【技术分享】WIFI6的接口配置

日期:2020-03-10 作者:润欣科技创研社 返回列表

从十多年前的Featurephone智能化开始,到目前琳琅满目的各种智能设备比比皆是,WIFI这个词也从一个专业用词走入了大众生活,变成了生活常用语。国内早期的WIFI技术人员中,大部分是从2007年前后开始涉及或参与WIFI的研发和业务中来的。2007年在中国召开了首届年度WIFI会议(2007全球WiFi高峰会议),也在那一年,“让手机优先选网WIFI来替代GPRS”的言论开始主导当时的Featurephone市场,WIFI从此走上神坛。


现在我们的日常生活中碰到的WIFI主要分为两种,一种是可以独立完成WIFI协议和应用业务的SOC单芯片,比如家庭里的WIFI路由器,还有一些IOT小设备WIFI(芯片自带MCU);另一种是需要搭载其它Host主芯片一起工作的Controller芯片,包括手机、电脑、电视机等设备上面的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芯片的接口配置情况。


在开始讲WIFI芯片和不同硬件接口的配置之前,先简单地介绍一下这几种硬件接口的名词定义。


SPI接口,Serial Peripheral Interface,串行外设接口,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,传输速度为几兆bps。SDIO接口,Secure Digital Input and Output Interface,安全数字输入输出卡外设接口,是由SD卡的协议演化升级而来,传输速率基于不同的版本而差异,可支持100Mbps、200Mbps和832Mbps。USB接口,Universal Serial Bus Interface,通用串行总线,不同版本的速率相差最大,从1.5bps到5Gbps都有。PCIe接口,Peripheral Component Interconnect-express Interface,一种高速串行计算机扩展总线标准,X1即总线位宽是1的时候速率为4Gbps,而X32时最高,可以达到128Gbps。


最初的Featurephone和android1.5版本前后的Smartphone基本上用的是最高速率为54Mbps的802.11 b/g的WIFI芯片,那个时候刚刚从GPRS上网方式切换到WIFI上网,终端产品上面的网络应用还是以设配GPRS的网速为准,所以对网速的要求也不高,基本上6Mbps~30Mbps都能满足,从速率上USB1.1(12Mbps)、GSPI(几兆)、SDIO1.1(4bit 100Mbps)都可选用,不过限于功耗和当时主机平台预留接口,基本上以GSPI和SDIO接口为主,所以当时的主流WIFI a/b/g芯片都是带有SDIO和GSPI接口,以及少量的USB1.1接口(见图示1和2)。


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图(1)  


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图(2)


随着WIFI的逐步普及,终端产品上的不断呈现的应用业务开始反过来带动WIFI传输速率性能的提高,于是基于802.11n和802.11ac的WIFI4和WIFI5开始逐步进入了市场。WIFI4 1T1R最大速率为150Mbps,2T2R为300Mbps,此时USB2.0 480Mbps以及SDIO2.0 200Mbps可以满足产品设计的需求,相对来说,SDIO的功耗会远低于USB,而USB的传输性能会优于SDIO;所以这个时候电池供电类智能终端以SDIO2.0为主,而电源供电的消费类终端则根据实际速率需求选择SDIO2.0和USB2.0皆可(见图示3和4)。到WIFI5时代,速率又开始了大幅度提升,1T1R HT80到达了433Mbps,2T2R HT80为866Mbps,而HT160更是翻倍提升。从速率上,USB2.0也仅仅能承载1T1R的WIFI5,此时WIFI芯片的硬件接口开始全面向USB3.0/SDIO3.0/PCIe升级,在设计上,电脑笔记本的应用因为对功耗没有如电池供电的终端设备那么苛刻,所以PCIe是主流,而手机/PAD以及其它使用手机平台作为主控的智能设备等则以SDIO3.0接口的WIFI5为最佳设计(见图示5和6)。


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图(3)


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图(4)


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图(5)


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图(6)


接下来我们重点分析一下WIFI6 Controller的接口选型。WIFI6,也即IEEE802.11ax,在WIFI5的基础上增加了很多新特性,使得2T2R 80M带宽的配置下速率高达1200Mbps,这就意味着WIFI Controller芯片最通用功耗最低的SDIO2.0/3.0已经无法满足WIFI6的吞吐量需求,只有更高速率的USB3.0和PCIe可以满足当前WIFI6的高性能需求。USB3.0,理论上速率高达4.8Gbps,它是比USB2.0更节能的一种全双工通信,所以USB3.0完全符合WIFI6的速率承载要求,然而在实际测试中发现USB3.0对WIFI6射频的干扰非常之大,原因就在这个高速率的机理上面。大家都知道,有线信号是会辐射电池波的(直流电除外),这个电池波必然会干扰到相同或相近频段的其它电池波。USB3.0的传输频率为5GHz串行,在物理上使用4条数据线组成2组,每组负责一个传输方向,实现全双工双向5GHz,而每条数据线的基准频率是2.5GHz,非常接近2.4G WIFI,按照高频设备对信号的分布,必然会波及到2.5GHz附近的2.4G WIFI,吞吐量越高呈现出来的干扰现象就越明显,这跟WIFI6的市场需求点是冲突的。除去吞吐量不符合要求的SDIO3.0和会有干扰痛点的USB3.0,剩下的就是PCIe接口了。如前面第三段对接口的速率描述,PCIe总线位宽1位时的吞吐量是4Gbps,完全可以承载WIFI6 2T2R 80M的带宽配置,即使WIFI6 Controller天线扩展到4T4R 80M带宽,速率提高到2.4Gbps,PCIe X1也能满足需求,所以从吞吐量上PCIe完全满足要求(注:WIFI6 4T4R Controller芯片在支持160M带宽的情况下最高速率4.8Gbps,这就需要8Gbps的PCIe X2才能满足)。目前PCIe接口更多的应用在电脑上,而在智能终端产品平台上面预留PCIe接口的并不多,所以在产品迭代研发的过程中还需要有一小段Controller和Host磨合的时间,不过PCIe接口是目前WIFI6产品的最佳设计方案(见图示7和8)。


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图(7)


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图(8)


本文中涉及到的WIFI吞吐量以通用Controller配置为准。比如WIFI5,本文以市面上主流WIFI Controller的配置2T2R为设计点进行讨论;而对于WIFI Router产品,有大量的8T8R 160M带宽的产品,SGI模式下理论速率可以高达6928Mbps;而WIFI6在8T8R 160M带宽更是可以达到10Gbps。


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