| 5GはWi-Fi 6に取って代わることができるのか？2021年6月9日夜、張江ハイテクと新茂研究が主催する第6回「チップはみんなが言う／私はICと言う」業界サロンが張江科学城で開催されました。サロンでは、ブロードコム・インテグレーションの会長兼CEOである張鵬飛氏が「モノのインターネットの再構築：Wi-Fi 6について語る」をテーマに素晴らしい講演を行いました。サロンには、ファーウェイ、華虹グレース、ユニソック、平頭閣、インテルなどの有名企業の中堅・上級幹部が参加しました。現地での意見交換会において、張鵬飛氏は業界の注目点、業界の機会、企業戦略などについて、聴衆と活発な議論を交わした。 ブロードコム・インテグレーションの会長兼CEO、張鵬飛張鵬飛氏はブロードコム・インテグレーションの会長兼CEOであり、半導体業界で20年以上の経験を有しています。張鵬飛氏は清華大学電子工学科で学士号、修士号、博士号を取得しました。1994年には渡米し、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）で博士研究員として研究に従事しました。かつてはパートナーと共に米国で集積回路設計会社であるResonext Communicationsを共同設立し、後に米国上場企業であるRF Micro Devicesに買収されました。2005年に中国に帰国後、張鵬飛氏は上海張江ハイテクパークにブロードコム・インテグレーションを設立し、無線通信用集積回路チップの研究開発と販売に注力しています。同社は、国内外の多くの世界的に有名なブランドを含む顧客に、低消費電力・高性能の無線周波数およびマイクロプロセッサSOCチップを提供し、インテリジェント交通システムやIoT向けの包括的なソリューションを提供しています。ブロードコム・インテグレーションは、2019年4月にA株メインボードに上場した。以下は、新茂研究院がまとめた張鵬飛氏の素晴らしいスピーチの内容です。張鵬飛：
Wi-Fiは誰もが知っている技術であり、誰もが少なくとも1台はWi-Fi対応機器を所有しています。ここ2年間、Wi-Fi 6技術の登場に伴い、多くの端末製品がWi-Fi 6にアップグレードされ、Wi-Fi 6はメディアやニュースでも注目を集めています。本日は、Wi-Fi 6について、そしてその新たな技術アップグレード、新たなアプリケーションシナリオ、新たな投資機会についてお話ししたいと思います。以下の点について詳しく説明いたします。1. Wi-Fi技術の起源、2. Wi-Fi 5の5つの主要なアプリケーションボトルネック、3. Wi-Fi 6の9つの主要な技術的アップグレード、4. Wi-Fi 6と5Gの比較、5. Wi-Fi 6チップの設計上の課題、6. Wi-Fi産業の台頭、7. Wi-Fi市場規模の予測、8. Broadcomの統合型Wi-Fi製品。
電子情報産業は50年以上にわたり発展を続け、世界を変える数々の製品を生み出してきました。中でもコンピュータと携帯電話は最も代表的な製品です。そして、その背後にある非常に重要な基盤技術が、伝送と接続です。私たちは毎日複数の無線伝送プロトコルを使用しており、すべての携帯電話には少なくとも3つのプロトコル（セルラーネットワーク、Wi-Fi、Bluetooth）が搭載されています。無線伝送技術を評価する上で重要な3つの要素は、距離、帯域幅、バッテリー寿命です。技術的な観点から言えば、これら3つの要素すべてにおいて究極の性能を実現することは不可能であり、仮に実現できたとしても、非常に高いコストがかかります。そのため、携帯電話には3つの無線伝送プロトコルが搭載されているのです。セルラーネットワークは距離の最適化を、Wi-Fiは帯域幅の最適化を、そしてBluetoothは低消費電力をそれぞれ優先しています。Since 1999, WLAN has had a Wi-Fi wireless communication protocol standard. And after a long period of development, before Wi-Fi 6, it experienced five generations of technological development, and the main theme was to increase the amount of data transmitted per unit time. For example, the third-generation Wi-Fi 802.11a and 802.11g protocols can transmit emails; the fourth-generation Wi-Fi protocol allows devices to surf the Internet freely, and the fifth-generation Wi-Fi protocol 802.11ac allows devices to play videos smoothly. With the upgrade of technology, more and more users are using Wi-Fi, and Wi-Fi has begun to succeed in industry and business. User bottlenecks have also emerged.
