张鹏飞：物联网重构 说说Wi-Fi 6

| 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。

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最具代表性的产品。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极致，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相比最高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。

原文标题：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

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责任编辑：haq