安森美半导体Quantenna的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E技术与方案使联接更快、更广、更高效

2020-04-08 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

如今,Wi-Fi已成为人们生活中不可或缺的一部分,联接着人们的工作、学习和娱乐。随着Wi-Fi标准演变到Wi-Fi 6甚至未来的Wi-Fi 6E,联接速度在不断地提升,Wi-Fi方案的全球领袖之一安森美半导体旗下的Quantenna也与时俱进,不断推出更先进的Wi-Fi方案和技术如波束成形、8x8多用户多入多出(MU-MIMO)等,使宽带网关、Wi-Fi信号增强器、Mesh节点、视频客户端机顶盒、零售路由器、视频桥等应用联接更快,吞吐量更大,覆盖范围更广,先进的Spartan参考设计还帮助设计人员缩短开发时间,最优化开发成本。

Wi-Fi对比其它无线技术

市场上的无线技术主要有蓝牙、Zigbee、WiGig、LTE/4G、Wi-Fi、5G。其中,蓝牙、Zigbee主要用于10m以内的短距传输,速度达10Mbps,WiGig专为短距、达6Gbps的超高速无线网络而设计,LTE适用于达100 km的长距传输,Wi-Fi能提供在100m范围左右、达9.6Gbps的高速传输,5G在某些频段可达到与Wi-Fi差不多的距离和速度。从应用来看,4G和5G都适用于移动设备,但由于距离的因素,5G需部署较多的基站。

各种无线技术所用的频率都不同,如LTE使用2.5GHz频段,而5G工作在28GHz频段,假设在相同的发射频率下,频率越高,所发送信号的距离越短,所以5G需要部署较多的基站才能实现距离更远的覆盖,会增加费用。对于LTE和5G所用频段,运营商需要支付几十亿美元以获得授权,而Wi-Fi的频段是免授权的,因而Wi-Fi更具成本优势。Wi-Fi 6和5G的对比如图1所示。

图1、Wi-Fi 6对比5G

Wi-Fi标准的演进

Wi-Fi标准从1999年制定实施以来,最快速度由最初的11Mbps演变到54Mbps、600Mbps、6.8Gbps,到现在Wi-Fi 6的9.6Gbps,吞吐量不断提高,在Wi-Fi的天线方面,从最初的1x1到4x4乃至现在普遍使用的8x8。从Wi-Fi 1到Wi-Fi 6,20年内提速约1000倍(3个数量级),这意味着若您想发送或接收一部3.8GB的电影,用Wi-Fi 1约耗时3850秒(64分钟),而用802.11ax Wi-Fi 6仅需约4.5秒。

无线技术频率和带宽越大越好

从调幅(AM)无线电到调频(FM)无线电再到5G,使用的频率越来越高,Wi-Fi使用2.4GHz、5GHz的频段,未来的Wi-Fi 6E还会扩展到6GHz。带宽越大,就能传输更多数据。2.4GHz的带宽约83.5MHz,5GHz的带宽约500MHz,6GHz的带宽约1200MHz,是2.4GHz和5GHz合并值的两倍多。

什么是波束成形、MIMOMU-MIMO

波束成形是将能量聚焦于特定方向的传输,是使用数字信号处理让能量聚焦在所需要的客户端,在相控阵中组合元素以使特定角度的信号经历建设性干扰,而其他信号则经历破坏性干扰,以达成能量聚焦的目的,获得最佳的Wi-Fi信号增益。安森美半导体的Quantenna是首创将波束成形用于4x4 Wi-Fi 4 产品的半导体供应商。

多入多出(MIMO)指在发射端和接收端都有多个天线的通信系统,从而提升收发数据的速度和信号强固性。MU-MIMO基于MIMO和波束成形,支持多用户跨不同空间流,让Wi-Fi覆盖范围内的多个客户端都能获得最好的信号强度并提升速度。安森美半导体的Quantenna是首个支持4x4、8x8 MIMO和MU-MIMO的半导体供应商。

解决Wi-Fi痛点的关键技术

在实际使用中,有很多因素可能降低Wi-Fi性能,Quantenna的Wi-Fi增强功能可改善这许多影响。如针对随着距离拉远,Wi-Fi速度下降,Quantenna采用8x8、5x5 MIMO和波束成形扩大覆盖范围。为降低来自邻居Wi-Fi、其它免授权网络的干扰,采用智能信道选择(SCS)、智能型自优化网络(SONiQ)、智能接入点(AP)切换技术,择最佳的信道。安森美半导体也提供特有的iQStream安排各设备不同的优先级,以解决家庭中许多Wi-Fi设备同时使用所造成的竞争问题。

Quantenna的Wi-Fi方案用于接入点/网关、路由器、Mesh节点和机顶盒,符合的Wi-Fi标准从Wi-Fi 5、Wi-Fi 6到Wi-Fi 6E,提供最高达8x8 MIMO、双频段和三频段技术,且提供几近交钥匙(Turnkey)方案,简化和加快设计。

基于8x8 MIMOWi-Fi 6方案

Quantenna的Wi-Fi 6(802.11ax)8x8 MIMO的关键差异化特性在于:双频段8x8+4x4的12条空间流,可达到最高性能的5GHz加上2.4GHz的吞吐量。自适应8x8 MIMO在单个8x8或两个4x4网络之间进行动态切换,以根据可用客户端最大化频段利用率。8空间流反馈使客户端在处理MIMO信号时能达到最佳覆盖范围和速度。ESP对于少于8空间流反馈的客户端,重建完整的信道信息,以提升速度和覆盖范围。智能动态频率选择(DFS)雷达信道侦测,支持在DFS环境中启用天气雷达信道和160MHz带宽运行,以快速清除DFS雷达信道,从而使DFS雷达信道利用率更高,实现最大带宽和性能。

