張鵬飛：物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu) 說說Wi-Fi 6

| 5G能取代Wi-Fi 6嗎？

2021年6月9日晚，由張江高科和芯謀研究舉辦的第六期“芯片大家說/I Say IC”產(chǎn)業(yè)沙龍?jiān)趶埥茖W(xué)城舉行。沙龍期間，博通集成董事長兼首席執(zhí)行官張鵬飛帶來了主題為《物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu) 說說Wi-Fi 6》的精彩演講。沙龍吸引了華為、華虹宏力、紫光展銳、平頭哥、英特爾等知名企業(yè)的中高層參與。 在現(xiàn)場交流環(huán)節(jié)，張鵬飛與現(xiàn)場觀眾就行業(yè)熱點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)機(jī)遇、企業(yè)策略等問題進(jìn)行了激烈的探討。

以下是芯謀研究整理的張鵬飛先生精彩演講內(nèi)容。

張鵬飛：大家都很熟悉Wi-Fi，每個(gè)人手上至少有一個(gè)設(shè)備就是使用Wi-Fi的。最近兩年，隨著Wi-Fi 6技術(shù)的推出，眾多終端產(chǎn)品紛紛升級到Wi-Fi 6，Wi-Fi 6也備受媒體和新聞關(guān)注。今天，我想和大家聊一聊Wi-Fi 6，聊聊它有哪些新技術(shù)升級、新的應(yīng)用場景和新的投資機(jī)會(huì)。 我將分以下幾點(diǎn)進(jìn)行展開：1.Wi-Fi技術(shù)的起源；2.Wi-Fi 5的五大應(yīng)用瓶頸；3.Wi-Fi 6九大技術(shù)升級；4.比較Wi-Fi 6和5G；5.Wi-Fi 6芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；6.Wi-Fi產(chǎn)業(yè)的興起；7.Wi-Fi市場的規(guī)模預(yù)測；8.博通集成的Wi-Fi產(chǎn)品。

Wi-Fi技術(shù)的起源

電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展了50多年，創(chuàng)造了很多改變世界的產(chǎn)品，電腦和手機(jī)就是兩個(gè)最具代表性的產(chǎn)品。這背后很重要的支撐技術(shù)就是傳輸和連接。 我們每天使用的無線傳輸協(xié)議不止一個(gè)，每個(gè)手機(jī)就至少包含三個(gè)協(xié)議：蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi以及藍(lán)牙。衡量無線傳輸技術(shù)有三個(gè)重要維度：距離、帶寬以及電池壽命。從技術(shù)的角度來說，沒有辦法把這三個(gè)維度都做到極致，即便做到成本也會(huì)很高。

這也是為什么手機(jī)中會(huì)有三個(gè)無線傳輸協(xié)議。蜂窩網(wǎng)絡(luò)選擇了優(yōu)化距離，Wi-Fi選擇了優(yōu)化帶寬，藍(lán)牙則選擇了低功耗。 從1999年開始，WLAN有了Wi-Fi無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。并經(jīng)過了很長時(shí)間的發(fā)展，在Wi-Fi 6之前，經(jīng)歷了5代技術(shù)發(fā)展，主旋律都是提升單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。比如，Wi-Fi第三代的802.11a和802.11g協(xié)議，可以傳輸郵件；第四代Wi-Fi協(xié)議可以讓設(shè)備自如上網(wǎng)，第五代Wi-Fi協(xié)議802.11ac協(xié)議可以讓設(shè)備流暢地播放視頻。隨著技術(shù)的升級，越來越多的用戶使用Wi-Fi，Wi-Fi在產(chǎn)業(yè)和商業(yè)上也開始成功。用戶的使用瓶頸也出現(xiàn)了。

Wi-Fi 5 的五大應(yīng)用瓶頸

我們先來看一個(gè)典型的Wi-Fi應(yīng)用場景。在一個(gè)辦公室環(huán)境中，有一個(gè)AP，它可以是一個(gè)路由器、一個(gè)熱點(diǎn)或一個(gè)網(wǎng)關(guān)。辦公室中的很多設(shè)備通過AP接入到外面的互聯(lián)網(wǎng)。一個(gè)AP與所有連入它的設(shè)備組成了一個(gè)BSS，接入AP的設(shè)備被叫做STA。在一個(gè)BSS內(nèi)，有一個(gè)AP，所有的STA在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)接入AP，是需要通過競爭手段搶到無線傳輸介質(zhì)，以此聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)。兩個(gè)相鄰的BSS叫做OBSS。 了解了這些之后，我們就能弄清楚，在Wi-Fi 6到來之前，Wi-Fi技術(shù)存在著哪些技術(shù)瓶頸。

