1. 總體介紹
Wi-Fi（IEEE 802.11）自 20 多年前問(wèn)世以來(lái)一直在不斷發(fā)展，以滿足人們不斷增長(zhǎng)的對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸速率以及更多場(chǎng)所和室內(nèi)覆蓋范圍的需求。最近推出的 Wi-Fi 6 和 6E – Wi-Fi 6（E）–除了提高數(shù)據(jù)傳輸速率和覆蓋范圍，和 5G 互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)全面的室內(nèi)和室外連接，還著重于提高數(shù)據(jù)吞吐量，擴(kuò)展通道容量和降低干擾， 如圖 1 所示。
圖 1. Wi-Fi 6（E）和 5G 結(jié)合可實(shí)現(xiàn)充分連接
數(shù)據(jù)吞吐量根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型不同來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化，數(shù)據(jù)速率考慮了所有數(shù)據(jù)，包括管理和控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)吞吐量?jī)H指用戶數(shù)據(jù)–有用的有效負(fù)載。 Wi-Fi 6（E）優(yōu)化了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，因此與以前的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)相比，它包含的有效負(fù)載百分比更高。
隨著世界各地的家庭和場(chǎng)所擁有大量的連接“物”，從嬰兒監(jiān)護(hù)儀到智能超高清（UHD）顯示器，Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展需要解決，以解決互連設(shè)備數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)。根據(jù)[1]，到 2023 年，公共 Wi-Fi 熱點(diǎn)的數(shù)量將增加四倍，達(dá)到近 6.28 億個(gè)，其中 11％將是 Wi-Fi 6（E）。
本篇白皮書(shū)是該系列的第二部分， 同以前的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)相比，將介紹一些最具創(chuàng)新的 Wi-Fi 6（E）的 新特性，以及它們?nèi)绾瓮苿?dòng)射頻前端的發(fā)展。然后對(duì)于如何幫助解決這些挑戰(zhàn)，提供 Soitec 的 RF-SOI 襯底的使用指導(dǎo)，并針對(duì)如何持續(xù)創(chuàng)新以更好地滿足當(dāng)前及未來(lái)的 Wi-Fi 應(yīng)用中的需求，闡述我們的觀點(diǎn)。
2. Wi-Fi 6（E）用于下一代連接
Wi-Fi 6（E）實(shí)現(xiàn)了具有挑戰(zhàn)性的家庭應(yīng)用場(chǎng)景，例如游戲 UHD 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）流及其與大量其他連接設(shè)備的共存，例如越來(lái)越流行的具有語(yǔ)音識(shí)別功能的智能助手。在辦公室和大型場(chǎng)所，Wi-Fi 6（E）通過(guò)可靠的網(wǎng)絡(luò)連接提供無(wú)縫的體驗(yàn)，同時(shí)改善了移動(dòng)的和分布式設(shè)備（如智能手機(jī)和筆記本電腦）的電池消耗–插入供電設(shè)備的功耗也得到了改善。
為了兌現(xiàn)其承諾，Wi-Fi 6（E）依賴于以下工藝和技術(shù)，例如：
- 空間復(fù)用和頻率共存
- 廣帶寬上的高階數(shù)據(jù)調(diào)制
- 上行（UL）/下行（DL）正交頻分復(fù)用訪問(wèn)（OFDMA）和多用戶–多輸入多輸出（MU-MIMO）
- 調(diào)度和目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）
- 新的 6GHz 頻譜
從我們的角度來(lái)看，該列表并不完整，但代表了 Wi-Fi 6（E）中實(shí)現(xiàn)的一些最具創(chuàng)新性的功能。
2.1 空間復(fù)用和頻率共存