以产品举例说明,如双频8x8+4x4的QSR10GU-AX,这是个高度集成的三芯片组方案,集成双频并行基带、CPU、5GHz RFIC 8x8 和2.4GHz RFIC 4x4,最高速度达8.6Gbps(5GHz)+ 1.15Gbps(2.4GHz),比4x4增益更好,背景DFS雷达信道扫描使4条链在接收期间扫描干扰/DFS,并保留4x4的传输数据。

图2、QSR10GU-AX:固定的(8x8+4x4)802.11ax

三频4x4+4x4+4x4的QSR10R-AX,高度集成基带、CPU、5GHz RFIC(采用软件配置和外置滤波器将频段区分为5GHz高频和5GHz低频)、2.4GHz RFIC 4x4,可实现完全自托管的中继器方案。

图3、QSR10R-AX:三频(4x4 + 4x4 + 4x4)

此外,Quantenna在MU-MIMO技术领域处于领先地位,在Wi-Fi 4的时代就已导入MU-MIMO。在真实世界,客户端是会移动的,Quantenna演示并展示了即使有人在移动时MU-MIMO的优势,并且通过演算法的优化,也支持3个以上的客户端在MU-MIMO下获得速度增益,还支持160MHz信道带宽的MU-MIMO以最大化无线电性能。

基于5x5 MIMOWi-Fi 6方案

当前主流的产品是4x4 Wi-Fi 5,而Wi-Fi 6增加了正交频分多址(OFDMA)功能,且在2.4GHz频段上速度提高90%,以及TWT使客户端更省电。基于Wi-Fi 6标准的功能,Quantenna的5x5 MIMO Wi-Fi 6更进一步扩大覆盖范围,真正的MU-MIMO,具备独特的智能雷达信道扫描,及领先业界的QoS,比4x4 MIMO快50%的速度,提供更佳的Wi-Fi体验。

以QSR5G-AX Plus为例,全分流(Full Offload)让客户在选择主CPU时有更多的灵活性,简化软件集成,加快上市时间,第5条天线提供更好的家庭覆盖范围、更好的MU-MIMO增益,雷达扫描信道更精准,非常适用于中继器设计,无需外部CPU,具成本优势,Quantenna也提供完整的中继器交钥匙方案。

图4、QSR5G-AX Plus 优于4x4方案

Wi-Fi 6E产品

预计世界各国即将获监管批准使用6GHz。Wi-Fi频段延伸到6GHz,可提供更大容量,其带宽是2.4GHz + 5GHz的两倍多,多达7个160MHz信道,而5GHz中只有2个,系统总容量也从19.2Gbps增加到67.2Gbps。Wi-Fi频段延伸到6GHz还提升客户端性能。5GHz 11ax必须与11a / 11n / 11ac共享,而6GHz频段只有11ax协议客户端能连上,因而不受传统客户端的干扰。

安森美半导体Quantenna针对这一趋势,也做出了相应的6GHz Wi-Fi产品规划,如单基带固定4x4三频(4x4: 6GHz, 4x4: 5GHz, 4x4: 2.4GHz)方案,以及针对Mesh节点的2x2 + 4x4 +2x2方案(2x2: 6GHz, 4x4: 5GHz, 2x2: 2.4GHz)。

先进的Spartan参考设计

Spartan是先进的参考设计,含全功能硬件和软件设计包,为经授权的原始设备制造商(OEM)和原始设计制造商(ODM)提供产品设计文档、板制造文档、产品外壳文档,为便于OEM和ODM定制,还提供通用预测试固件和软件开发套件(SDK),帮助OEM和ODM降低成本,加快产品上市。

安森美半导体Quantenna的Spartan产品线有几种不同的组合,有符合Wi-Fi 5的Spartan Essential,用于桥接入点、网格、中继器等,采用5GHz 4x4 MIMO和2.4GHz 2x2 MIMO;有符合Wi-Fi 6的Spartan 5XL,用于Wi-Fi路由器和通用Mesh等,采用5GHz 5x5 MIMO和2.4GHz 2x2 MIMO;有符合Wi-Fi 6的Spartan路由器,用于高性能12流Wi-Fi路由器等,采用5GHz 8x8 MIMO和2.4GHz 4x4 MIMO;有符合未来Wi-Fi 6E的Spartan 6XL,用于点对点链路和6GHz接入点等,采用6GHz 5x5 MIMO和2.4GHz 2x2 MIMO。这些产品都基于市场最通用的配置,以助设计人员缩短开发时间和上市时间。用例如图所示。

图5、Spartan用例

总结

安森美半导体Quantenna提供差异化的Wi-Fi 6方案满足新兴、主流、高端市场的不同应用需求,使宽带网关、Wi-Fi信号增强器、Mesh节点、视频客户端机顶盒、零售路由器、视频桥、企业/户外接入点等应用联接更快更广,关键技术如Zero PER能改善视频的传输,QoS的升级版iQStream使不同的应用得到相对应的优先级,8x8 MIMO最大化覆盖范围,MU-MIMO在多个客户端同时使用网络时能提供最大的吞吐量,SmartScan能提供快精准的雷达信道侦测,开箱即用的Spartan参考设计支持设计人员投入最少的资源快速开发出最具竞争优势的产品。安森美半导体Quantenna也针对未来的6GHz趋势提供Wi-Fi 6E方案如三频方案,满足行业过渡到6GHz所需。

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