（1）多設(shè)備共存導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)矶?/p>

隨著Wi-Fi廣泛應(yīng)用，在一個(gè)BSS內(nèi)，與一個(gè)AP連接的STA越來越多，每個(gè)STA接入AP的幾率就降低了。實(shí)際情況是，在一個(gè)BSS內(nèi)，如果一個(gè)頻道利用率達(dá)到75%，就已經(jīng)達(dá)到飽和。再增加一個(gè)STA，嚴(yán)重的卡頓就要發(fā)生了。OBSS相互之間還存在著干擾。

（2）短幀數(shù)據(jù)占比過高

AP在傳輸STA數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要打包把數(shù)據(jù)發(fā)出去。這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生一部分做管理和控制的開銷，以便進(jìn)行有效和安全的數(shù)據(jù)連接。只有有效的數(shù)據(jù)越多，傳輸?shù)慕橘|(zhì)利用率越高。通常情況下，我們使用Wi-Fi發(fā)送的都是短消息，這種有效數(shù)據(jù)量并不多。只有在發(fā)送4K、8K信息時(shí)才會(huì)有大量有效數(shù)據(jù)。在這種情況下，組包過程中對無線介質(zhì)的利用率非常非常低。

（3）頻譜資源嚴(yán)重不足

我們用2.4GHz這個(gè)頻段是最多的。即使用最小的帶寬20MHz也只有三個(gè)可用的頻道。如果用的是40MHz帶寬，在2.4GHz頻段只有一個(gè)頻道可以選用。從頻率資源上來看，2.4GHz是非常不好用的。比如802.11ap協(xié)議，如果用160MHz帶寬，即使在5GHz頻段，也只有兩個(gè)頻道可以用。很多情況下的擁堵是頻道不夠造成的。

（4）低功耗

物聯(lián)網(wǎng)的用戶越來越多，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很重要的一個(gè)訴求就是降低功耗。在Wi-Fi行業(yè)，對低功耗的重視還是高度不夠?，F(xiàn)在的電子設(shè)備能一年換一次電池的。已經(jīng)做得非常好了。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來，假設(shè)家里有100個(gè)這樣的設(shè)備，那每星期就要換兩個(gè)電池，這對用戶的壓力是非常大的。所以說延遲電池使用壽命，是非常重要的一個(gè)挑戰(zhàn)。

（5）室外長距離

Wi-Fi是一個(gè)室內(nèi)傳輸協(xié)議，為什么要做室外呢？現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)到來后，室外場景需求增加。比如安防監(jiān)控、休閑娛樂場所設(shè)施，我們需要更可靠的室外傳輸協(xié)議。 這些都是Wi-Fi6到來之前，由于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，Wi-Fi應(yīng)用場景在效率上出現(xiàn)的困難和挑戰(zhàn)。這也是IEEE從無線標(biāo)準(zhǔn)制定角度上推出Wi-Fi 6的產(chǎn)業(yè)技術(shù)背景。

Wi-Fi 6九大技術(shù)升級

Wi-Fi 6做了哪些工作呢？總結(jié)來看，Wi-Fi 6一共有九大技術(shù)升級。

（1）更高階的調(diào)制技術(shù)1024QAM。

Wi-Fi 6采用更高階的1024QAM調(diào)制技術(shù)，與Wi-Fi 5相比最高數(shù)據(jù)傳輸速率增加了25%。Wi-Fi 5采用256QAM調(diào)制技術(shù)，單符號數(shù)據(jù)密度是8，Wi-Fi 6采用1024QAM矢量調(diào)制方式，單個(gè)符號數(shù)據(jù)密度達(dá)到10。

（2）子載波數(shù)據(jù)增加4倍

Wi-Fi采用多載波技術(shù)，Wi-Fi 5子載波數(shù)量是256，Wi-Fi 6增加了4倍，子載波數(shù)量達(dá)到了1024。子載波的增加有兩個(gè)好處，一個(gè)是提高頻譜利用率，另一個(gè)則是提升傳輸時(shí)間利用率。

