WiFi 7来了，芯片设计挑战升级

一种全新且更快速的Wi-Fi技术正在逐渐渗透物联网（IoT）市场，有效减少了由于生成、处理和无线传输数据量的增加而逐步上升的延迟。

目前，全球大约有200亿个连接设备正在使用中。在接下来的几年中，这些设备将逐渐配备更快的无线连接，能够加速数据传输、空中更新速度，并显著提升视频流、车载娱乐系统以及任何无需电缆连接的设备的数据处理能力。几乎所有这些设备都将需要升级芯片、芯片组、更快的互连技术以及某种类型的先进封装。

英飞凌Wi-Fi产品线副总裁Sivaram Trikutam表示：“在行业中，当下一代Wi-Fi技术推出时，通常率先采用该技术的都是路由器，以及各种形式的PC，如笔记本电脑、平板电脑和智能手机。这三个领域通常是最先采用新Wi-Fi标准的部分。随着Wi-Fi 7的到来，我们现在正处于仅有顶级设备——如最新款iPhone、三星Galaxy手机或3000美元的笔记本电脑——开始采用Wi-Fi 7的阶段。大部分行业仍停留在Wi-Fi 6阶段。对于大多数家用物联网设备，通常是最后一个采用新一代Wi-Fi的设备，如机器人吸尘器、自动门和屋顶上的太阳能面板，这类设备现在正在进行Wi-Fi 6的过渡。在接下来的五年里，我们将看到Wi-Fi 6设备的增长。到十年末，Wi-Fi 6可能达到顶峰，而Wi-Fi 7设备的数量将开始增加。因此，这将是Wi-Fi 6广泛普及的十年。”

随着连接性和数据传输速率的提升，芯片设计将变得更加复杂。这一点从天线的设计上便可以明显看出，它们将接收更多的数据。

“人们往往低估了将天线集成到设备中所需的努力，”Ansys的首席产品经理Matt Commens说道。“天线的功能是接收和发送外界的信号。它希望与环境互动。当你作为产品设计师时，可能会进行模拟到数字（A/D）转换，数字到模拟（D/A）转换，对信号进行编码并将其传输到天线板上，这一切看起来都很完美。”

但这还不够。“其中一个更具挑战性的问题是‘反向干扰’，”Commens解释道。“当你设计PCB时，你会查看信号并连接天线接口，一切看起来很好。然后你连接上天线，信噪比突然下降，你发现天线反射出的电磁干扰影响了PCB上的其他电子器件，因为天线的本质就是发射电磁能量。这样你就遇到了反向干扰的问题，它与信号完整性密切相关。更糟糕的是，这种问题可能在设计过程后期才被发现，那时修复的成本更高。”

在通信领域，标准和缩写词繁多，但对于Wi-Fi来说，目前有四个主要的现代设备标准：

1. Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac)：2013年采用。

2. Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E：这是2021年作为IEEE 802.11ax标准引入的Wi-Fi 6版本，能够在6 GHz频段工作。

3. Wi-Fi 7 (802.11be)：最新的Wi-Fi标准，数据传输速率达到40Gbps，是Wi-Fi 5的1.3Gbps的20倍以上。

4. Wi-Fi 7设备：早在2023年底就已经进入市场，但该协议的正式亮相是在今年1月的CES展会上。预计这将引发设备升级浪潮。根据IDC的预测，到2025年，超过32%的Wi-Fi 6设备出货量将为Wi-Fi 6E设备。

Wi-Fi 7的低延迟特性将推动新设备的问世，并使与AI功能设备的交互更加顺畅。技术进步体现在多个方面，例如：

• 320 MHz超宽频道：仅在6 GHz频段提供，使Wi-Fi 7设备的传输速率是Wi-Fi 6的两倍，支持多千兆比特的传输速度；

• 多链路操作 (MLO)：支持链路间的高效负载平衡，提升了吞吐量和可靠性；

• 4K QAM：相比Wi-Fi 6的1024 QAM，Wi-Fi 7提升了20%的传输速率，提高了效率；

• 512压缩块确认 (Ack)：提高了效率并减少了开销；

• 多RU到单个STA：提高了频谱资源调度的灵活性，增强了频谱效率。

对于消费者和企业来说，Wi-Fi 7带来的不仅仅是速度提升，它还将彻底改变设备交互的方式，尤其是在AI驱动设备的广泛应用中。通过多项技术改进，Wi-Fi 7不仅提高了连接的速度和稳定性，还显著降低了延迟，为需要实时响应的应用场景提供了有力支持。

