如今，从笔记本电脑、智能手机、电视和机顶盒等对数据要求极高的设备，到偶尔发送数据更新的物联网设备（如家用电器和办公设备），Wi-Fi 已成为各种客户无处不在的互联网连接。

Wi-Fi 设备市场不断增长

根据市场研究公司 ABI 的数据，支持 Wi-Fi 的设备年出货量正在持续上升，预计到 2028 年将超过 50 亿台，而未来增长的主要驱动力预计将来自智能/互联家居、可穿戴设备和物联网细分市场。

如今，Wi-Fi 技术有多种类型和配置，支持数百种复杂程度不同的功能。对于设备制造商来说，选择符合功能、性能、成本和功耗限制的正确规格可能具有挑战性。在本文中，我们将分享对确定最佳选择时需要考虑的重要参数的见解。

什么是Wi-Fi 6？

它源自 IEEE 802.11ax 标准，是目前市场上最流行的一代产品。根据 ABI 的数据，2023 年将有近一半的 Wi-Fi 设备采用 WI-FI 6，到 2026 年，这一比例将上升到三分之二。

与WI-FI 5（IEEE 802.11ac）相比，WI-FI 6具有双倍的最大MIMO配置、双倍的最大信道带宽和更高的调制方案。这意味着物理层的最大数据传输率提高了 5 倍多。尽管这非常重要，但这并不是 WI-FI 6 如此受欢迎的原因，它的渗透率是新一代有史以来最快的。

WI-FI 6 的主要优势在于更高的网络效率，特别是在密集区域，更多设备可以连接到相同的接入点，从而以更高的吞吐量和更低的延迟提供更好的用户体验。这种更高的效率主要来自两大功能：多用户 MIMO 和多用户 OFDMA。

多用户 MIMO (MU-MIMO)： 

它将接入点（AP）的 MIMO 操作划分给多个用户（或站点）。例如，一个 8x8 接入点可同时处理八个 1x1 用户，每个空间流一个。接入点在空中（下行链路）发送一个 8x8 MIMO 数据包，其中包含每个用户在各自分配的空间流中的数据。每个用户可同时在各自的空间流上回复（上行链路）。Wi-Fi 5 Wave 2 已支持 MU-MIMO 下行链路，但不支持 MU-MIMO 上行链路。

图1 Wi-Fi 6 MU-MIMO 功能通过尽可能填充空间流和并行化数据流量，显著提高网络效率。

多用户 OFDMA (MU-OFDMA)

这允许将总可用带宽在多个用户之间划分为所谓的资源单元（RU）。这样，可以让更多的用户连接到该 AP。例如，最多 37 个用户可以同时共享一个 80MHz 信道，每个用户仅使用 2MHz 带宽。此外，这种窄带允许与其他窄带技术（例如蓝牙和802.15.4（即Thread、ZigBee））更好地共存。

图2 . Wi-Fi 6 MU-OFDMA 功能通过在多个用户之间共享通道带宽（此处为卡车），显箸提高了网络效率。

MU-MIMO 和 MU-OFDMA 使接入点能够更好地在用户之间调度流量，并提供适当的粒度和更好的服务质量控制。数以百计甚至数以千计的设备可以连接到接入点，而拥塞程度却很有限。此外，速度较慢的 WI-FI 6 物联网设备可以与 WI-FI 6 高要求设备无缝共存，而不会影响其吞吐量和延迟。

WI-FI 6 的另一大功能是目标唤醒时间（TWT）。它对低功耗物联网设备特别有意义：连接到接入点的每个 WI-FI 6 设备都能进入深度睡眠状态，并在与接入点预先协商好的各自预定时间唤醒。这最大限度地减少了冲突，并大大降低了功耗。

什么是Wi-Fi 6E？

WI-FI 6 在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段上运行。2.4 GHz 频段因蓝牙、Zigbee 和 Thread 等其他无线技术而拥挤不堪。5 GHz 频段是避免这种拥挤的快速通道。

尽管如此，对数据带宽的需求永远不会得到满足。现在有更多的视频流服务提供更高分辨率的视频。在城市世界的许多地方，光纤到户正在推广，提供了超高速互联网的潜力，然后需要在家庭/办公室内提供服务。

这样就连WI-FI 6的5GHz高速公路的容量也正在捉襟见肘。因此，WI-FI 6E（仍然源自IEEE 802.11ax标准）被发布，以使用6GHz频段（更准确地说，从5.925GHz到7.125GHz）扩展容量。

这个额外的 1.2 GHz 带宽最多可增加 7 个 160 MHz 带宽通道（而 5 GHz 频段上只有 2 个这样宽的通道），或者最多 14 个 80 MHz 带宽通道（5 GHz 频段上只有 5 个可用） 。

尽管 6 GHz 频谱在地理位置上存在挑战（如 Wi-Fi 联盟网站所述，并非所有 6 GHz 带宽都可在全球范围内使用），但 WI-FI 6E 已被证明非常受欢迎，为人们对数据带宽的不懈追求创造了一些急需的喘息空间。

