子通道集合。在每个 PLCP 协议数据单元（PPDU）中的运营商的给定点。使用 OFDMA （802.11ax），每个子载体组按 PPDU 单独分配给客户作为资源单位（图 1）。

早期的 802.11 标准 CSMA/CA 方法，其中无线客户端首先感知通道，并尝试通过传输来避免碰撞，只有当他们感觉到通道处于空闲状态时。虽然这种明确的评估和避免碰撞效果良好，但当客户数量增长非常大时，其效率就会降低。 802.11ax 协议通过 OFDMA 和基于时间表的资源分配解决了这个问题。 802.11ax 接入点决定设备何时运行，从而更高效地处理客户端。资源调度还显著降低了睡眠时间的功耗，从而缩短了客户的电池续航时间。表 4 列出了 802.11ac 和 802.11ax协议之间的差异。

Qorvo 广泛的 802.11ax 产品组合包括 2.4 GHz 和 5 GHz （FEM）和分立的体声波（BAW）滤波器。高集成度的 FEM 可减少与支持 MIMO Wi-Fi 设备相关的发热的问题，使制造商能够减少产品尺寸和成本。Qorvo 的edgeBoosterTM（bandedge）和coexBoostTM（共存） BAW 过滤器可提高 Wi-Fi 服务质量，并防止干扰相邻的 LTE 频率。

总结

Qorvo 是 Wi-Fi 连接解决方案的领先提供商，拥有显著的市场份额。Qorvo 的射频组件组合以最小的外形提供高效的解决方案，有助于提高整体范围、容量和吞吐率。

补充【射频前端产业观察】目前新的WIFI6e和WIFI7等等标准，增加了一些新的功能和工作频段。当然，我们也会看到一些更新更加前沿的一些方向。下图来自https://www.qualcomm.com/media/documents/files/the-wi-fi-evolution-an-integral-part-of-the-wireless-landscape.pdf