| Kann 5G Wi-Fi 6 ersetzen?Am Abend des 9. Juni 2021 fand in der Zhangjiang Science City der sechste Branchensalon „Chip Everyone Says/I Say IC“ statt, der von Zhangjiang Hi-Tech und Xinmo Research organisiert wurde. Im Rahmen des Salons hielt Zhang Pengfei, Vorstandsvorsitzender von Broadcom Integration, einen inspirierenden Vortrag zum Thema „Neugestaltung des Internets der Dinge: Wi-Fi 6 im Fokus“. Der Salon lockte zahlreiche Führungskräfte aus namhaften Unternehmen wie Huawei, Huahong Grace, Unisoc, Pingtouge und Intel an.Während der Kommunikationsrunde vor Ort führte Zhang Pengfei eine angeregte Diskussion mit dem Publikum über Branchen-Hotspots, Branchenchancen, Unternehmensstrategien und andere Themen. Zhang Pengfei, Vorsitzender und CEO von Broadcom IntegrationHerr Zhang Pengfei ist Vorsitzender und CEO von Broadcom Integration und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Halbleiterindustrie. Er studierte Elektrotechnik an der Tsinghua-Universität und erwarb dort seine Bachelor-, Master- und Doktortitel. 1994 ging er in die USA, um an der University of California, Los Angeles (UCLA) als Postdoktorand zu forschen. Gemeinsam mit Partnern gründete er in den USA Resonext Communications, ein Unternehmen für integrierte Schaltungsentwicklung, das später von RF Micro Devices, einem börsennotierten US-Unternehmen, übernommen wurde. Nach seiner Rückkehr nach China gründete Herr Zhang Pengfei 2005 Broadcom Integration im Shanghai Zhangjiang High-Tech Park. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Forschung und Entwicklung sowie den Vertrieb von integrierten Schaltungen für die drahtlose Kommunikation. Broadcom bietet energieeffiziente und leistungsstarke drahtlose Funkfrequenz- und Mikroprozessor-SoC-Chips für in- und ausländische Kunden, darunter viele weltbekannte Marken, und liefert Komplettlösungen für intelligente Transportsysteme und das Internet der Dinge. Im April 2019 wurde Broadcom Integration im A-Aktien-Hauptsegment notiert.Nachfolgend der Inhalt der wunderbaren Rede von Herrn Zhang Pengfei, zusammengestellt von Xinmo Research.Zhang Pengfei:
Jeder kennt WLAN und besitzt mindestens ein WLAN-fähiges Gerät. In den letzten zwei Jahren wurden mit der Einführung von Wi-Fi 6 viele Endgeräte auf diesen Standard aufgerüstet, und Wi-Fi 6 hat auch in den Medien große Aufmerksamkeit erregt. Heute möchte ich Ihnen Wi-Fi 6 vorstellen und Ihnen die neuen technologischen Verbesserungen, Anwendungsszenarien und Investitionsmöglichkeiten erläutern.Ich werde die folgenden Punkte näher erläutern:1. Die Entstehung der Wi-Fi-Technologie; 2. Fünf wesentliche Anwendungsengpässe von Wi-Fi 5; 3. Neun wichtige technologische Verbesserungen von Wi-Fi 6; 4. Vergleich von Wi-Fi 6 und 5G; 5. Designherausforderungen bei Wi-Fi-6-Chips; 6. Der Aufstieg der Wi-Fi-Branche; 7. Prognose der Wi-Fi-Marktgröße; 8. Integrierte Wi-Fi-Produkte von Broadcom.
Der Ursprung der Wi-Fi-Technologie
Die elektronische Informationsindustrie hat sich über 50 Jahre lang entwickelt und zahlreiche Produkte hervorgebracht, die die Welt verändert haben. Computer und Mobiltelefone sind die beiden bekanntesten Beispiele. Die entscheidende Basistechnologie dahinter ist die Übertragung und Vernetzung.Wir nutzen täglich mehrere drahtlose Übertragungsprotokolle, und jedes Mobiltelefon verfügt über mindestens drei: Mobilfunk, WLAN und Bluetooth. Die Leistungsfähigkeit drahtloser Übertragungstechnologien wird anhand dreier wichtiger Kriterien bewertet: Reichweite, Bandbreite und Akkulaufzeit. Technisch gesehen ist es unmöglich, in allen drei Bereichen optimale Ergebnisse zu erzielen, und selbst wenn dies gelänge, wären die Kosten extrem hoch. Daher nutzen Mobiltelefone drei verschiedene drahtlose Übertragungsprotokolle: Mobilfunk optimiert die Reichweite, WLAN die Bandbreite und Bluetooth den Stromverbrauch.Seit 1999 existiert der WLAN-Standard Wi-Fi. Nach einer langen Entwicklungsphase durchlief er bis zu Wi-Fi 6 fünf Generationen technologischer Fortschritte, deren Hauptziel die Steigerung der Datenübertragungsrate pro Zeiteinheit war. So ermöglichten beispielsweise die Wi-Fi-Standards 802.11a und 802.11g der dritten Generation die Übertragung von E-Mails, der Standard der vierten Generation das uneingeschränkte Surfen im Internet und der Standard 802.11ac der fünften Generation die flüssige Videowiedergabe. Mit der Weiterentwicklung der Technologie stieg die Verbreitung von Wi-Fi stetig, und es etablierte sich in Industrie und Wirtschaft. Dabei traten auch Engpässe für die Nutzer auf.