Wi-Fi 是一種半雙工標(biāo)準(zhǔn)，在任何給定時(shí)間，只有一個(gè)無(wú)線電信號(hào)可以在頻道上進(jìn)行傳輸。如檢測(cè)到指定信道被另一無(wú)線電信號(hào)使用，則對(duì)待發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)加入等待時(shí)間。由于可用頻譜有限，許多無(wú)線電信號(hào)可能分配給同一信道，因此等待時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)。鑒于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)和分布式設(shè)備的數(shù)量不斷增加，這可能導(dǎo)致頻譜使用效率低以及服務(wù)質(zhì)量下降。在圖 2 的示例中，連接到熱點(diǎn) AP-1 的分布式用戶將對(duì)其它希望通過(guò)熱點(diǎn) AP-4 使用信道 100 的用戶施加等待時(shí)間。
圖 2. 頻率共存沖突
為了更好地利用頻譜，Wi-Fi 6（E）實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度閾值。在圖 3 的示例中，當(dāng)設(shè)備A 檢測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度為-96dBm 時(shí)，它將保留通道 100 與發(fā)出該信號(hào)的設(shè)備 B 進(jìn)行通信-兩者都將變?yōu)樗{(lán)色的一組。設(shè)備 A 和B 將提高所需的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度水平，對(duì)嘗試使用信道 100 的任何設(shè)備加入等待時(shí)間。在此示例中，將此信號(hào)強(qiáng)度提高到-96dBm 和-83dBm 之間的水平將允許設(shè)備 C 再次使用信道 100，而不會(huì)與那對(duì)藍(lán)色設(shè)備之間通信產(chǎn)生沖突。
圖 3. 用于頻率共存的 Wi-Fi 6（E）自適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度閾值
這項(xiàng)技術(shù)加強(qiáng)了已有的對(duì)信號(hào)檢測(cè)和與背景噪聲區(qū)分的嚴(yán)格要求-系統(tǒng)中任何不需要的信號(hào)在此都被定義為噪聲。在圖 4 的示例中，顯示了在具有數(shù)個(gè)公寓單元的居民區(qū)中 Wi-Fi 信道的典型用法；每個(gè)位置有 31 個(gè) 2.4 GHz 和 49 個(gè) 5 GHz 的熱點(diǎn)（AP) [2]。
圖 4. 2.4GHz 和 5GHz Wi-Fi 的利用率（捷克布拉格住宅區(qū)）
圖5 顯示了5G 的N7（FDD）、N40（TDD）和N41（TDD）頻段與Wi-Fi 2.4GHz 以及5G 的N79（TDD） 和 Wi-Fi 5.8GHz 頻段之間的接近程度，使發(fā)送時(shí)不產(chǎn)生干擾而接收時(shí)有足夠高的靈敏度非常具有挑戰(zhàn)性， 這增加了 Wi-Fi 射頻前端（RFFE）設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
圖 6（a）顯示了蜂窩射頻前端（RFFE）的如何干擾相鄰的Wi-Fi 頻段。同樣，Wi-Fi 射頻前端（RFFE）也干擾相鄰蜂窩頻段，如圖 6（b）所示。把干擾源降低到無(wú)害水平需要精心的設(shè)計(jì)和工藝選擇。
2.2 廣帶寬上的高階數(shù)據(jù)調(diào)制
在 Wi-Fi 6（E）中，為了提高數(shù)據(jù)吞吐量，首次采用 1024QAM 調(diào)制方案，同時(shí)利用與前幾代相同的信道帶寬并有效利用新的 6GHz 帶寬。這種方案對(duì)發(fā)送電路的動(dòng)態(tài)誤差矢量幅度（D–EVM）增加了新的限制， 需要發(fā)送電路具有很高的線性度和抗干擾性。
信號(hào)路徑之間的隔離（抗串?dāng)_）對(duì)于防止有害信號(hào)從系統(tǒng)的一部分泄漏到另一部分非常重要。同樣，線性度對(duì)于防止任何干擾源影響射頻前端（RFFE）的正常功能也非常重要。圖 7 顯示了 HR-SOI（非富陷阱SOI）和 iFEM-SOI（富陷阱 SOI）襯底的串?dāng)_抗擾性，兩種材料都各自廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)和現(xiàn)代的 Wi-Fi 射頻前端（RFFE），我們將在 2.3 節(jié)中討論線性度。
2.3 DL/UL OFDMA 和 MU-MIMO
在 Wi-Fi 6（E）中，熱點(diǎn)（AP）決定哪些設(shè)備用于發(fā)送/接收，何時(shí)使用什么資源以及發(fā)送多少數(shù)據(jù)，這與先前 Wi-Fi 版本的分權(quán)式相反。如圖 8 所示，這可以對(duì)于不同類型設(shè)備產(chǎn)生的各種大小的數(shù)據(jù)包更有效地利用頻譜，OFDMA 可按時(shí)間和頻率分配用戶數(shù)據(jù)包，而 OFDM 僅在時(shí)域上分配用戶數(shù)據(jù)包。
