Qorvo 眼里的 WiFi 6 机遇与挑战

                                  本文来自Qorvo公众号

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 7.125GHz 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、中国台湾，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。