Fünf wesentliche Anwendungsengpässe von Wi-Fi 5
Betrachten wir zunächst ein typisches WLAN-Anwendungsszenario. In einer Büroumgebung gibt es einen Access Point (AP), der als Router, Hotspot oder Gateway fungieren kann. Viele Geräte im Büro sind über APs mit dem Internet verbunden. Ein AP und alle damit verbundenen Geräte bilden ein Basisstationsnetzwerk (BSS). Die mit dem AP verbundenen Geräte werden als Stationen (STA) bezeichnet. Innerhalb eines BSS befindet sich ein AP. Alle STAs, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf den AP zugreifen, konkurrieren um die drahtlose Übertragungskapazität, um eine Internetverbindung herzustellen. Zwei benachbarte BSS werden als OBSS bezeichnet.Nachdem wir dies verstanden haben, können wir herausfinden, welche technischen Engpässe in der Wi-Fi-Technologie vor dem Aufkommen von Wi-Fi 6 bestehen.(1) Die Koexistenz mehrerer Geräte führt zu erheblichen ÜberlastungenMit der zunehmenden Verbreitung von WLAN verbinden sich immer mehr Stationen (STAs) mit einem Zugangspunkt (AP) in einem Basisstationssystem (BSS), wodurch die Wahrscheinlichkeit für jede Station, den AP zu erreichen, sinkt. Tatsächlich ist ein Kanal innerhalb eines BSS bei einer Auslastung von 75 % gesättigt. Kommt eine weitere Station hinzu, kommt es zu erheblichen Verzögerungen. Zudem stören sich die Basisstationen (OBSS) weiterhin gegenseitig.(2) Der Anteil der Kurzbilddaten ist zu hochWenn der Access Point (AP) STA-Daten sendet, muss er diese paketieren und versenden. Dieser Prozess verursacht einen gewissen Verwaltungs- und Kontrollaufwand, um effektive und sichere Datenverbindungen zu gewährleisten. Je mehr gültige Daten übertragen werden, desto höher ist die Auslastung des Übertragungsmediums. Normalerweise senden wir über WLAN kurze Nachrichten mit geringer Datenmenge. Nur bei der Übertragung von 4K- und 8K-Informationen fällt eine große Menge gültiger Daten an. In diesem Fall ist die Auslastung des Übertragungsmediums während der Paketierung sehr gering.(3) Erheblicher Mangel an FrequenzressourcenWir nutzen das 2.4-GHz-Frequenzband am häufigsten. Selbst bei der geringsten Bandbreite von 20 MHz stehen nur drei Kanäle zur Verfügung. Bei einer Bandbreite von 40 MHz kann im 2.4-GHz-Band sogar nur ein Kanal ausgewählt werden. Aus Sicht der Frequenzressourcen ist die Nutzung von 2.4 GHz sehr schwierig. Nutzt beispielsweise das 802.11ap-Protokoll eine Bandbreite von 160 MHz, stehen selbst im 5-GHz-Band nur zwei Kanäle zur Verfügung. In vielen Fällen führt die unzureichende Kanalanzahl zu Überlastung.(4) Geringer StromverbrauchImmer mehr Menschen nutzen das Internet der Dinge (IoT), und eine wichtige Voraussetzung für dessen Anwendung ist die Reduzierung des Stromverbrauchs. In der WLAN-Branche wird dem geringen Stromverbrauch noch nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt. Heutige elektronische Geräte können ihre Batterien einmal jährlich austauschen – das funktioniert gut. Wenn das IoT-Zeitalter anbricht und man von 100 solchen Geräten in einem Haushalt ausgeht, müssen wöchentlich zwei Batterien gewechselt werden, was die Nutzer stark belasten wird. Daher ist die Verlängerung der Batterielebensdauer eine zentrale Herausforderung.(5) Ferngespräche im FreienWLAN ist ein Übertragungsprotokoll für Innenräume, warum sollte man es also im Freien einsetzen? Mit dem Aufkommen des Internets der Dinge ist der Bedarf an Lösungen für den Außenbereich gestiegen. Beispielsweise benötigen wir für Sicherheitsüberwachung sowie Freizeit- und Unterhaltungseinrichtungen zuverlässigere Übertragungsprotokolle für den Außenbereich.Dies sind allesamt Schwierigkeiten und Herausforderungen hinsichtlich der Effizienz, die in Wi-Fi-Anwendungsszenarien aufgrund der rasanten Entwicklung der Branche vor der Einführung von Wi-Fi 6 auftreten. Dies bildet auch den industriellen technischen Hintergrund für die Einführung von Wi-Fi 6 durch das IEEE aus der Perspektive der Formulierung von Funkstandards.
