[原创] WiFi技术更迭20年
2021-12-30
14:00:13
来源: 半导体行业观察
WiFi网络被广泛认为是与水和电同等重要的基础设施。从2000年第一代WiFi产品面世，到现在，已经21年，回顾WiFi发展的20多年，它的发展历程如何？Wi-Fi的好处和商业价值已为企业所熟知，这几年，WiFi芯片这个市场迎来了最多玩家参与的时间节点，路由器厂商、物联网芯片厂商、射频前端模组企业等新老企业纷纷扎进这个市场，而在这里面，国内企业尤其多。
WiFi技术更迭20年
首先，什么是 WiFi？在基本层面上，WiFi是一种使用无线发射器和无线电信号将宽带互联网连接到设备的方式。一旦发射器接收到来自互联网的数据，它就会将数据转换为无线电信号，该信号可由支持WiFi的设备接收和读取。然后在发射器和设备之间交换信息。
华为发布的WiFi白皮书中指出，历代WiFi的发展历程，其实就是一个追求高带宽的过程。Wi-Fi技术的演进每4 ~ 5年进行一次，每次改进的主要目的是增加带宽。
1997年，IEEE制定出了第一个无线局域网通信标准802.11，允许设备之间以每秒2Mbps的速度无线传输数据。1999年IEEE又发布了802.11b标准，传输速率为11Mbps，工作在2.4GHz频段，是原始标准的5倍。同年IEEE又发布了802.11a标准，不过是工作在5GHz频段，数据传输率达到了54Mbps。
第一代的Wi-Fi产品802.11于 2000年上市，具有11Mbps的最大数据速率，并在2.4GHz频段操作，这与当时大多数计算机通过有线网络连接的速度相当。WiFi使用电磁波在两个主频上传输数据：2.4Ghz (802.11b)和5Ghz (802.11a)。多年来，2.4Ghz一直是WiFi用户的热门选择，因为它可以与大多数主流设备兼容，而且比5Ghz更便宜。
2003年，早期WiFi版本的更快的速度和距离覆盖结合在一起，形成了802.11g标准，数据传输速度为54Mbps。路由器也变得越来越好，比以前功率更高，覆盖范围更广。WiFi开始迎头赶上，与最快的有线连接的速度竞争。
2009年出现了802.11n的版本，也有一种新的命名方式，被称为WiFi 4，这一标准对WiFi进行了很大的变革，引入了“多输入多输出”数据 (MIMO)，它使用多个天线来增强发射器和接收器的通信，它的最大连接速率为 600 Mbit/s，它比其前身更快、更可靠。
802.11n也是第一个同时工作在2.4GHz和5GHz频段的WiFi技术。这主要是因为越来越多的设备都使用2.4GHz，导致它变得拥挤和变慢。为了解决这个问题，双频路由器应运而生。这些路由器包含两种类型的无线电，可以同时支持 2.4 GHz 和 5GHz 链路上的连接。默认情况下，双频路由器范围内的设备会自动连接到更快、更高效的5GHz频率。但是，如果设备距离较远或在墙后，则可以使用2.4Ghz作为备份。
2014年发布了802.11ac，也称为WiFi 5，速度高达3.5 Gbps，但是其只支持5GHz，削弱了2.4Ghz下的用户体验。
2020年WiFi 6的发布为更快的连接和技术之间的链接带来了巨大的希望，速度高达9.6 Gbps，比Wi-Fi 5的3.5 Gbps提高了近300%。Wi-Fi 6不但有Wi-Fi 5的所有先进 MIMO 特性，并新增了许多针对高密部署场景的新特性，例如OFDMA频分复用技术、DLIULMU-MIMO 技术、更高阶的调制技术 (1024-QAM)、空分复用技术(SR） & BSS Coloring 着色机制、扩展覆盖范围 (ER)。
2020年，WiFi联盟又宣布了WiFi 6的扩展版WiFi 6E，工作频段除了原本的2.4GHz 、5GHz外，增加了6GHz频段。这使WiFi 6E能够有更多连续频谱，更宽的频道，以及更少的干扰。WiFi 6E的诞生主要是因为，2020年4月23日，美国联邦通信委员会投票通过，将6GHz的1200 MHz免授权频段分配给WiFi 6。
虽然WiFi 6主要是为了改善高密度场景下的用户体验，但是面临着在线游戏、远程办公、AR/VR，以及8K视频等高需求下，WiFi 6也难以胜任。于是WiFi 7正在呼之欲出，Wi-Fi 7 有望成为连接方面的又一次巨大飞跃。
来到今年，其实WiFi 7已经小荷露尖角了。联发科在其最近的技术峰会上指出，WiFi 7将比Wi-Fi 6E快2.4倍，带来更快的速度、更低的延迟和更好的抗干扰能力。预计WiFi 7标准将在 2022 年第二季度发布。华为关于WiFi 7的百科介绍中也指出：“WiFi 7也称为IEEE 802.11be，其拥有超高吞吐量（EHT）。WiFi 7基于WiFi 6，引入了320MHz带宽、4096正交调幅（QAM）、多资源单元（RU）、多链路操作（MLO）、增强的多用户多输入多输出(MU-MIMO)、多接入点(AP)协调等技术。利用这些尖端技术，WiFi 7比WiFi 6具有更高的数据传输速率和更低的延迟。WiFi 7预计将支持高达30Gbps的吞吐量，约为WiFi 6的3倍。”WiFi 7（802.11be）还成立了专门的小组，IEEE 802.11be任务组（TGbe）于2019年5月正式成立，致力于802.11be（Wi-Fi 7）的开发。