Wi-Fi 5の5つの主要なアプリケーションボトルネック
まず、典型的な Wi-Fi アプリケーションのシナリオを見てみましょう。オフィス環境では、ルーター、ホットスポット、ゲートウェイのいずれかである AP があります。オフィス内の多くのデバイスは、AP を介して外部のインターネットに接続されています。AP とそれに接続されているすべてのデバイスは BSS を形成します。AP に接続されているデバイスは STA と呼ばれます。BSS 内には AP があります。ある時点で AP にアクセスするすべての STA は、インターネットに接続するために無線伝送媒体を競合する必要があります。隣接する 2 つの BSS は OBSS と呼ばれます。After understanding this, we can figure out what technical bottlenecks exist in Wi-Fi technology before the arrival of Wi-Fi 6.Wi-Fiの普及に伴い、BSS内のAPに接続されるSTAの数が増加し、各STAがAPにアクセスできる確率は低下しています。実際のところ、BSS内では、チャネル利用率が75%に達すると飽和状態になります。そこにさらにSTAを追加すると、深刻な遅延が発生します。OBSS同士の干渉も依然として発生しています。APがSTAデータを送信する際、データをパッケージ化して送信する必要があります。このプロセスでは、効果的かつ安全なデータ接続を実現するために、管理および制御のオーバーヘッドが発生します。有効なデータが多いほど、伝送媒体の利用率は高くなります。通常、Wi-Fiで送信するのは短いメッセージであり、有効なデータ量は多くありません。4Kや8Kの情報を送信する場合にのみ、有効なデータ量が多くなります。この場合、パケットアセンブリプロセス中の無線媒体の利用率は非常に低くなります。We use the 2.4GHz frequency band the most. Even with the smallest bandwidth of 20MHz there are only three available channels. If a 40MHz bandwidth is used, only one channel can be selected in the 2.4GHz band. From the perspective of frequency resources, 2.4GHz is very difficult to use. For example, if the 802.11ap protocol uses a 160MHz bandwidth, only two channels can be used even in the 5GHz band. Congestion in many cases is caused by insufficient channels.IoT（モノのインターネット）の利用者は増加の一途を辿っており、IoTの実用化において非常に重要な要件の一つが消費電力の削減です。Wi-Fi業界では、低消費電力化への取り組みは依然として十分とは言えません。現在、電子機器のバッテリー交換は年に一度で済んでおり、これは非常にうまくいっています。しかし、IoT時代が到来し、家庭に100台のIoT機器があると仮定すると、毎週2台のバッテリーを交換する必要が生じ、利用者に大きな負担がかかるでしょう。したがって、バッテリー寿命を延ばすことは、非常に重要な課題となります。Wi-Fiは屋内通信プロトコルですが、なぜ屋外で使用するのでしょうか？IoT（モノのインターネット）の普及に伴い、屋外シーンでの需要が高まっています。例えば、セキュリティ監視やレジャー・娯楽施設などでは、より信頼性の高い屋外通信プロトコルが必要とされています。これらはすべて、Wi-Fi6の登場以前の業界の急速な発展によってWi-Fiアプリケーションシナリオで発生する効率性の面での困難と課題です。また、これはIEEEが無線規格策定の観点からWi-Fi6を発表するに至った産業技術的背景でもあります。
Wi-Fi 6には9つの主要な技術的アップグレードが含まれています。
Wi-Fi 6は何を成し遂げたのか？要約すると、Wi-Fi 6には9つの主要な技術的アップグレードがあります。(1) Higher-order modulation technology 1024QAM.Wi-Fi 6は、より高性能な1024QAM変調技術を採用しており、Wi-Fi 5と比較して最大データ伝送速度が25%向上しています。Wi-Fi 5は256QAM変調技術を使用し、単一シンボルのデータ密度は8です。Wi-Fi 6は1024QAMベクトル変調を使用し、単一シンボルのデータ密度は10に達します。Wi-Fiはマルチキャリア技術を採用しています。Wi-Fi 5のサブキャリア数は256でしたが、Wi-Fi 6では4倍に増加し、1024に達しました。サブキャリア数の増加には、スペクトル利用効率の向上と伝送時間利用効率の向上という2つの利点があります。サブキャリアは、異なるサイズのRUグループにグループ化され、RU単位で各STAに割り当てられます。OFDMA技術を使用することで、異なる情報データを同じパケットに詰め込むことができ、短いパケットによるスペクトルの無駄を回避できます。また、STA間の競合を減らし、遅延を低減します。Wi-Fi 5規格は既にダウンリンクのマルチユーザー同時接続をサポートしていますが、Wi-Fi 6ではアップリンクのマルチユーザー同時接続が追加されます。チャネルマトリックス測定、クロック管理、電力制御など、多くの要件があります。MU-MIMO技術とOFDMA技術はどちらも、マルチデバイス伝送の問題を解決します。OFDMA技術は周波数再利用によって解決し、MU-MIMO技術は空間多重化によって解決します。BSSカラーリング技術は、802.11ahプロトコルをベースとしています。例えば、データ伝送はホールで食事をする場面に例えられます。各テーブルがBSS（ビジネスサービスステーション）です。Wi-Fi 5では、ホール内で誰かが話している間は会話できませんが、Wi-Fi 6では、テーブルにいる人が話していない限り会話できます。この方法を用いることで、最大64個の異なるBSSが共存することが可能です。消費電力を削減する最も効果的な方法は、使用していないデバイスをスリープモードにすることです。Wi-Fi 6はIoTアプリケーションに対応しているため、STAが安全にスリープ状態を維持しつつオフライン状態を保つように設定されています。APとSTAはウェイクアップ期間をネゴシエートし、定期的に情報を交換することで、APのブロードキャスト期間を延長し、APの制御機能を向上させます。つまり、Wi-Fi 6はデバイスの管理・制御機能を向上させることで、競合するデバイスの数を減らし、消費電力を削減します。スペクトルリソース不足の問題を解決するため、Wi-Fi 6は2.4GHz帯と6GHz帯の周波数帯域をサポートしています。