Wi-Fi 6 – neun wichtige technische Verbesserungen
Was hat Wi-Fi 6 gebracht? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wi-Fi 6 neun wesentliche technische Verbesserungen mit sich bringt.(1) Modulationstechnologie höherer Ordnung 1024QAM.Wi-Fi 6 nutzt die höherwertige 1024QAM-Modulationstechnologie, wodurch die maximale Datenübertragungsrate im Vergleich zu Wi-Fi 5 um 25 % erhöht wird.Wi-Fi 5 verwendet die 256QAM-Modulationstechnologie, und die Datendichte eines einzelnen Symbols beträgt 8. Wi-Fi 6 verwendet die 1024QAM-Vektormodulation, und die Datendichte eines einzelnen Symbols erreicht 10.(2) Die Subträgerdaten wurden vervierfachtWi-Fi nutzt Mehrträgertechnologie. Wi-Fi 5 verfügt über 256 Subträger. Wi-Fi 6 hat diese Anzahl vervierfacht und bietet nun 1024 Subträger. Die Erhöhung der Subträgeranzahl bringt zwei Vorteile mit sich: eine verbesserte Spektrumnutzung und eine optimierte Ausnutzung der Übertragungszeit.Die Subträger werden in RU-Gruppen unterschiedlicher Größe zusammengefasst und den einzelnen STAs in RU-Einheiten zugeteilt. Mithilfe der OFDMA-Technologie können unterschiedliche Daten in ein und demselben Paket zusammengefasst werden, um Spektrumverschwendung durch kurze Pakete zu vermeiden. Dies reduziert außerdem die Konkurrenz zwischen den STAs und verringert die Latenz.Der Wi-Fi-5-Standard unterstützt bereits die gleichzeitige Nutzung mehrerer Benutzer im Downlink; Wi-Fi 6 ergänzt dies um die gleichzeitige Nutzung mehrerer Benutzer im Uplink. Es bestehen zahlreiche Anforderungen: Kanalmatrixmessungen, Taktmanagement und Leistungssteuerung. Sowohl MU-MIMO- als auch OFDMA-Technologien lösen das Problem der Übertragung an mehrere Geräte. OFDMA nutzt dafür Frequenzwiederverwendung, während MU-MIMO räumliches Multiplexing verwendet.Die BSS-Technologie basiert auf dem 802.11ah-Protokoll. Die Datenübertragung lässt sich beispielsweise mit einem Restaurantbesuch vergleichen. Jeder Tisch bildet ein BSS (Broadcast Service System). Unter Wi-Fi 5 ist eine Unterhaltung nicht möglich, solange sich eine Person im Saal unterhält. Unter Wi-Fi 6 hingegen ist eine Unterhaltung möglich, solange die Person am Tisch nicht spricht. Mit dieser Methode können bis zu 64 verschiedene BSSs gleichzeitig betrieben werden.Der effektivste Weg zur Reduzierung des Stromverbrauchs besteht darin, inaktive Geräte in den Energiesparmodus zu versetzen. Da Wi-Fi 6 Anwendungen des Internets der Dinge (IoT) unterstützt, ermöglicht es Stationen (STAs), sicher in den Energiesparmodus zu wechseln, aber offline zu bleiben. Access Point (AP) und STA verhandeln die Aufwachzeit und tauschen regelmäßig Informationen aus, um die Sendezeit des APs zu verlängern und seine Steuerungsfunktionen zu verbessern. Anders ausgedrückt: Wi-Fi 6 reduziert die Anzahl konkurrierender Geräte und senkt den Stromverbrauch durch verbesserte Verwaltungs- und Steuerungsfunktionen.