WIFI6的接口配置

現(xiàn)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(dú)立完成WIFI協(xié)議和應(yīng)用業(yè)務(wù)的SOC單芯片，比如家庭里的WIFI路由器，還有一些IOT小設(shè)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(jī)、電腦、電視機(jī)等設(shè)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(kāi)始講WIFI芯片和不同硬件接口的配置之前，先簡(jiǎn)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(shè)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(shù)字輸入輸出卡外設(shè)接口，是由SD卡的協(xié)議演化升級(jí)而來(lái)，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(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，X1即總線位寬是1的時(shí)候速率為4Gbps，而X32時(shí)最高，可以達(dá)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(gè)時(shí)候剛剛從GPRS上網(wǎng)方式切換到WIFI上網(wǎng)，終端產(chǎn)品上面的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還是以設(shè)配GPRS的網(wǎng)速為準(zhǔn)，所以對(duì)網(wǎng)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(guò)限于功耗和當(dāng)時(shí)主機(jī)平臺(tái)預(yù)留接口，基本上以GSPI和SDIO接口為主，所以當(dāng)時(shí)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(jiàn)圖示1和2）。

圖（1）

圖（2）

隨著WIFI的逐步普及，終端產(chǎn)品上的不斷呈現(xiàn)的應(yīng)用業(yè)務(wù)開(kāi)始反過(guò)來(lái)帶動(dòng)WIFI傳輸速率性能的提高，于是基于802.11n和802.11ac的WIFI4和WIFI5開(kāi)始逐步進(jìn)入了市場(chǎng)。WIFI4 1T1R最大速率為150Mbps，2T2R為300Mbps，此時(shí)USB2.0 480Mbps以及SDIO2.0 200Mbps可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，相對(duì)來(lái)說(shuō)，SDIO的功耗會(huì)遠(yuǎn)低于USB，而USB的傳輸性能會(huì)優(yōu)于SDIO；所以這個(gè)時(shí)候電池供電類智能終端以SDIO2.0為主，而電源供電的消費(fèi)類終端則根據(jù)實(shí)際速率需求選擇SDIO2.0和USB2.0皆可（見(jiàn)圖示3和4）。到WIFI5時(shí)代，速率又開(kāi)始了大幅度提升，1T1R HT80到達(dá)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(shí)WIFI芯片的硬件接口開(kāi)始全面向USB3.0/SDIO3.0/PCIe升級(jí)，在設(shè)計(jì)上，電腦筆記本的應(yīng)用因?yàn)閷?duì)功耗沒(méi)有如電池供電的終端設(shè)備那么苛刻，所以PCIe是主流，而手機(jī)/PAD以及其它使用手機(jī)平臺(tái)作為主控的智能設(shè)備等則以SDIO3.0接口的WIFI5為最佳設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖示5和6）。

圖（3）

圖（4）

圖（5）

圖（6）

接下來(lái)我們重點(diǎn)分析一下WIFI6 Controller的接口選型。WIFI6，也即IEEE802.11ax，在WIFI5的基礎(chǔ)上增加了很多新特性，使得2T2R 80M帶寬的配置下速率高達(dá)1200Mbps，這就意味著WIFI Controller芯片最通用功耗最低的SDIO2.0/3.0已經(jīng)無(wú)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(dāng)前WIFI6的高性能需求。USB3.0，理論上速率高達(dá)4.8Gbps，它是比USB2.0更節(jié)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(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)USB3.0對(duì)WIFI6射頻的干擾非常之大，原因就在這個(gè)高速率的機(jī)理上面。大家都知道，有線信號(hào)是會(huì)輻射電池波的（直流電除外），這個(gè)電池波必然會(huì)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(shù)據(jù)線組成2組，每組負(fù)責(zé)一個(gè)傳輸方向，實(shí)現(xiàn)全雙工雙向5GHz，而每條數(shù)據(jù)線的基準(zhǔn)頻率是2.5GHz，非常接近2.4G WIFI，按照高頻設(shè)備對(duì)信號(hào)的分布，必然會(huì)波及到2.5GHz附近的2.4G WIFI，吞吐量越高呈現(xiàn)出來(lái)的干擾現(xiàn)象就越明顯，這跟WIFI6的市場(chǎng)需求點(diǎn)是沖突的。除去吞吐量不符合要求的SDIO3.0和會(huì)有干擾痛點(diǎn)的USB3.0，剩下的就是PCIe接口了。如前面第三段對(duì)接口的速率描述，PCIe總線位寬1位時(shí)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(kuò)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(yīng)用在電腦上，而在智能終端產(chǎn)品平臺(tái)上面預(yù)留PCIe接口的并不多，所以在產(chǎn)品迭代研發(fā)的過(guò)程中還需要有一小段Controller和Host磨合的時(shí)間，不過(guò)PCIe接口是目前WIFI6產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖示7和8）。

圖（7）

圖（8）

本文中涉及到的WIFI吞吐量以通用Controller配置為準(zhǔn)。比如WIFI5，本文以市面上主流WIFI Controller的配置2T2R為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行討論；而對(duì)于WIFI Router產(chǎn)品，有大量的8T8R 160M帶寬的產(chǎn)品，SGI模式下理論速率可以高達(dá)6928Mbps；而WIFI6在8T8R 160M帶寬更是可以達(dá)到10Gbps。lw