此外，频谱争夺战也随之升级。根据美国蜂窝通信产业协会（CTIA）的最新声明，Wi-Fi设备设计已经高度先进，因此无需额外的频谱来实现最佳性能。然而，频谱是有限资源，尤其是在物联网设备大量接入的情况下，频谱的高效使用变得尤为重要。

在设备连接方面，FCC认证为无线设备进入市场增加了额外的约束条件。正如Ansys的Commens所言：“当你设计出设备准备上市时，最糟糕的情况莫过于在FCC认证中未能通过。这意味着产品需要进行频率和辐射能量的调整，而修复过程通常代价高昂。”

然而，FCC认证只是全球监管的冰山一角。世界各地的国家和地区都有各自的监管机构和标准要求。例如，物联网设备的电池使用需要符合国际电工委员会（IEC）的标准，如IEC 62133（涉及锂离子电池的安全性）和IEC 62281（涉及电池运输的安全性）。与此同时，设备的网络安全标准也日益受到重视，如美国FCC推出的网络信任标识（Cyber Trust Mark），以及欧洲电信标准协会（ETSI）的EN 303 645标准。

随着无线设备的技术复杂性不断增加，共存性测试（Coexistence Testing）变得尤为重要。这确保了不同设备在同一物理区域内共用无线频谱时，仍能维持功能的正常运作。例如，在医疗领域，设备的共存性对患者安全至关重要，因此美国医学仪器推进协会（AAMI）发布了TIR69技术信息报告，为医疗设备制造商提供了无线共存测试的指导。

但即便如此，仍然存在一个不可忽视的因素：“人们往往忽视了标准中没有涵盖的漏洞，这些漏洞可能被别有用心的人所利用，”Keysight的资深应用工程师Brad Jolly说道。例如，虽然电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）测试能够确保设备在其预期的电磁环境中正常工作，但这些测试通常忽视了设备在“非预期电磁环境”中的表现。例如，网络犯罪分子可以利用设备的漏洞，使用干扰器等工具，破坏依赖无线连接的安全系统，如家庭监控摄像头或远程安全摄像头。

物联网设备的种类繁多，智能家居和工业自动化领域尤为如此，这导致了互操作性问题，使得家庭用户和IT管理员感到困惑和沮丧。为了应对这一问题，连接标准联盟（CSA）开发了Matter标准，旨在让这些设备无缝互联。包括谷歌、苹果、亚马逊、英飞凌在内的数百家公司都加入了这一联盟。

Infineon的Trikutam表示：“Matter的核心优势在于将不同的生态系统整合在一起。无论是苹果、谷歌还是亚马逊的生态系统，Matter都能提供兼容性。消费者只需根据设备的功能和价格选择产品，而无需担心其是否能够与现有的Amazon Alexa或Google Home设备兼容。Matter基本上消除了消费者对兼容性的顾虑。”

Matter标准于2022年首次发布，并计划每年进行两次更新。正如CSA总裁Tobin Richardson在其发布时所说：“这只是漫长过程中的一步。”

Matter标准位于OSI协议栈的应用层，这意味着它可以与位于较低层的传输协议（如Wi-Fi、以太网和Thread）兼容。因此，尽管对消费者来说，Matter可能是“隐形”的，但对于网络工程师来说，其背后的运作非常复杂。

然而，并非所有设备都需要Wi-Fi。正如Ansys的Commens指出：“虽然市场在推动智能家居的发展，但你真的需要一个智能车库门吗？在某些情况下，使用Wi-Fi可能显得过于繁重，Matter标准提供了一个更轻量化的解决方案来满足智能家居需求，而不必使用全功能的Wi-Fi。”

另一种可能与物联网设备协同工作的通信技术是光通信（LiFi），它通过可见光，通常是LED光源，传输信息。

LiFi的优势在于其不穿透墙壁的特性，这大大提高了安全性。与Wi-Fi不同，LiFi的信号局限于单个房间内，从而减少了外部攻击的可能性。此外，LiFi可以在6G应用中发挥重要作用，特别是在需要高速率和低延迟的场景，如增强现实（XR）和工业物联网（IIoT）。

总的来说，未来物联网的无线通信不仅局限于Wi-Fi，还可能包括LiFi、Matter等多种技术的融合。随着设备的数量和数据量的增加，如何优化频谱使用并确保设备间的无缝连接和安全性，将成为物联网发展的关键议题。

推荐阅读