(7) Unterstützt die Frequenzbänder 2.4 GHz und 6 GHzUm das Problem der begrenzten Spektrumressourcen zu lösen, unterstützt Wi-Fi 6 die Frequenzbänder 2.4 GHz und 6 GHz. Das 2.4-GHz-Band wurde aufgrund seiner geringen Übertragungsdämpfung und der zuverlässigen Verbindung hinzugefügt. Das 6-GHz-Frequenzband ist das exklusive Frequenzband von Wi-Fi 6 und erhöht die Spektrumressourcen um das Dreifache (einschließlich der Kanäle 59/29/14/7). Da es keine anderen Geräte mit älteren Versionen im 6-GHz-Frequenzband gibt, ist keine Kompatibilität erforderlich, und die Systemeffizienz wird weiter verbessert.Wi-Fi 6 bietet speziell für IoT-Anwendungen entwickelte Produkte mit 20 MHz Bandbreite, die geringen Stromverbrauch, niedrige Kosten und niedrige Geschwindigkeiten erfordern. IoT-Wi-Fi-6-Endgeräte benötigen lediglich eine Bandbreite von 20 MHz. Das System ist einfach aufgebaut und eignet sich für Anwendungen in den Bereichen Beleuchtung, Unterhaltung, Fernsteuerung, Wearables, Gesundheitswesen, Medizin und weitere.(9) WPA 3-SicherheitsstufeDie Verschlüsselungssicherheit von Wi-Fi 6 wurde von WPA2 auf WPA3 mit einem 192-Bit-Verschlüsselungswort angehoben, wodurch Wörterbuchangriffe verhindert werden können. Um die Datensicherheit vor einem möglichen Datendiebstahl zu gewährleisten, ist das Sicherheitsniveau in Unternehmen, Privathaushalten und Konzernen höher als in Mobilfunknetzen.
Vergleich von Wi-Fi6 und 5G
Jedes Mal, wenn das Mobilfunknetz verbessert wird, behauptet jemand, WLAN sei überflüssig. Diese Aussage war bei 4G-LTE sehr populär. Doch nun, da Mobilfunknetze zu 5G weiterentwickelt wurden, wird WLAN ersetzt? Ich halte das für unwahrscheinlich. Betrachten wir zunächst den technischen Vergleich zwischen Wi-Fi 6 und 5G.Im Vergleich zu 5G bietet Wi-Fi 6 eine höhere Kapazität und geringere Latenz. Die Kosten pro Flächeneinheit sind ebenfalls niedriger als bei 5G. Die Netzwerkarchitektur von 5G vereinfacht den Wi-Fi-Zugang. Verbesserte Sicherheitsfunktionen erleichtern die Datenverwaltung und -kontrolle und erhöhen die Datensicherheit. Zukunftsfähige Geräte ermöglichen schrittweise Netzwerk-Upgrades. Weltweit einheitliche Frequenzbänder und Protokolle erleichtern die Verbreitung von Wi-Fi 6 im Vergleich zu 5G. Das neu hinzugefügte 6-GHz-Frequenzband steigert die Wettbewerbsfähigkeit von 5G im Millimeterwellenbereich. Die Nutzungsgewohnheiten der Nutzer fördern weiterhin die Koexistenz von 5G und Wi-Fi. Statische Anwendungen in Innenräumen und dynamische Anwendungen im Außenbereich ergänzen und verstärken sich gegenseitig. Daher werden 5G und Wi-Fi auch in Zukunft parallel existieren.
Designherausforderungen von Wi-Fi 6-Chips
Die zahlreichen technischen Verbesserungen von Wi-Fi 6 stellen hohe Anforderungen an das Chipdesign und große Herausforderungen dar. Dies betrifft im Wesentlichen Empfänger, Sender, Basisbandschaltung und Taktsynchronisation. Im Bereich der Basisbandschaltungen setzt die Industrie zunehmend auf die höherwertigen 12-nm- und 14-nm-Prozesse. Die Steuerung der Sendeleistung des Taktsignals war in Wi-Fi-Systemtakten bisher nicht möglich, was deren Entwicklung sehr komplex macht.Viele Unternehmen haben inzwischen Wi-Fi-6-Chips entwickelt, die meisten davon aus den USA. Quantenna war der erste Hersteller und brachte 2016 Wi-Fi-6-Chips auf den Markt. Mittlerweile wurde Quantenna von ON Semiconductor übernommen. Der Wi-Fi-6-Standard wurde zwar 2019 formuliert, aber erst 2020 offiziell eingeführt. Warum kommen die Chips also vor dem Standard auf den Markt? Der wichtigste Grund ist, dass diese Unternehmen an der Standardisierung beteiligt sind. Standards spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung unserer Branche. Wir stecken zu lange im Standardisierungsprozess fest.
