去年,WiFi 7标准冻结、CERTIFIED 7认证计划启动。这在标志着WiFi 7时代逐渐开启的同时,也加速了WiFi 8的进程。根据IEEE的计划,WiFi 8预计在2028年左右发布,相关标准(IEEE 802.11bn)自2023年项目授权请求(PAR)获得批准后,工作组已经开始敲定更多细节。
尽管距离正式发布还有一段时间,市场上也还没有支持WiFi 8的产品完成,但是大致的原则方向已经确定,WiFi 8 在不增加频宽、频道数量的基础上,将关注重点放在有效吞吐量的提升和用户体验的改善之上。这一改变对于射频器件的开发或将带来更大的挑战,也给射频厂商带来更多新的发展机会。
WiFi 8转换发展路径
近年来,WiFi 标准持续更新迭代。WiFi 6的推出让人们看到了无线网络技术的一次质变,它不仅提高了网络的速度,还改善了多设备同时连接时的表现。WiFi 6E则在WiFi 6的基础上进一步拓展了频段,让网络的表现更加出色。WiFi 7继承并发扬了WiFi 6E的优点,在其基础上进行了多项技术创新,比如320MHz频宽、4096QAM基频接入、MultiRU等。
WiFi 8 标准的设定却改变这一发展趋势,从增加频宽、频道数量,提升数据传输速度,转向了着重改善传输质量。WiFi 8 保持WiFi 7标准的23Gbps带宽、4096QAM调制方式、信道数量及频段(如2.4GHz、5GHz和6GHz)不变,引入协调空间重用(Co - SR)、协调波束成形(Co - BF)、动态子信道操作(DSO)和更精细的数据速率控制等技术。
“WiFi 8追求的是超高可靠性。从WiFi 8 功能的设定上就可以看出,并没有追求更高的频宽、更高的吞吐量,而是注重AP和Client之间如何更有效率地连接,考虑如何提供一个更稳定、更少延迟的无线网络环境。”Qorvo亚太区无线连接事业部高级行销经理林健富表示。
慧智微副总裁彭洋洋也指出,在传输速率上,目前来看WiFi 8与WiFi 7没有明显区别,同样是采用2.4/5/6GHz三个频段,同样采用最高4096-QAM的调制方式,同样支持最大320MHz信道带宽,同样理论最高达到46Gbps的峰值速率。然而,速率没有明显提升,并不意味着WiFi技术就不再演进了。WiFi 8的重点转向优化实际效率与可靠性,在相同硬件参数下提升多设备、高密度场景的体验,而非进一步提高理论速率。
一种现实选择?
之所以会出现这样的转变,或许是业界的一种现实选择。
唯捷创芯市场经理赵星指出:“过往几代的WiFi标准的演进,主要是通过增加新频谱,信号流数,使用更宽的信号带宽,更高阶的调制信号来提高系统吞吐量;同时通过MU-MIMO,MLO等技术提高数据传输效率。发展到WiFi 7,理论最大吞吐量已经达到46Gbps。虽然实际使用无法达到理论值,但是一般使用场景WiFi7提供的理论吞吐量能力已经是足够了。然而,在一些复杂使用场景下,信号传输的可靠性和数据传输效率以及时延表现还是是有所不足,不能很好地满足诸如AR,VR,高清流媒体、远程医疗,智能工厂、智慧城市级等需要实时响应的应用。”
WiFi 8也就是802.11bn(Ultra High Reliability),从命名上来看就可以看出,这一代标准就是旨在提高传输可靠性的。通过WiFi8新增的一系列功能,优化现有资源,实现增强可靠性,减小时延的效果,从而满足未来一系列对时延和实时数据处理有较高要求的应用的需求。
之所以WiFi 8没有走之前标准的老路,加大信号带宽,使用更高阶调制,使用更多信号流数,赵星认为主要有两个方面原因:一是目前WiFi 7在吞吐量上已经满足一般日常应用需求。单纯在上述技术点做升级,也无法解决未来新应用对于可靠性和时延需求上的痛点。
二是在技术实现上的难度和回报不如目前WiFi 8的方案更优。比如在增加信号带宽方面,6GHz~7GHz范围内,只有6个320MHz的信道,其中不重叠的只有3个信道。如果进一步增大带宽,可用信道数会进一步降低,实际使用效率较低。同时更大带宽对于实现高质量的信号传输也有很大挑战。在更高阶调制方式上,目前WiFi 7已经使用4K-QAM调制方式,进一步升级就需要到16K-QAM,这部分升级只能带来16%的理论最大速率提升。但是实现上的复杂度和代价很大。如果再考虑覆盖,实际投报并不高。
更高的精度,更多的协调!
