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张鹏飞聊物联网重构与Wi-Fi 6 | “芯片大家说 I Say IC”第六期精彩实录

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:408


5G能取代Wi-Fi 6吗?


2021年6月9日晚,由张江高科和芯谋研究举办的第六期“芯片大家说/I Say IC”产业沙龙在张江科学城举行。沙龙期间,博通集成董事长兼首席执行官张鹏飞带来了主题为《物联网重构 说说Wi-Fi 6》的精彩演讲。沙龙吸引了华为、华虹宏力、紫光展锐、平头哥、英特尔等知名企业的中高层参与。
 
在现场交流环节,张鹏飞与现场观众就行业热点、产业机遇、企业策略等问题进行了激烈的探讨。 

博通集成董事长兼首席执行官 张鹏飞
 
张鹏飞先生是博通集成董事长兼首席执行官,拥有20逾年的半导体产业经验。张鹏飞先生本硕博就读于清华大学电子工程系,1994年赴美在洛杉矶加大(UCLA)从事博士后研究工作。他曾在美国与伙伴共同创立集成电路设计公司Resonext Communications,后被美国上市公司RF Micro Devices成功并购。2005年,张鹏飞回国后在上海张江高科技园区成立博通集成,专注于无线通讯集成电路芯片的研发与销售,为包括多个世界知名品牌在内的国内外客户提供低功耗、高性能的无线射频和微处理器SOC芯片, 为智能交通和物联网提供完整的解决方案。2019年4月博通集成在A股主板挂牌上市。
 
以下是芯谋研究整理的张鹏飞先生精彩演讲内容。
 
张鹏飞: 大家都很熟悉Wi-Fi,每个人手上至少有一个设备就是使用Wi-Fi的。最近两年,随着Wi-Fi 6技术的推出,众多终端产品纷纷升级到Wi-Fi 6,Wi-Fi 6也备受媒体和新闻关注。今天,我想和大家聊一聊Wi-Fi 6,聊聊它有哪些新技术升级、新的应用场景和新的投资机会。
 
我将分以下几点进行展开:1.Wi-Fi技术的起源;2.Wi-Fi 5的五大应用瓶颈;3.Wi-Fi 6九大技术升级;4.比较Wi-Fi 6和5G;5.Wi-Fi 6芯片的设计挑战;6.Wi-Fi产业的兴起;7.Wi-Fi市场的规模预测;8.博通集成的Wi-Fi产品。
 



Wi-Fi技术的起源
 
电子信息产业发展了50多年,创造了很多改变世界的产品,电脑和手机就是两个[敏感词]代表性的产品。这背后很重要的支撑技术就是传输和连接。
 
我们每天使用的无线传输协议不止一个,每个手机就至少包含三个协议:蜂窝网络、Wi-Fi以及蓝牙。衡量无线传输技术有三个重要维度:距离、带宽以及电池寿命。从技术的角度来说,没有办法把这三个维度都做到[敏感词],即便做到成本也会很高。这也是为什么手机中会有三个无线传输协议。蜂窝网络选择了优化距离,Wi-Fi选择了优化带宽,蓝牙则选择了低功耗。
 
从1999年开始,WLAN有了Wi-Fi无线通信协议标准。并经过了很长时间的发展,在Wi-Fi 6之前,经历了5代技术发展,主旋律都是提升单位时间传输的数据量。比如,Wi-Fi第三代的802.11a和802.11g协议,可以传输邮件;第四代Wi-Fi协议可以让设备自如上网,第五代Wi-Fi协议802.11ac协议可以让设备流畅地播放视频。随着技术的升级,越来越多的用户使用Wi-Fi,Wi-Fi在产业和商业上也开始成功。用户的使用瓶颈也出现了。
 



Wi-Fi 5 的五大应用瓶颈
 
我们先来看一个典型的Wi-Fi应用场景。在一个办公室环境中,有一个AP,它可以是一个路由器、一个热点或一个网关。办公室中的很多设备通过AP接入到外面的互联网。一个AP与所有连入它的设备组成了一个BSS,接入AP的设备被叫做STA。在一个BSS内,有一个AP,所有的STA在某个时间点接入AP,是需要通过竞争手段抢到无线传输介质,以此联入互联网。两个相邻的BSS叫做OBSS。
 
了解了这些之后,我们就能弄清楚,在Wi-Fi 6到来之前,Wi-Fi技术存在着哪些技术瓶颈。
 
(1)多设备共存导致严重拥堵
 
随着Wi-Fi广泛应用,在一个BSS内,与一个AP连接的STA越来越多,每个STA接入AP的几率就降低了。实际情况是,在一个BSS内,如果一个频道利用率达到75%,就已经达到饱和。再增加一个STA,严重的卡顿就要发生了。OBSS相互之间还存在着干扰。
 
