【導(dǎo)讀】2019年的9月,Wi-Fi聯(lián)盟宣布正式啟動Wi-Fi 6認證計劃授權(quán),此舉意味著我們正式步入了Wi-Fi 6時代。根據(jù)ABI Research的預(yù)測,全球Wi-Fi 6芯片組的出貨量將從2020年的約4億增長到2025年的約33億??梢?,在接下來的幾年中,Wi-Fi 6技術(shù)將處于快速市場上升期,并將加速滲透到我們的生活中。
Wi-Fi作為最成功的無線標準之一,經(jīng)過20余年的發(fā)展,已經(jīng)打下了自己的一片“江山”。一路走來,不斷提速無疑是Wi-Fi標準開疆?dāng)U土的一大法寶。
數(shù)據(jù)顯示,Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax標準)在160MHz信道寬度下,單流最高速率為1,201Mbps,理論上最大數(shù)據(jù)吞吐量可達9.6Gbps。這一數(shù)值是上一代Wi-Fi 5標準的1.4倍,與初代Wi-Fi標準2Mbps的傳輸速率相比更是提升了數(shù)千倍!正是由于在數(shù)據(jù)傳輸速率上的優(yōu)勢,Wi-Fi已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)高速互連的不二之選。
預(yù)計到2025年,全球Wi-Fi設(shè)備的年出貨量將增長到45億臺,全球Wi-Fi裝機總量也將達到155億臺以上。屆時,Wi-Fi 6將是市場中絕對的主角。
圖1:Wi-Fi標準演進
(圖源:Qorvo)
采用前沿技術(shù),全面提升性能
不過,如果我們仔細審視Wi-Fi 6,會發(fā)現(xiàn)Wi-Fi標準的這次迭代升級,并非一次簡單的以提高峰值吞吐能力為目的的提速之旅,而是一次性能上的全面突破,在穩(wěn)定性、可靠性、吞吐量、容量、效率和低延遲等方面實現(xiàn)了全方位的提升。
為了實現(xiàn)這個目標,Wi-Fi用上了各種前沿?zé)o線技術(shù)。具體來講,Wi-Fi 6基于這些前沿技術(shù)而獲得的關(guān)鍵特性優(yōu)勢包括:
#1 支持上行MIMO:盡管Wi-Fi 5就已經(jīng)采用了MU-MIMO(多用戶MIMO)技術(shù),但是僅在下行模式中才支持,而Wi-Fi 6則實現(xiàn)了對上行MU-MIMO的支持,能夠處理上下行的8個數(shù)據(jù)流,使得多個用戶可同時上傳和下載數(shù)據(jù),用戶體驗大為提升。
#2 更寬的調(diào)制:在調(diào)制技術(shù)上,Wi-Fi 6采用了1024 QAM編碼10-bit調(diào)制方案,與Wi-Fi 5中的8-bit 256 QAM調(diào)制相比,將每個符號的傳輸容量提高了25%,顯著提升了每個有效負載中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,可實現(xiàn)更高的吞吐量。
#3 更高容量和效率:Wi-Fi 6上行和下行鏈路中采用了正交頻分多址(OFDMA)技術(shù),而不是Wi-Fi 5中的正交頻分復(fù)用(OFDM),這樣就能夠用FDD取代TDD,還能實現(xiàn)特定信道內(nèi)的資源單元分配,允許多達30個用戶同時共享一個信道來減少延遲、提高容量和效率。同時,Wi-Fi 6子載波間隔減小至78.125kHz,僅為Wi-Fi 5間隔的25%,且符號比Wi-Fi 5長4倍,這些特性綜合在一起使得Wi-Fi 6能夠同時上傳或下載多個數(shù)據(jù)包,工作更加高效。