為了達(dá)到 Gbps 數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 6（E）可以將 OFDMA 與廣帶寬上的高階數(shù)據(jù)調(diào)制相關(guān)聯(lián)，如 2.2 節(jié)所述。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形非常復(fù)雜，從而使Wi-Fi 射頻前端（RFFE）的記錄具有線性。圖 9 顯示了使用Soitec 的iFEM-SOI 和 RFeSITM 襯底（均為富陷阱 SOI）可以實(shí)現(xiàn)的線性度，并將其與 HR-SOI 的性能進(jìn)行了比較。
MU-MIMO 利用熱點(diǎn)（AP）的多個(gè)射頻前端和天線，允許多個(gè)用戶設(shè)備同時(shí)通信。通過(guò)更有效地利用發(fā)送時(shí)間，獨(dú)特調(diào)制的多個(gè)數(shù)據(jù)幀可以同時(shí)發(fā)送。圖 10 顯示了為實(shí)現(xiàn) MU-MIMO 功能而增加的射頻前端
（RFFE）的 BoM。
圖 11 顯示了與收發(fā)器中集成低噪聲放大器（LNA）相比，在射頻前端（RFFE）中集成 LNA 的優(yōu)勢(shì)（本案例中提高了 0.9dB），在傳統(tǒng)的 Wi-Fi 芯片設(shè)計(jì)中通常是這樣的。 RF-SOI 是實(shí)現(xiàn)射頻開(kāi)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并且與 CMOS 工藝完全兼容，可直接用于噪聲系數(shù)（NF）優(yōu)化的 LNA 實(shí)現(xiàn)。
2.4 調(diào)度和目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）
目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）是 Wi-Fi 6（E）中引入的一種節(jié)能特性，可幫助容納更多數(shù)量的設(shè)備連接（如 IoT 設(shè)備），同時(shí)與前幾代 Wi-Fi 相比功耗相仿或更低。睡眠和喚醒時(shí)間由應(yīng)用程序（如視頻流）驅(qū)動(dòng)，每個(gè)連接的設(shè)備都可以與 AP 特定的請(qǐng)求進(jìn)行“協(xié)商”；最后一個(gè)決定是否批準(zhǔn)或拒絕此類請(qǐng)求。這樣，不僅可以優(yōu)化功耗，還可以優(yōu)化頻譜資源的訪問(wèn)。
供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)專有算法來(lái)優(yōu)化功耗和頻譜訪問(wèn)（以及最終數(shù)據(jù)速率），從而在競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的 Wi-Fi 市場(chǎng)中保持優(yōu)勢(shì)。
為了實(shí)現(xiàn)更智能的Wi-Fi 6（E），還需要數(shù)字內(nèi)容、控制、存儲(chǔ)器和其他支持功能，CMOS RF-SOI 可以有效集成這些支持功能，從而使干擾最小化。圖 12 展示了不同類型襯底中的數(shù)字噪聲[3]。
2.5 新的 6GHz 頻譜
前幾代 Wi-Fi 一直在 2.4 至 5.8GHz 之間劃分的約 400MHz 頻譜上運(yùn)行。從 2020 年開(kāi)始，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)在美國(guó)的 6GHz 頻段中額外使用1200MHz，并且據(jù)報(bào)道其它國(guó)家將在短期內(nèi)采取類似方案[4] [5]。
基于新的可用頻譜，幾個(gè)高達(dá) 160MHz 的信道可以用于實(shí)現(xiàn)多 Gbps 數(shù)據(jù)速率傳輸。此外，這種額外的頻譜資源將有助于最小化信號(hào)干擾。
由于兼容 CMOS 工藝，RF-SOI 技術(shù)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多用戶多頻段 Wi-Fi 射頻前端（RFFE） 更高度的集成。完全集成的 Wi-Fi 射頻前端（RFFE）[6]簡(jiǎn)化了 2x2、4x4 甚至 8x8 MIMO 射頻前端（RFFE） 的實(shí)現(xiàn)，從而降低復(fù)雜性并改善芯片面積，因?yàn)檫B接的設(shè)備，不論移動(dòng)設(shè)備、分布式設(shè)備還是固定設(shè)備變