(2)短帧数据占比过高
 
AP在传输STA数据的时候,需要打包把数据发出去。这个过程会产生一部分做管理和控制的开销,以便进行有效和安全的数据连接。只有有效的数据越多,传输的介质利用率越高。通常情况下,我们使用Wi-Fi发送的都是短消息,这种有效数据量并不多。只有在发送4K、8K信息时才会有大量有效数据。在这种情况下,组包过程中对无线介质的利用率非常非常低。
 
(3)频谱资源严重不足
 
我们用2.4GHz这个频段是最多的。即使用最小的带宽20MHz也只有三个可用的频道。如果用的是40MHz带宽,在2.4GHz频段只有一个频道可以选用。从频率资源上来看,2.4GHz是非常不好用的。比如802.11ap协议,如果用160MHz带宽,即使在5GHz频段,也只有两个频道可以用。很多情况下的拥堵是频道不够造成的。
 
(4)低功耗
 
物联网的用户越来越多,物联网的应用很重要的一个诉求就是降低功耗。在Wi-Fi行业,对低功耗的重视还是高度不够。现在的电子设备能一年换一次电池的。已经做得非常好了。当物联网时代到来,假设家里有100个这样的设备,那每星期就要换两个电池,这对用户的压力是非常大的。所以说延迟电池使用寿命,是非常重要的一个挑战。
 
(5)室外长距离
 
Wi-Fi是一个室内传输协议,为什么要做室外呢?现在物联网到来后,室外场景需求增加。比如安防监控、休闲娱乐场所设施,我们需要更可靠的室外传输协议。
 
这些都是Wi-Fi6到来之前,由于产业快速发展,Wi-Fi应用场景在效率上出现的困难和挑战。这也是IEEE从无线标准制定角度上推出Wi-Fi 6的产业技术背景。
 



Wi-Fi 6九大技术升级
 
Wi-Fi 6做了哪些工作呢?总结来看,Wi-Fi 6一共有九大技术升级。
 
(1)更高阶的调制技术1024QAM。
 
Wi-Fi 6采用更高阶的1024QAM调制技术,与Wi-Fi 5相比[敏感词]数据传输速率增加了25%。
Wi-Fi 5采用256QAM调制技术,单符号数据密度是8,Wi-Fi 6采用1024QAM矢量调制方式,单个符号数据密度达到10。
 
(2)子载波数据增加4倍
 
Wi-Fi采用多载波技术,Wi-Fi 5子载波数量是256,Wi-Fi 6增加了4倍,子载波数量达到了1024。子载波的增加有两个好处,一个是提高频谱利用率,另一个则是提升传输时间利用率。
 
(3)OFDMA技术
 
子载波分组形成不同大小的RU组,并以RU为单位分配给各STA。使用OFDMA技术,可以把不同的信息数据打在同一个包内,避免短包造成频谱浪费,同时也减少了STA之间的竞争,降低了时延。
 
(4)MU-MIMO技术
 
Wi-Fi 5标准中已经支持了下行多用户并发;Wi-Fi 6新增了上行多用户并发。这其中包含很多要求:信道矩阵测量,时钟管理,功率控制。MU-MIMO技术与OFDMA技术都是解决多设备传输问题的,OFDMA技术通过频率复用方式解决,MU-MIMO技术则通过空间复用来解决。
 
(5)BSS着色
 
BSS着色技术借鉴了802.11ah协议。举个例子,数据传递就像在大厅吃饭一样,每个桌子就是一个BSS,Wi-Fi 5时,只要大厅有一个人讲话你就不能讲话,但在Wi-Fi 6下,只要你这个桌子人不讲话,你就可以讲话。借鉴这种方法,可以让64个不同BSS共存。
 
(6)TWT( target wait time)
 
降低功耗最有效办法就是让不工作的设备进入睡眠状态。由于Wi-Fi 6服务于物联网应用,所以设定了可以让STA安全睡眠但却不断线。通过AP和STA协商唤醒周期,定时交换信息,辅助增加AP广播周期,提升AP的控制能力。也就是说Wi-Fi 6通过提升对设备的管理和控制能力,降低了参与竞争的设备数,降低了功耗。
 
(7)支持2.4GHz和6Ghz频段
 
为了解决频谱资源贫乏问题,Wi-Fi 6支持了2.4GHz和6Ghz频段。增加了2.4GHz频段是因为其传输损耗低而连接可靠。6G频段是Wi-Fi 6专属频段,增加了3倍的频谱资源(包含59/29/14/7频道)。6G频段没有历史版本的其他设备,无需兼容,系统效率进一步提升。
 