#4 更低的功耗:由于具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,Wi-Fi與其他無線技術(shù)相比功耗也較高,這也限制了Wi-Fi的應(yīng)用范圍。為了解決這個問題,Wi-Fi 6新增了目標喚醒時間(Target Wake Time,TWT)功能,可根據(jù)實際需要決定喚醒時間,通過更靈活的電源管理調(diào)度令功耗最小化。
#5 更大的覆蓋范圍:利用波束成形技術(shù),Wi-Fi 6還可使接入點(AP)將信號定向傳輸?shù)娇蛻舳?,而不是向所有方向漫射。此舉有利于擴大通信覆蓋范圍和提高吞吐量,與MU-MIMO配合后還可以對網(wǎng)絡(luò)上多樣化的設(shè)備連接進行優(yōu)化。
擴展的頻譜,擴展的應(yīng)用空間
有了上面這些優(yōu)勢特性的加持,可以預(yù)見,Wi-Fi 6的應(yīng)用空間也會大為擴展,催生出更多的新應(yīng)用場景。不過,Wi-Fi 6的商用之旅想要一路暢通,還有一個很關(guān)鍵的“坎兒”需要邁過去。
隨著人們對Wi-Fi無線互連需求的不斷增長,網(wǎng)絡(luò)擁塞似乎不可避免,這也會導(dǎo)致Wi-Fi通信的性能受限和QoS的降低。隨著Wi-Fi應(yīng)用版圖的擴張、用戶數(shù)據(jù)量的增加,這一挑戰(zhàn)將日益嚴峻。
有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn),擴大頻譜是根本性的解決方案。根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的報告,到2025年,想要滿足峰值Wi-Fi使用需求,至少需要500MHz至1GHz的額外頻譜,而這個數(shù)據(jù)的上限值可能高達1.3GHz到1.8GHz。
2020年4月,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準將6GHz頻段中的1.2GHz非授權(quán)頻譜用于Wi-Fi,這在Wi-Fi標準發(fā)展史上可以說是一個里程碑,從此Wi-Fi終于可以跳出2.4GHz和5GHz頻譜范圍的限制,擁有一片“新天地”。
6GHz頻段的Wi-Fi 6被稱為Wi-Fi 6E,這意味著人們可以將那些更高速、高性能的任務(wù)遷移到這一擴展頻譜中,不因其他“較慢”設(shè)備的影響而阻塞網(wǎng)絡(luò)。這就讓這一頻段更為“干凈”,也更適合那些大容量應(yīng)用的密集部署。
同時,Wi-Fi 6E還可以將延遲拉低到2ms,這樣就可以更好地支持VR/AR耳機、4K/8K流媒體、低延遲游戲、高速無線NAS等應(yīng)用,甚至有望向工業(yè)等時間敏感型應(yīng)用滲透,以取代成本更高且靈活性差的有線以太網(wǎng)解決方案。
圖2:Wi-Fi 6/6E和Wi-Fi 7的頻段
(圖源:Qorvo)
可以說,采用新技術(shù)帶來的全面性能提升,以及頻譜擴展帶來的應(yīng)用空間的擴展,使得Wi-Fi這個“老標準”煥然一新,充滿了活力,這給人一種感覺——你想象力所及之處,Wi-Fi 6的觸角似乎都可以觸達。
創(chuàng)新FEM解決方案助力Wi-Fi落地
當(dāng)然,想讓W(xué)i-Fi 6/6E這一新標準順利落地,想讓現(xiàn)實與理想同樣“豐滿”,還需要大量的鋪墊工作,特別是在技術(shù)上,與原先Wi-Fi配套的各類解決方案,都需要同步來一次升級。
比如說在Wi-Fi RF系統(tǒng)設(shè)計中很關(guān)鍵的前端模塊(FEM),要想跟上Wi-Fi 6快速商用的步伐,就需要在以下方面進行優(yōu)化:
● 小型化:FEM需要通過提高自身集成度,在緊湊的單一封裝內(nèi)實現(xiàn)更多功能,進而簡化系統(tǒng)架構(gòu)。