这个额外的 6 GHz 频段拥塞程度较低，因此可以提供更好的服务质量和更低的延迟。这对于游戏和 AR/VR 耳机应用尤其重要。不过，它的范围比较有限，穿墙和穿顶能力较弱。

什么是Wi-Fi 7？

虽然 WI-FI 7 仍将在 2024 年晚些时候获得批准，但我们已经开始在市场上发现 “pre” WI-FI 7 芯片和设备。

WI-FI 7 源自 IEEE 802.11be 规范，将拥有更强大的功能。其中包括

• 高达 320 MHz 的信道带宽，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 为 160 MHz。这仅适用于 6 GHz 频段。

• 多达 16x16 MIMO 配置，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 为 8x8

• 最大 4K QAM 调制，而 WI-FI 6/6E (802.11ax) 为 1K QAM

WI-FI 7 比 WI-FI 6/6E 快近 5 倍。但这并不是 WI-FI 7 突然受到追捧的唯一原因。有两个非常重要的功能促使人们关注新一代 WI-FI：多链路操作（MLO）和多资源单元（MRU）。

多链路操作 (MLO)

这样就能将相同或不同频段的两个信道聚合在一起，以提高吞吐量、绕过干扰并减少延迟。例如，由于干扰因素，在 6 GHz 频段的 3 个可用信道中，要获得一个 320 MHz 的空闲信道可能非常困难，甚至不可能。

为了克服这种情况，借助 MLO，WI-FI 7（802.11be）连接可以从 7 个可用信道中，在 6 GHz 频段上汇集两个互不相连的 160 MHz 信道，或者将 6 GHz 频段上的一个信道与 5 GHz 频段上的另一个信道汇集在一起。理论上，任何组合都是可能的，例如在 5/6 GHz 频段上聚合 160 MHz + 80 MHz 信道。

图3 . Wi-Fi 7 多链路操作 (MLO) 功能允许聚合两个链路（或通道）以提高总体吞吐量。这里聚合了两个 160 MHz 带宽通道。

MLO 还可以用于负载平衡，通过在通道之间快速、无缝地切换来最大程度地减少争用/重试。这也意味着延迟的减少。

多资源单元 (MRU) 

当用户的吞吐量要求需要一个 "大 "资源单元时，整个信道带宽中可能没有空闲的大带宽。因此，与 MLO 概念类似，但在同一信道上，可为单个用户聚合两个连续或不连续的资源单元，以满足吞吐量要求。

得益于 MLO 和 MRU，WI-FI 7 (802.11be) 非常有吸引力，尤其是在要求高吞吐量、低延迟和高链路可靠性的应用中。如何聚合、何时聚合以及聚合哪些信道是 WI-FI 7 基础设施提供商的差异所在。

其他设计配置参数

了解每一代技术带来的好处，什么是最适合我的应用的？除了生成和相关功能集之外，还需要考虑支持的最大配置参数。让我们逐一看看。

支持的无线电频段

默认为 2.4 GHz，支持所有类型。由于 2.4 GHz 频谱很拥挤，许多技术（Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 和其他专有技术）都在争夺这一频段，因此支持 5 GHz 频段甚至 6 GHz 频段（在 WI-FI 6E 和 WI-FI 7 上）也很有意义。

这虽然会增加成本--增加 5/6 GHz 无线芯片的芯片尺寸--但由于拥塞更少、重传更少，因此有助于实现更高的吞吐量和更短的延迟。

最大信号带宽

信号带宽可以为 20 MHz、40 MHz、80 MHz（从 Wi-Fi 5 / 802.11ac 开始）、160 MHz（从 WI-FI 6 / 802.11ax 开始）或 320 MHz（从 WI-FI 7 / 802.11be 开始）仅 6 GHz 频段）。

信号带宽越大，数据吞吐量越高。如果高吞吐量不是一个重要参数，那么支持更大的带宽仍然是有益的。对于给定的吞吐量，更大的带宽会导致空中花费的时间更短，从而降低功耗。

此外，在空中花费的时间更少，可以为其他人留下更多的空闲空间，因此更多的设备可以共存。这就是为什么许多低功耗物联网设备支持高达 40 MHz 的带宽，而不是仅 20 MHz，即使它需要少量的额外成本。

最大 MIMO 配置

Wi-Fi 系统可以具有单个收发器链（SISO，又名单输入单输出）或多个收发器链（MIMO，又名多输入多输出）。实际上，发射链和接收链的数量可以任意组合，最多可达标准授权的最大数量。例如，使用 WI-FI 6 时高达 8x8，使用 WI-FI 7 时高达 16x16。1x1 是指 SISO 配置，而 2x2 是具有 2 个发射链和 2 个接收链的 MIMO 系统。

还存在不对称配置，例如具有 2 个发送链和 3 个接收链的 2x3。更多的链意味着更高的吞吐量。这就像有几根平行的管道。例如，2x2 比 1x1 快两倍。但有时增加链的数量并不是为了增加吞吐量，而是为了通过额外的多样性来达到更高的灵敏度。

