1.總體介紹
Wi-Fi（IEEE 802.11）自20多年前問世以來一直在不斷發(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，例如越來越流行的具有語音識(shí)別功能的智能助手。在辦公室和大型場(chǎng)所，Wi-Fi 6（E）通過可靠的網(wǎng)絡(luò)連接提供無縫的體驗(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（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線電信號(hào)使用，則對(duì)待發(fā)送的無線電信號(hào)加入等待時(shí)間。由于可用頻譜有限，許多無線電信號(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 5. ?5G和Wi-Fi頻段的接近度

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。把干擾源降低到無害水平需要精心的設(shè)計(jì)和工藝選擇。

圖 6. ?RF-SOI可最小化（a）接收路徑總的噪聲系數(shù)(NF)和（b）干擾源，歸因于射頻前端的高線性度

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。?

圖 7. 不同RF-SOI基板的串?dāng)_

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。

2.3DL/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。?

圖 8. OFDM和OFDMA以及傳統(tǒng) Wi-Fi和 Wi-Fi6(E)對(duì)比

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。

圖 9. ?不同RF-SOI 襯底的(a) 二階諧波 (b) 三階諧波 ?(c) 三階互調(diào)（IMD3)?

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 10. MU-MIMO和Wi-Fi射頻前端（RFFE ）BoM ?增加

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)。

圖 11. 射頻前端（RFFE）中集成LNA的優(yōu)勢(shì)

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。

供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)專有算法來優(yōu)化功耗和頻譜訪問（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)備變得越來越受尺寸限制，參見圖10。此外，在某些情況下，這種集成還可以降低功耗，因?yàn)樯漕l前端（RFFE）中可以集成更多節(jié)能技術(shù)。

圖 12. RF-SOI襯底的數(shù)字噪聲減少

3.用于Wi-Fi的RF-SOI襯底創(chuàng)新
由于每年依賴Wi-Fi連接的無線應(yīng)用的顯著增加，我們不難看到來自射頻前端（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W(wǎng)i-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、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。

5.參考書目

[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?
編輯：hfy