● 低成本:由于Wi-Fi 6/6E支持更多的頻段,傳統(tǒng)的窄帶方案需要采用多個FEM,并通過開關(guān)元件進行切換,這勢必會增加成本。因此找到一種能夠簡化設(shè)計、降低成本的解決方案,便成為剛需。
● 低功耗:在確保吞吐量和性能的同時,要降低系統(tǒng)整體的能耗,也要求進一步從FEM身上挖潛。
Qorvo推出的寬帶低功耗QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊,就是按照這樣的標準打造的全新解決方案。
圖3:QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊
(圖源:Qorvo)
QPF4730在單一封裝(3.0mm x 3.0mm)中,集成了5GHz至7GHz功率放大器(PA)、單刀雙擲開關(guān)(SP2T),以及可旁路低噪聲放大器(LNA),自身外形緊湊。高集成度又帶來了系統(tǒng)設(shè)計的簡化,因此能夠盡可能減少PCB的占板面積。
圖4:QPF4730的功能框圖
(圖源:Qorvo)
同時,與上文提到的傳統(tǒng)窄帶FEM方案不同,QPF4730的寬帶特性使其可以在UNII5-8(5.1GHz至7.1GHz)的所有通道上運行,且無需任何邏輯切換,可以顯著減少設(shè)計向Wi-Fi 6E升級時所需的PCB空間,也有助于提高Wi-Fi 6E整體系統(tǒng)的性能、容量和靈活性。
在低功耗性能方面,QPF4730采用了3.3V電源電壓的功率放大器,可以節(jié)省功耗,同時保持高線性輸出功率和吞吐量。
QPF4730 FEM還包括用于二次和三次諧波的芯級濾波裝置,以及用于DBDC操作的2.4GHz抑制。它還提供寬帶對數(shù)電壓檢測器,用于應(yīng)用反饋??梢哉f,為了滿足Wi-Fi 6/6E的全面升級,QPF4730也進行了全面的優(yōu)化。
QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊主要特性
● 頻率范圍:5.150GHz至7.125GHz
● POUT= +12.5dBm MCS11 HE160 -43dB動態(tài)EVM
● POUT= +15dBm MCS11 HE80 -43dB動態(tài)EVM
● POUT= +17dBm MCS9 VHT80/160 -43dB動態(tài)EVM
● POUT= +21.5dBm MCS0 VHT20頻譜模板適應(yīng)性
● 優(yōu)化用于+3.3V工作電壓
● Tx增益:30dB
● 1.9dB噪聲系數(shù)
● Rx增益:14.5dB
● 旁路損耗:8.5dB
● Rx路徑上具有254B 2.4GHz抑制
● 集成直流對數(shù)功率檢測器
● 3.0mm x 3.0mm 16焊盤層壓型封裝
● 無鹵、無鉛、符合RoHS指令
本文小結(jié)
毋庸置疑,在未來萬物互聯(lián)的世界中,Wi-Fi作為一個主流的無線通信技術(shù)將占據(jù)著主流的地位。想要在這個領(lǐng)域布局和深耕,當(dāng)下把握住Wi-Fi 6/6E技術(shù)升級和應(yīng)用擴展的風(fēng)口至關(guān)重要。在這個過程中,RF解決方案更是重中之重。
Qorvo推出的QPF4730 Wi-Fi?6E低功耗前端模塊提高了Wi-Fi 6/6E架構(gòu)的效率,能夠有力地支持QoS、傳輸距離和吞吐量的提升,盡可能提高Wi-Fi 6/6E應(yīng)用的用戶容量,并充分利用了全部可用頻譜。同時,它還在設(shè)計小型化、成本控制方面為客戶提供更多的價值??梢源_定,在我們向Wi-Fi 6/6E邁進的過程中,QPF4730將是一個不可多得的好伙伴。
來源:貿(mào)澤電子
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