（3）OFDMA技術(shù)

子載波分組形成不同大小的RU組，并以RU為單位分配給各STA。使用OFDMA技術(shù)，可以把不同的信息數(shù)據(jù)打在同一個(gè)包內(nèi)，避免短包造成頻譜浪費(fèi)，同時(shí)也減少了STA之間的競爭，降低了時(shí)延。

（4）MU-MIMO技術(shù)

Wi-Fi 5標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)支持了下行多用戶并發(fā)；Wi-Fi 6新增了上行多用戶并發(fā)。這其中包含很多要求：信道矩陣測量，時(shí)鐘管理，功率控制。MU-MIMO技術(shù)與OFDMA技術(shù)都是解決多設(shè)備傳輸問題的，OFDMA技術(shù)通過頻率復(fù)用方式解決，MU-MIMO技術(shù)則通過空間復(fù)用來解決。

（5）BSS著色

BSS著色技術(shù)借鑒了802.11ah協(xié)議。舉個(gè)例子，數(shù)據(jù)傳遞就像在大廳吃飯一樣，每個(gè)桌子就是一個(gè)BSS，Wi-Fi 5時(shí)，只要大廳有一個(gè)人講話你就不能講話，但在Wi-Fi 6下，只要你這個(gè)桌子人不講話，你就可以講話。借鑒這種方法，可以讓64個(gè)不同BSS共存。

（6）TWT（ target wait time）

降低功耗最有效辦法就是讓不工作的設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)。由于Wi-Fi 6服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，所以設(shè)定了可以讓STA安全睡眠但卻不斷線。通過AP和STA協(xié)商喚醒周期，定時(shí)交換信息，輔助增加AP廣播周期，提升AP的控制能力。也就是說Wi-Fi 6通過提升對設(shè)備的管理和控制能力，降低了參與競爭的設(shè)備數(shù)，降低了功耗。

（7）支持2.4GHz和6Ghz頻段

為了解決頻譜資源貧乏問題，Wi-Fi 6支持了2.4GHz和6Ghz頻段。增加了2.4GHz頻段是因?yàn)槠鋫鬏敁p耗低而連接可靠。6G頻段是Wi-Fi 6專屬頻段，增加了3倍的頻譜資源（包含59/29/14/7頻道）。6G頻段沒有歷史版本的其他設(shè)備，無需兼容，系統(tǒng)效率進(jìn)一步提升。

（8）IOT終端

Wi-Fi 6針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對低功耗、低成本、低速率的特殊要求定制了20MHz的專屬產(chǎn)品。IOT Wi-Fi 6終端僅需支持20MHz帶寬，系統(tǒng)簡單，適合于照明、夾帶呢、遙控、穿戴、保健、醫(yī)療等應(yīng)用場景。

（9）WPA 3安全等級

Wi-Fi 6的加密安全等級從WPA 2升級到WPA 3，加密字192b，可抵抗“字典式”攻擊。保護(hù)數(shù)據(jù)破解前的安全，在公司、家庭、企業(yè)場景下的安全等級比蜂窩網(wǎng)還要高。

比較Wi-Fi6和5G

蜂窩網(wǎng)絡(luò)每升級一次，都會(huì)有人出來說，Wi-Fi不需要了，在4G-LTE時(shí)這種說法就很流行?，F(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到了5G，會(huì)取代Wi-Fi嗎？我覺得不太可能。我們先來看一下Wi-Fi 6和5G的技術(shù)對比。 與5G相比，Wi-Fi 6有更好的容量和時(shí)延；單位面積覆蓋成本也比5G低；5G網(wǎng)絡(luò)分層讓W(xué)i-Fi更容易接入；安全升級更容易管理和控制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)安全更可靠；前向兼容的設(shè)備使得網(wǎng)絡(luò)升級可以分步進(jìn)行；全球統(tǒng)一頻段和協(xié)議使得Wi-Fi 6比5G更容易推廣普及；新增的6GHz頻段提升對5G毫末波的競爭力；用戶使用Wi-Fi的習(xí)慣可以繼續(xù)推動(dòng)共存；室內(nèi)靜態(tài)和室外動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，互為驅(qū)動(dòng)。所以，5G和Wi-Fi會(huì)持續(xù)共存下去。