WiFi 6和WiFi 7的比较（图源：华为官网）
WiFi 6 依旧火热，WiFi 7成下一个必争之地
WiFi芯片最初的研发主要集中在
路由芯片
上，但是这几年物联网的出现，数量惊人的消费电子产品和计算设备之间的互联并交互信息，孕育出了强大的
物联网WiFi芯片
需求。再者，自WiFi 5标准之后，
WiFi射频前端芯片
逐渐外置出来，因此也成为射频前端市场重要的增量。所以，大体看下来，WiFi芯片主要就分为这三大类。
对WiFi技术的最新代的追捧一直是业界关注的重点。目前在WiFi 6/6E主芯片市场，主要是博通、高通和联发科打头阵。但高通和联发科凭借其在手机上的技术实力，这几年攻势迅猛。再加上国内一众企业的涌入，WiFi芯片市场这个赛道越发热闹起来。
博通是WiFi芯片市场的主导者，拥有多项Wi-Fi 6E世界第一，博通一直在高端WiFi芯片领域保持差异化优势。今年早些时候为三星提供发布的全球首款 Wi-Fi 6E 智能手机提供芯片。博通还为苹果提供WiFi芯片，不过近日，苹果也在招聘无线芯片工程师，涉及射频、蓝牙和Wi-Fi芯片，此举或将对博通产生一定压力，博通和苹果在2020年初达成的150亿美元无线组件供应协议，将在2023年到期。
我们都知道，高通在手机芯片领域是全球霸主之一，但是其在WiFi芯片也有很强的实力。去年的时候，高通就已经出货了超过40亿颗WiFi芯片。通过不断的买买买，再加上高通在手机芯片上的积累，例如WiFi 6标准引入的MU-MIMO和OFDMA，这在较早之前的蜂窝网络上就已经在出现，高通在路由端和移动端都分别有产品。
联发科这几年发展急速，在5G手机芯片大获成功，而且还在全力抢占WiFi 6芯片市场商机，今年10月份，联发科发布了WiFi 6无线连接平台Filogic系列产品，包括Filogic 830及Filogic 630两款芯片。并且，联发科已开始投入下一代WiFi 7的研发，在最近的联发科技术峰会上，联发科调侃称将在CES2022展示下一代WiFi网络技术WiFi 7。
大陆一众企业也在竞相发力WiFi领域，据悉国内与WiFi 6芯片相关的企业已达数十家，红海的局面一触即发，而红海主要是集中在物联网WiFi芯片领域。中国大陆WiFi芯片公司有：ASR、BK、恒玄科技、乐鑫、展锐、博通集成、中科威发、海思、新岸线、物奇、全志、南方硅谷、杰里、速通、亮牛、高拓、博流、瑞芯微、联盛德微电子等等。
另外值得一提的是路由器终端厂商TP-Link也开始组件团队，入局智能家居的WiFi 6芯片。TP-Link是国内路由器市占率最大的厂商，如TP-Link这样的终端路由器厂商的入局，或将产生一些影响，其供应链主要有高通、联发科。当然路由器芯片的研发难度要比物联网WiFi芯片大，要研发出来，也不是一朝一夕。
WiFi无线射频前端模诅则是另一个具有前景的市场，在这个领域供应商主要是国外企业为主，如Skyworks、Qorvo等，他们2020年就已经推出了WiFi 6/WiFi 6E FEM（前端模块）。目前国产WiFi 6射频前端芯片市占率不到1%，据悉，Wi-Fi 6 FEM的技术难度不亚于5G PA，只不过模组的难度倒不及5G PA。国内能提供WiFi 6 FEM产品的公司主要有康希通讯、三伍微、卓胜微，四川和芯微电子（Cenchip）在今年10月也发布了国内首套2.4G&5G高功率WiFi 6 FEM芯片。
此前钟林在谈国内射频企业的文章中写到，国内WiFi 6 FEM水平仍停留在中低功率，与国
外差距很大。但这个赛道却非常拥挤，国内有近20家WiFi FEM芯片公司，WiFi FEM技术路线很清晰：WiFi 4—>WiFi 5—WiFi 6—>WiFi 6E—>WiFi 7，其中每个协议包括低功率、中功率和高功率。
国产Wi-Fi FEM爆发始于2020年，主要原因系：一、市场前景好，Yole预测，2025年Wi-Fi FEM市场规模将超30亿美金，约200亿人民币。二、所需要的设计人才少，国内研发人才可能只有5-7个人；三是资金要求相对小，不像WiFi主芯片那般一个亿砸进去，没有什么水花。
在WiFi 6打的“不可开交”的时候，博通、高通和联发科这三家已经开始提前部署研发WiFi 7了，不过产品预估也要2-3年时间才能问世，足见WiFi 7将是下一个商家必争之地。但如上文所述，WiFi 7的性能如此强大，技术难度自然也很高，开发WiFi 7芯片更不是易事。
本文参考资料：
《释放Wi-Fi的力量，2019~2023年企业级Wi-Fi 6预测》白皮书
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