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  • 【技術分享】WIFI6的接口配置

    日期:2020-03-10 作者:潤欣科技創研社 返回列表

    從十多年前的Featurephone智能化開始,到目前琳瑯滿目的各種智能設備比比皆是,WIFI這個詞也從一個專業用詞走入了大眾生活,變成了生活常用語。國內早期的WIFI技術人員中,大部分是從2007年前后開始涉及或參與WIFI的研發和業務中來的。2007年在中國召開了首屆年度WIFI會議(2007全球WiFi高峰會議),也在那一年,“讓手機優先選網WIFI來替代GPRS”的言論開始主導當時的Featurephone市場,WIFI從此走上神壇。


    現在我們的日常生活中碰到的WIFI主要分為兩種,一種是可以獨立完成WIFI協議和應用業務的SOC單芯片,比如家庭里的WIFI路由器,還有一些IOT小設備WIFI(芯片自帶MCU);另一種是需要搭載其它Host主芯片一起工作的Controller芯片,包括手機、電腦、電視機等設備上面的WIFI芯片。


    本文主要跟大家一起聊一聊WIFI6 Controller芯片,以及前面的WIFI5、WIFI4和IEEE802.11b/g WIFI芯片的接口配置情況。


    在開始講WIFI芯片和不同硬件接口的配置之前,先簡單地介紹一下這幾種硬件接口的名詞定義。


    SPI接口,Serial Peripheral Interface,串行外設接口,是一種高速的,全雙工,同步的通信總線,傳輸速度為幾兆bps。SDIO接口,Secure Digital Input and Output Interface,安全數字輸入輸出卡外設接口,是由SD卡的協議演化升級而來,傳輸速率基于不同的版本而差異,可支持100Mbps、200Mbps和832Mbps。USB接口,Universal Serial Bus Interface,通用串行總線,不同版本的速率相差最大,從1.5bps到5Gbps都有。PCIe接口,Peripheral Component Interconnect-express Interface,一種高速串行計算機擴展總線標準,X1即總線位寬是1的時候速率為4Gbps,而X32時最高,可以達到128Gbps。


    最初的Featurephone和android1.5版本前后的Smartphone基本上用的是最高速率為54Mbps的802.11 b/g的WIFI芯片,那個時候剛剛從GPRS上網方式切換到WIFI上網,終端產品上面的網絡應用還是以設配GPRS的網速為準,所以對網速的要求也不高,基本上6Mbps~30Mbps都能滿足,從速率上USB1.1(12Mbps)、GSPI(幾兆)、SDIO1.1(4bit 100Mbps)都可選用,不過限于功耗和當時主機平臺預留接口,基本上以GSPI和SDIO接口為主,所以當時的主流WIFI a/b/g芯片都是帶有SDIO和GSPI接口,以及少量的USB1.1接口(見圖示1和2)。


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    圖(1)  


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    圖(2)


    隨著WIFI的逐步普及,終端產品上的不斷呈現的應用業務開始反過來帶動WIFI傳輸速率性能的提高,于是基于802.11n和802.11ac的WIFI4和WIFI5開始逐步進入了市場。WIFI4 1T1R最大速率為150Mbps,2T2R為300Mbps,此時USB2.0 480Mbps以及SDIO2.0 200Mbps可以滿足產品設計的需求,相對來說,SDIO的功耗會遠低于USB,而USB的傳輸性能會優于SDIO;所以這個時候電池供電類智能終端以SDIO2.0為主,而電源供電的消費類終端則根據實際速率需求選擇SDIO2.0和USB2.0皆可(見圖示3和4)。到WIFI5時代,速率又開始了大幅度提升,1T1R HT80到達了433Mbps,2T2R HT80為866Mbps,而HT160更是翻倍提升。從速率上,USB2.0也僅僅能承載1T1R的WIFI5,此時WIFI芯片的硬件接口開始全面向USB3.0/SDIO3.0/PCIe升級,在設計上,電腦筆記本的應用因為對功耗沒有如電池供電的終端設備那么苛刻,所以PCIe是主流,而手機/PAD以及其它使用手機平臺作為主控的智能設備等則以SDIO3.0接口的WIFI5為最佳設計(見圖示5和6)。


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    圖(3)


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    圖(4)


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    圖(5)


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    圖(6)


    接下來我們重點分析一下WIFI6 Controller的接口選型。WIFI6,也即IEEE802.11ax,在WIFI5的基礎上增加了很多新特性,使得2T2R 80M帶寬的配置下速率高達1200Mbps,這就意味著WIFI Controller芯片最通用功耗最低的SDIO2.0/3.0已經無法滿足WIFI6的吞吐量需求,只有更高速率的USB3.0和PCIe可以滿足當前WIFI6的高性能需求。USB3.0,理論上速率高達4.8Gbps,它是比USB2.0更節能的一種全雙工通信,所以USB3.0完全符合WIFI6的速率承載要求,然而在實際測試中發現USB3.0對WIFI6射頻的干擾非常之大,原因就在這個高速率的機理上面。大家都知道,有線信號是會輻射電池波的(直流電除外),這個電池波必然會干擾到相同或相近頻段的其它電池波。USB3.0的傳輸頻率為5GHz串行,在物理上使用4條數據線組成2組,每組負責一個傳輸方向,實現全雙工雙向5GHz,而每條數據線的基準頻率是2.5GHz,非常接近2.4G WIFI,按照高頻設備對信號的分布,必然會波及到2.5GHz附近的2.4G WIFI,吞吐量越高呈現出來的干擾現象就越明顯,這跟WIFI6的市場需求點是沖突的。除去吞吐量不符合要求的SDIO3.0和會有干擾痛點的USB3.0,剩下的就是PCIe接口了。如前面第三段對接口的速率描述,PCIe總線位寬1位時的吞吐量是4Gbps,完全可以承載WIFI6 2T2R 80M的帶寬配置,即使WIFI6 Controller天線擴展到4T4R 80M帶寬,速率提高到2.4Gbps,PCIe X1也能滿足需求,所以從吞吐量上PCIe完全滿足要求(注:WIFI6 4T4R Controller芯片在支持160M帶寬的情況下最高速率4.8Gbps,這就需要8Gbps的PCIe X2才能滿足)。目前PCIe接口更多的應用在電腦上,而在智能終端產品平臺上面預留PCIe接口的并不多,所以在產品迭代研發的過程中還需要有一小段Controller和Host磨合的時間,不過PCIe接口是目前WIFI6產品的最佳設計方案(見圖示7和8)。


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    圖(7)


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    圖(8)


    本文中涉及到的WIFI吞吐量以通用Controller配置為準。比如WIFI5,本文以市面上主流WIFI Controller的配置2T2R為設計點進行討論;而對于WIFI Router產品,有大量的8T8R 160M帶寬的產品,SGI模式下理論速率可以高達6928Mbps;而WIFI6在8T8R 160M帶寬更是可以達到10Gbps。


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