(8)IOT终端
 
Wi-Fi 6针对物联网应用对低功耗、低成本、低速率的特殊要求定制了20MHz的专属产品。IOT Wi-Fi 6终端仅需支持20MHz带宽,系统简单,适合于照明、夹带呢、遥控、穿戴、保健、医疗等应用场景。
 
(9)WPA 3安全等级
 
Wi-Fi 6的加密安全等级从WPA 2升级到WPA 3,加密字192b,可抵抗“字典式”攻击。保护数据破解前的安全,在公司、家庭、企业场景下的安全等级比蜂窝网还要高。
 



比较Wi-Fi6和5G
 
蜂窝网络每升级一次,都会有人出来说,Wi-Fi不需要了,在4G-LTE时这种说法就很流行。现在蜂窝网络发展到了5G,会取代Wi-Fi吗?我觉得不太可能。我们先来看一下Wi-Fi 6和5G的技术对比。
 
与5G相比,Wi-Fi 6有更好的容量和时延;单位面积覆盖成本也比5G低;5G网络分层让Wi-Fi更容易接入;安全升级更容易管理和控制数据,数据安全更可靠;前向兼容的设备使得网络升级可以分步进行;全球统一频段和协议使得Wi-Fi 6比5G更容易推广普及;新增的6GHz频段提升对5G毫末波的竞争力;用户使用Wi-Fi的习惯可以继续推动共存;室内静态和室外动态互补,互为驱动。所以,5G和Wi-Fi会持续共存下去。
 



Wi-Fi 6芯片的设计挑战
 
Wi-Fi 6的众多技术升级,对芯片设计提出了很高的要求,挑战很大。主要包括几项目:接收机、发射机、基带电路以及时钟同步。在基带电路领域,行业已经开始用更高制程的12nm、14nm。时钟发射功率控制是过去Wi-Fi系统钟没有的,这些的设计难度非常高。
 
现在已有不少公司设计出Wi-Fi 6芯片,大部分都是美国公司。最早做出来的是Quantenna,他们在2016年做出Wi-Fi 6芯片,现在这家公司已被安森美收购。值得注意的是,Wi-Fi 6的标准是在2019年制定的,2020年才推向行业。为什么他们的芯片比标准出来的还早?最重要的原因是,这些公司是参与标准制定的制定者,所以标准对我们的产业发展很重要,我们在标准环节被卡的太多了。
 



Wi-Fi产业的兴起
 
Wi-Fi产业的发展并不是轻而易举的。今天Wi-Fi产业规模达到了33000亿美金,有375亿颗Wi-Fi芯片,平均每个人手上就有两台使用Wi-Fi技术的设备。
 
在应用市场上,路由器和网关市场现在近5亿台,还在保持强劲的增长。年出货量过2亿的产品包括电视、智能音箱、家电、照明和监控摄像头。年出货量过1亿的产品包括腕表和智能开关。从2017年开始,Wi-Fi芯片市场就以每年10亿颗的数量增长。
 



Wi-Fi市场的规模预测
 
单看Wi-Fi 6市场,市场的增长趋势明显。首先,5G的快速发展带动了Wi-Fi 设备向着Wi-Fi 6的快速转换。其次,“双千兆提速”的国家政策利好Wi-Fi 6市场。第三,物联网设备密度快速增加要求Wi-Fi 6提升用户体验。最后,预计2025年有过半数Wi-Fi设备采用Wi-Fi 6。
 
Wi-Fi 6是中国半导体产业的特殊机会。回顾历史,每一个技术升级的时间节点都是进入产业好时机。新应用的出现也是创新的好时机,AIOT、工业4.0,带来了新应用市场。对于中国来说,我们拥有完整的产业链,同时国家政策在大力推动产业链安全,从投资、政策上很多相关利好,是半导体产业发展的好时机。
 



博通集成的Wi-Fi产品
 
最后,介绍下我们公司博通集成的情况。
 
博通集成,成立于2005年,专注无线传输产业,2019年A股主板上市。博通集成的产品积累主要在两个方向:一是全屋智能解决方法,主要是蓝牙芯片与物联网Wi-Fi芯片;二是智慧高速系列芯片,是国际ETC套片主要供应商,并全系列车规级芯片产品。
 
产品方面,博通集成目前有两款主打产品:Wi-Fi/BT/FM多模双核智能音频处理器芯片BK7271,有丰富音视频处理资源,包含麦克风阵列,有源降噪,人工智能关键词唤醒等特色技术;Wi-Fi 6 物联网MCU芯片BK7236,支持Wi-Fi 6协议,适合大多数物联网应用,已获Wi-Fi 6联盟认证。


“芯片大家说I Say IC”产业沙龙是由张江高科与芯谋研究联合打造的一个常态化、创新观念交流平台。未来平台将围绕产业发展热点问题,开展定期沙龙,致力于打造最有影响力的IC产业智慧、创新和交流平台。



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