尽管没有进一步追求传输速率,WiFi 8对于射频器件等硬件设备的要求却没有降低。“在WiFi 8的时代,很多东西都是需要进行协调的。多链路操作(Multi-Link Operation)、多资源单元(MRU)等,都是WiFi 7标准下的一些功能,但是如何让这些协调器或者是不连续的频带能够更有效地利用?这就给FEM(前端模块)在设计上造成了很多问题。在2.4G、5G、6G上的多个频段,怎样避免频段和频段之间的干扰,也是射频厂商需要解决的问题。如果说以前开发FEM只要考虑发射和接收两个方面,那么WiFi 8时代需要考虑的问题就更多,要做更多的协调器,要考虑支持更多的发射模式。”林富健表示。
根据彭洋洋的介绍,WiFi 8的变化对射频器件的要求具体表现在以下几个方面:一是多接入点协同技术驱动器件精度跃升。如果需要实现多个AP连接同一个终端设备,则需要对多个AP的功率、相位等有精确的控制。所以就需要射频器件有更高的性能一致性和性能稳定性。另外,协调波束成形(Co-BF)也是WiFi 8中的重要潜在技术,这种技术利用多个AP设备,将信号集中对准正在活动的用户设备,减少向不需要的区域和空闲设备发送信号。这种技术也需要射频器件有极高的控制精度。
二是动态资源管理催生的软件定义射频需求。动态协调机制也是WiFi8中所强调的重要特性。为了实现这一特性,需要射频器件也具备动态调节能力,以适应协议所要求的资源调度需求。在WiFi 7及之前的射频器件中,射频器件的工作状态相对单一,仅有1到2个工作状态,无法支持复杂的资源配置需求。WiFi 8到来之后,可根据资源调度而进行配置的射频器件成为必需。
三是系统复杂度指数级增长。在WiFi 7及之前的射频系统中,射频器件的作用主要是功能实现。所以系统架构与方案都相对简化。用到的射频器件也较少。在WiFi 8中,为了实现连接的可靠与灵活,需要搭建更为复杂的射频系统。可能引入更多的滤波器等器件,解决不同频段间的信号干扰问题。也将引入更多的智能天线切换开关器件,实现天线系统的灵活切换。
四是成本优化压力显著增大。WiFi 8中,对于连接可靠性及运行效率的提升,本质是为了支持更多设备的连接。参考WiFi 6/7商业化路径,WiFi 8需在性能与成本间取得平衡。2025年,WiFi 6和WiFi 7有望逐渐成为市场出货的主流。根据TSR的预测,2025年WiFi 6终端出货将达到17亿部,而WiFi 7的出货也将超过2亿部。与此同时,已有厂商将WiFi 6 FEM的价格降至0.15美元/颗,WiFi 7 FEM的价格降至0.2美元/颗。当协议演进至WiFi 8协议之后,为了实现新协议的快速商用,有竞争力的方案价格也是必要支撑。所以,对射频器件的成本要求也将更加极致。
射频器件厂商积极应对需求
面对这些变化趋势,射频器件厂商也在对自身的技术产品进行积极地优化。彭洋洋指出:“原来的WiFi技术对于连接可靠性考虑较少,而WiFi 8技术演进将连接可靠性置于核心地位,要求射频厂商从器件级创新到系统级优化全面考虑。”
具体而言,在器件级干扰抑制技术方面,可以在关键频段采用BAW/FBAR等高性能滤波器;可以采用电磁屏蔽强化,对PA/LNA模组进行电磁屏蔽处理等。也可以进行射频前端的架构优化,比如通过多频段协同设计,解决频段共发时的干扰问题;在共发频段采用多工器合路,解决频段间干扰等。在系统级干扰管理方面,对于敏感器件,可以进行系统布局优化,必要时采用动态频段切换避免不同信号在时间上的交叠。
林健富在减少功耗设计方面介绍了当前的一些做法。“从WiFi 7以后,前端射频器件会慢慢从传统的线性放大器走到非线性放大器。非线性不需要维持本身PA的线性度,所以在设计PA的时候耗电量会变得比较低。但由于在系统层面对器件的要求是线性的。这个时候就需要通过数字预失真(DPD)技术,配合本身非线性的放大器达到线性效果。也就是说,未来射频厂商将要花费更多资源与主芯片厂商合作,开发一个更好的非线性PA+DPD的方案。
赵星指出,WiFi 8虽然在频段、带宽、调制方式上没有变化,但根据目前看到的WiFi 8新特性分析,射频器件相比WiFi 7可能会有一些方案上的变化。同时,在功耗和其他一些系统指标上也有可能面临更加严格的要求。唯捷创芯在一年前已经开始关注和跟进WiFi 8标准的定义和演进方向,并提前规划技术储备以及正式项目计划。
中国企业面临新机遇
从当前的市场格局来看,WiFi芯片市场仍然由国际巨头所主导,但是近年来中国厂商的进步也很多,特别是射频厂商的进步更大。未来WiFi 8将给中国企业带来更多新的发展机遇。
赵星认为,国产厂家这几年确实取得了显著进步和成绩。甚至有的产品国产器件在某些方面做得比国际大厂还好。但是,综合来看,国产厂家还是处于追赶的过程。“我们在进步的同时,国际大厂也在进步。对我们而言,更好地满足客户需求才是做产品的目标。基于客户需求,公司制定了技术路标和产品路标。相信只要坚持以客户为中心,持续给客户提供有竞争力、有价值的产品,在成就客户的过程中,也会把自身的产品打磨得越来越好。”
彭洋洋指出,过去10年期间,我国无线通信技术快速发展,产业链逐步完善。在蜂窝领域,我国已经实现了3G突破、4G并跑以及5G的引领。在WiFi领域,我国也构建了从芯片、系统到应用的全产业链构建。如果要在WiFi 8时代实现技术突破,首先是要深耕底层技术,实现对底层技术的掌握。不再只是对已有技术的跟随与替代,而是构建技术创新底层逻辑;突破原有技术封锁的唯一出路,在于重构技术创新的底层逻辑。这要求企业从“技术跟随”转向“规则颠覆”,在基础理论层面发起非对称突破。
其次是以用户应用为导向,解决用户实际问题。WiFi 8在定义上就是为解决用户使用过程中的痛点,我国具有广大的用户基础与丰富的用户场景。开发WiFi 8产品时,必须跟随用户痛点,解决用户面对的实际问题。
第三是做好产业链协同,发挥产业链优势。除设计公司外,我国还具备生产、材料、系统应用、用户终端等全产业链;在发展WiFi 8时,可以利用产业链优势,紧抓WiFi 6/7向WiFi 8协议转化的关键窗口期,实现技术和产品的跃迁。