得越來(lái)越受尺寸限制，參見(jiàn)圖 10。此外，在某些情況下，這種集成還可以降低功耗，因?yàn)?a href="http://www.xebio.com.cn/rf" target="_blank" class="keylink">射頻前端（RFFE）中可以集成更多節(jié)能技術(shù)。
3. 用于 Wi-Fi 的 RF-SOI 襯底創(chuàng)新
由于每年依賴 Wi-Fi 連接的無(wú)線應(yīng)用的顯著增加，我們不難看到來(lái)自射頻前端（RFFE）功耗、性能和集成度方面的壓力共同增加，總擁有成本（TCO）對(duì)于射頻前端（RFFE）也是不可忽略的限制，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的Wi-Fi 的最終應(yīng)用都是各類消費(fèi)者應(yīng)用。 Soitec 推出了一種創(chuàng)新的襯底，可在射頻前端（RFFE）的線性性能和成本之間取得一種最佳的權(quán)衡。 Soitec 的 iFEM-SOI 與 RFeSITM 類似，是一種富陷阱的襯底，它在隔離和抗噪聲方面具有與富陷阱 SOI 技術(shù)相同的固有優(yōu)勢(shì)，并具有優(yōu)化成本下的適當(dāng)?shù)木€性性能。
圖 7、9 和 12 顯示了 Soitec 的 iFEM-SOI 與傳統(tǒng)的非富陷阱 HR-SOI 襯底相比，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。這與所期望的富陷阱 RF-SOI 襯底如 RFeSITM 襯底的性能一致，它是高性能低成本 Wi-Fi 應(yīng)用中的絕佳替代品。
4. 結(jié)論
隨著 Wi-Fi 不斷發(fā)展，為滿足現(xiàn)在應(yīng)用中對(duì)更大的容量，更高的數(shù)據(jù)吞吐量和最小延遲的需求，前幾代 Wi- Fi 射頻前端（RFFE）中使用的晶圓上的 CMOS 或 SiGe 等半導(dǎo)體工藝正達(dá)到其性能極限。
Wi-Fi 6（E）可以依靠先進(jìn)的射頻前端（RFFE）半導(dǎo)體工藝以及數(shù)十年來(lái)不斷完善的技術(shù)。這些工藝是研發(fā)人員、材料提供商、晶圓代工廠、設(shè)計(jì)公司無(wú)、封測(cè)廠商、智能手機(jī)制造商、運(yùn)營(yíng)商和許多其它機(jī)構(gòu)多年密切合作的結(jié)果。 RF-SOI 優(yōu)化襯底上的 CMOS 就是其中一種技術(shù)，Soitec 的 HR-SOI，iFEM-SOI 和RFeSITM 系列產(chǎn)品在 RF-SOI 優(yōu)化襯底成為先進(jìn)射頻前端（RFFE）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中做出了巨大貢獻(xiàn)。
Soitec 的 iFEM-SOI 對(duì) Wi-Fi 射頻前端（RFFE）而言，是 RFeSITM 系列產(chǎn)品的絕佳補(bǔ)充，這些選擇使射頻前端（RFFE）設(shè)計(jì)人員和集成商可以在合適的射頻性能和成本之間取得均衡。
5. 參考書(shū)目
[1] Cisco, “Cisco Annual Report (2018-2023),” February 2020
[2] Axiros, “The case for WiFi optimization,” https://www.axiros.com/the-case-for-wifi-optimization available online as June 02, 2020
[3] K. Ben Ali, C. Roda Neve, A. Gharsallah and J. P. Raskin, "RF SOI CMOS technology on commercial trap-rich high resistivity SOI wafer," 2012 IEEE International SOI Conference (SOI), NAPA, CA, 2012, pp. 1-2.
[4] Claus Hetting, “Europe’s process to release 6 GHz spectrum to Wi-Fi on track, expert says,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020
[5] Claus Hetting, “South Korea could become Asia’s first 6 GHz Wi-Fi nation,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020
[6] pSemi, PE561221 monolithic SOI Wi-Fi Front End Module https://www.psemi.com/products/wi-fi-front- end-modules/pe561221, available online as July, 2020