Der Aufstieg der Wi-Fi-Industrie
Die Entwicklung der Wi-Fi-Branche ist nicht einfach. Heute hat die Wi-Fi-Branche einen Umfang von 3.3 Billionen US-Dollar erreicht, mit 37.5 Milliarden Wi-Fi-Chips. Im Durchschnitt besitzt jeder Mensch zwei Geräte, die Wi-Fi-Technologie nutzen.Im Anwendungsbereich liegt der Markt für Router und Gateways mittlerweile bei fast 500 Millionen Einheiten und verzeichnet weiterhin starkes Wachstum. Zu den Produkten mit jährlichen Auslieferungen von über 200 Millionen Einheiten zählen Fernseher, Smart Speaker, Haushaltsgeräte, Beleuchtung und Überwachungskameras. Produkte mit jährlichen Auslieferungen von über 100 Millionen Einheiten sind beispielsweise Smartwatches und intelligente Schalter. Seit 2017 wächst der Markt für WLAN-Chips um 1 Milliarde Einheiten pro Jahr.
Wi-Fi-Marktgrößenprognose
Betrachtet man allein den Wi-Fi-6-Markt, ist der Wachstumstrend eindeutig. Erstens hat die rasante Entwicklung von 5G die schnelle Umstellung von Wi-Fi-Geräten auf Wi-Fi 6 vorangetrieben. Zweitens wirkt sich die nationale Politik zur Verdopplung der Gigabit-Geschwindigkeit positiv auf den Wi-Fi-6-Markt aus. Drittens erfordert die rapide Zunahme der IoT-Gerätedichte Wi-Fi 6, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Schließlich wird erwartet, dass im Jahr 2025 mehr als die Hälfte aller Wi-Fi-Geräte Wi-Fi 6 nutzen werden.Wi-Fi 6 bietet der chinesischen Halbleiterindustrie eine besondere Chance. Historisch betrachtet ist jeder technologische Umbruch ein idealer Zeitpunkt für den Einstieg in die Branche. Auch das Aufkommen neuer Anwendungen schafft Innovationspotenzial. AIoT und Industrie 4.0 haben neue Anwendungsmärkte erschlossen. China verfügt über eine vollständige industrielle Wertschöpfungskette. Gleichzeitig fördert die nationale Politik deren Sicherheit. Daraus ergeben sich zahlreiche Vorteile für Investitionen und die Politik. Es ist ein günstiger Zeitpunkt für die Entwicklung der Halbleiterindustrie.
Broadcom Integrated Wi-Fi-Produkte
Zum Schluss möchten wir Ihnen die Situation der Broadcom-Integration in unserem Unternehmen vorstellen.Broadcom Integrated, gegründet 2005, konzentriert sich auf die drahtlose Übertragungstechnik. Das Unternehmen ist seit 2019 im A-Aktien-Hauptsegment notiert. Das Produktportfolio von Broadcom Integrated lässt sich in zwei Bereiche unterteilen: Erstens Smart-Home-Lösungen, vorwiegend Bluetooth- und IoT-WLAN-Chips; zweitens intelligente Hochgeschwindigkeitschips, für die Broadcom Integrated führender internationaler Anbieter von ETC-Chips und einem umfassenden Sortiment an Chips für die Automobilindustrie ist.Im Produktbereich bietet Broadcom Integration derzeit zwei Flaggschiffprodukte an: den Wi-Fi/BT/FM Multi-Mode Dual-Core Smart Audio Prozessorchip BK7271, der über umfangreiche Audio- und Videoverarbeitungsressourcen verfügt, darunter Mikrofonarray, aktive Rauschunterdrückung, KI-Weckfunktion per Schlüsselwort und andere einzigartige Technologien; sowie den Wi-Fi 6 IoT MCU-Chip BK7236, der das Wi-Fi 6-Protokoll unterstützt, für die meisten IoT-Anwendungen geeignet ist und von der Wi-Fi 6 Alliance zertifiziert wurde.Der Branchensalon „I Say IC“ ist eine regelmäßige und innovative Plattform für den Austausch von Konzepten, die von Zhangjiang Hi-Tech und Xinmo Research gemeinsam ins Leben gerufen wurde. Zukünftig wird die Plattform regelmäßig Salons zu aktuellen Themen der industriellen Entwicklung veranstalten und sich zum Ziel gesetzt haben, die einflussreichste Plattform für Wissen, Innovation und Kommunikation in der IC-Industrie zu werden.
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