Wi-Fi 6芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

Wi-Fi 6的眾多技術(shù)升級，對芯片設(shè)計(jì)提出了很高的要求，挑戰(zhàn)很大。主要包括幾項(xiàng)目：接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、基帶電路以及時(shí)鐘同步。在基帶電路領(lǐng)域，行業(yè)已經(jīng)開始用更高制程的12nm、14nm。時(shí)鐘發(fā)射功率控制是過去Wi-Fi系統(tǒng)鐘沒有的，這些的設(shè)計(jì)難度非常高。 現(xiàn)在已有不少公司設(shè)計(jì)出Wi-Fi 6芯片，大部分都是美國公司。

最早做出來的是Quantenna，他們在2016年做出Wi-Fi 6芯片，現(xiàn)在這家公司已被安森美收購。值得注意的是，Wi-Fi 6的標(biāo)準(zhǔn)是在2019年制定的，2020年才推向行業(yè)。為什么他們的芯片比標(biāo)準(zhǔn)出來的還早？最重要的原因是，這些公司是參與標(biāo)準(zhǔn)制定的制定者，所以標(biāo)準(zhǔn)對我們的產(chǎn)業(yè)發(fā)展很重要，我們在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)被卡的太多了。

Wi-Fi產(chǎn)業(yè)的興起

Wi-Fi產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并不是輕而易舉的。今天Wi-Fi產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到了33000億美金，有375億顆Wi-Fi芯片，平均每個(gè)人手上就有兩臺(tái)使用Wi-Fi技術(shù)的設(shè)備。 在應(yīng)用市場上，路由器和網(wǎng)關(guān)市場現(xiàn)在近5億臺(tái)，還在保持強(qiáng)勁的增長。年出貨量過2億的產(chǎn)品包括電視、智能音箱、家電、照明和監(jiān)控?cái)z像頭。年出貨量過1億的產(chǎn)品包括腕表和智能開關(guān)。從2017年開始，Wi-Fi芯片市場就以每年10億顆的數(shù)量增長。

Wi-Fi市場的規(guī)模預(yù)測

單看Wi-Fi 6市場，市場的增長趨勢明顯。首先，5G的快速發(fā)展帶動(dòng)了Wi-Fi 設(shè)備向著Wi-Fi 6的快速轉(zhuǎn)換。其次，“雙千兆提速”的國家政策利好Wi-Fi 6市場。第三，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備密度快速增加要求Wi-Fi 6提升用戶體驗(yàn)。最后，預(yù)計(jì)2025年有過半數(shù)Wi-Fi設(shè)備采用Wi-Fi 6。 Wi-Fi 6是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特殊機(jī)會(huì)?；仡櫄v史，每一個(gè)技術(shù)升級的時(shí)間節(jié)點(diǎn)都是進(jìn)入產(chǎn)業(yè)好時(shí)機(jī)。新應(yīng)用的出現(xiàn)也是創(chuàng)新的好時(shí)機(jī)，AIOT、工業(yè)4.0，帶來了新應(yīng)用市場。對于中國來說，我們擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)國家政策在大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈安全，從投資、政策上很多相關(guān)利好，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的好時(shí)機(jī)。

博通集成的Wi-Fi產(chǎn)品

最后，介紹下我們公司博通集成的情況。 博通集成，成立于2005年，專注無線傳輸產(chǎn)業(yè)，2019年A股主板上市。博通集成的產(chǎn)品積累主要在兩個(gè)方向：一是全屋智能解決方法，主要是藍(lán)牙芯片與物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片；二是智慧高速系列芯片，是國際ETC套片主要供應(yīng)商，并全系列車規(guī)級芯片產(chǎn)品。

產(chǎn)品方面，博通集成目前有兩款主打產(chǎn)品：Wi-Fi/BT/FM多模雙核智能音頻處理器芯片BK7271，有豐富音視頻處理資源，包含麥克風(fēng)陣列，有源降噪，人工智能關(guān)鍵詞喚醒等特色技術(shù)；Wi-Fi 6 物聯(lián)網(wǎng)MCU芯片BK7236，支持Wi-Fi 6協(xié)議，適合大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，已獲Wi-Fi 6聯(lián)盟認(rèn)證。

原文標(biāo)題：張鵬飛聊物聯(lián)網(wǎng)重構(gòu)與Wi-Fi 6 | “芯片大家說 I Say IC”第六期精彩實(shí)錄

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