例如，2x3 配置可能仅在接收侧支持 2 个（而不是 3 个）空间流，第三条链用于获得额外的信号分集，从而获得更高 dB 的灵敏度。总而言之，更多的链意味着更高的吞吐量或更高的灵敏度，但由于无线电链的重复而带来了额外的芯片尺寸和成本。

最大调制编码方案 (MCS)

收发器链上可实现的最大吞吐量还取决于支持的最高调制编码方案 (MCS)。但更高的 MCS 会导致调制解调器中的信号处理更复杂，并对模拟/无线电架构提出更严格的要求，这意味着更大的芯片尺寸和更高的功耗。

这就是为什么有时WI-FI 6低功耗物联网解决方案为了节省成本和功耗仅支持MCS8/9（256QAM），而WI-FI 6标准最高可支持MCS10/11（1024QAM）。

多无线电/多链路配置 

当设备支持多个频段（2.4 GHz、5 GHz，有时是 6 GHz）时，可以通过 Wi-Fi 系统的单个实例或多个实例来处理各个频段上的链接：

·单个实例化允许同时处理每个频段，但需要分时处理。从用户/应用程序的角度来看，这是透明的，只是总吞吐量在每个频段之间共享。无论如何，单个实例化都可以支持 Wi-Fi 7 多链路单无线电 (MLSR) 功能，该功能允许立即从一个通道切换到另一个通道，以获得更高的可靠性和更短的延迟。

·多个实例化使其能够完全同时支持多个频段，从而支持更高的聚合吞吐量。由于芯片尺寸较大，因此成本较高，但可以通过其带来的附加价值来补偿。

如何为您的应用选择最佳选择

那么，最适合您的应用程序的版本和配置是什么？选择最新最好的口味和配置并不总是合适的，因为这可能会导致昂贵的过度杀伤力。面临的挑战是选择在性能、成本和功耗之间提供最佳折衷的风格和配置。让我们看几个例子。

低功耗物联网设备

低功耗物联网中普遍存在的问题是成本，然后是功耗。这就是为什么 WI-FI 4（源自 IEEE 802.11n 规范）单频段 2.4 GHz 仍然占主导地位，因为人们可以找到远低于 1 美元的芯片，但已经足够好了。但随着产量的增加，WI-FI 6 芯片的成本很快非常接近 WI-FI 4 芯片。它还带来了额外的好处：

·如果需要更高的数据吞吐量：使用 MCS7（64QAM 调制）时，WI-FI 4 1x1 40 MHz 带宽可高达 150 Mbps PHY 数据速率，而 WI-FI 6 1x1 40 MHz 带宽

• 由于 TWT 功能，功耗更低。冲突越少，重传就越少，因此空中花费的时间也就越少。

• 由于更高的数据速率，功耗更低。对于给定的数据吞吐量，更高的数据速率意味着在空中花费的时间更少，因此在更短的时间内启用无线电时功耗更低。

• 更多 WI-FI 6 设备可以连接到 WI-FI 6 接入点。

• 低功耗物联网设备通常速度很慢。与前几代不同，WI-FI 6 慢速设备不会减慢 Wi-Fi 网络速度，因此可以更好地与快速设备共存。

如果可靠性是一个关键参数，那么至少支持双频段就很重要。在某些工业应用中通常会出现这种情况。

如果延迟很关键，则必须支持具有两个或三个频段的 Wi-Fi 7。在某些工业和医疗应用中可能就是这种情况。

高端设备

支持 Wi-Fi 的高端设备通常处理大量数据传输，例如视频流和文件共享。这些设备包括智能手机、平板电脑、PC/笔记本电脑、电视、机顶盒、相机、AR/VR 耳机等。它们主要具有 MIMO 2x2 多频段配置。

虽然我们仍然在市场上看到大量 Wi-Fi 5 芯片，但新设计至少主要是 Wi-Fi 6 (802.11ax)，以便获得吞吐量效率的优势，特别是随着连接到 Wi-Fi 5 的设备数量的增加接入点正在增长。其中一些产品（例如智能手机、游戏机和 AR/VR 耳机）将在迁移到 Wi-Fi 6E 甚至 Wi-Fi 7 (802.11be) 时获得巨大优势，从而享受更高的可靠性和更低的延迟。

接入点

在设计/部署/升级基础设施时，建议使用 Wi-Fi 7 (802.11be) 接入点，特别是在机场、体育场、购物中心和办公室等密集环境中，这些地方有多达数千个用户连接，移动且具有动态 Wi-Fi 要求，定期在电子邮件、浏览、聊天、文件传输和视频会议之间切换。这些接入点通常具有 4x4 MIMO 配置或以上配置。

对于家庭或小型办公室等较小的环境，具有 2x2 MIMO 配置的接入点通常就足够了。据 ABI 称，2x2 配置占网络和接入点 Wi-Fi 芯片组总出货量的 40% 以上。如果没有很强的时延要求，从技术角度来看，Wi-Fi 6或6E就足够了，但必须考虑WI-FI 7相对于竞争的营销价值。

EETOP编译自allaboutcircuits