2.4GHz帯は伝送損失が少なく、接続が安定しているため追加されました。6GHz帯はWi-Fi 6専用の周波数帯域であり、スペクトルリソースを3倍に増やします（チャネル59/29/14/7を含む）。6GHz帯には旧バージョンのデバイスが存在しないため、互換性は不要で、システム効率がさらに向上します。Wi-Fi 6 has customized 20MHz exclusive products for the special requirements of low power consumption, low cost, and low speed for Internet of Things applications. IOT Wi-Fi 6 terminals only need to support 20MHz bandwidth, the system is simple, and it is suitable for lighting, entrainment, remote control, wearable, health care, medical and other application scenarios.Wi-Fi 6の暗号化セキュリティレベルは、WPA2からWPA3にアップグレードされ、192ビットの暗号化ワードを使用することで、「辞書攻撃」に対する耐性が向上しました。データが解読される前にセキュリティを保護するため、企業、家庭、およびエンタープライズ環境におけるセキュリティレベルは、携帯電話ネットワークよりも高くなっています。
携帯電話ネットワークがアップグレードされるたびに、Wi-Fiはもはや不要だと言う人が必ず現れます。この主張は4G-LTEの時代に非常に多く聞かれました。さて、携帯電話ネットワークが5Gに発展した今、Wi-Fiは置き換えられるのでしょうか？私はそうは思えません。まずはWi-Fi 6と5Gの技術的な比較を見ていきましょう。5Gと比較して、Wi-Fi 6は容量と遅延が優れており、単位面積あたりのカバレッジコストも5Gより低くなっています。5GネットワークのレイヤリングによりWi-Fiへのアクセスが容易になり、セキュリティの強化によりデータの管理と制御が容易になり、データセキュリティの信頼性が向上しています。将来互換性のある機器により、ネットワークのアップグレードを段階的に実行できます。世界的に統一された周波数帯域とプロトコルにより、Wi-Fi 6は5Gよりも普及しやすくなっています。新たに追加された6GHz周波数帯域は、5Gミリ波の競争力を高めます。ユーザーのWi-Fi利用習慣は共存を促進し続け、屋内の静的環境と屋外の動的環境は互いに補完し合い、促進し合います。したがって、5GとWi-Fiは今後も共存し続けるでしょう。
Wi-Fi 6の多くの技術的アップグレードは、チップ設計に高い要求を課し、大きな課題を突きつけています。主な項目は、受信機、送信機、ベースバンド回路、クロック同期です。ベースバンド回路の分野では、業界では12nmや14nmといったより高度なプロセスが採用され始めています。従来、Wi-Fiシステムのクロックではクロック伝送電力制御が利用できず、その設計は非常に困難でした。現在、多くの企業がWi-Fi 6チップを設計しており、そのほとんどはアメリカの企業です。最初に製造したのはQuantenna社で、2016年にWi-Fi 6チップを製造しました。現在、この会社はON Semiconductorに買収されています。注目すべきは、Wi-Fi 6規格は2019年に策定され、2020年まで業界に導入されないことです。なぜこれらの企業のチップは規格よりも早く登場するのでしょうか？最も重要な理由は、これらの企業が規格策定に参加しているメーカーであり、規格は業界の発展にとって非常に重要だからです。私たちは標準化プロセスにあまりにも囚われすぎています。
Wi-Fi業界の発展は容易ではありません。現在、Wi-Fi業界の規模は3兆3000億米ドルに達し、Wi-Fiチップの生産量は37.5億個に上ります。平均すると、一人当たり2台のWi-Fi技術搭載機器を所有していることになります。In the application market, the router and gateway market is now close to 500 million units and is still maintaining strong growth. Products with annual shipments of over 200 million include TVs, smart speakers, home appliances, lighting and surveillance cameras. Products with annual shipments of over 100 million include watches and smart switches. Since 2017, the Wi-Fi chip market has grown by 1 billion units per year.
Wi-Fi 6市場だけを見てみると、市場の成長傾向は明らかです。まず、5Gの急速な発展により、Wi-Fi機器のWi-Fi 6への移行が急速に進んでいます。次に、国家政策である「ダブルギガビットスピードブースト」がWi-Fi 6市場にとって追い風となっています。さらに、IoT機器の普及率の急速な上昇に伴い、Wi-Fi 6はユーザーエクスペリエンスの向上を求めています。最終的に、2025年にはWi-Fi機器の半数以上がWi-Fi 6を採用すると予測されています。Wi-Fi 6 is a special opportunity for China’s semiconductor industry. Looking back at history, every time node of technological upgrading is a good time to enter the industry. The emergence of new applications is also a good time for innovation. AIOT and Industry 4.0 have brought new application markets. For China, we have a complete industrial chain. At the same time, national policies are vigorously promoting the safety of the industrial chain. There are many related benefits in terms of investment and policies. It is a good time for the development of the semiconductor industry.
最後に、当社におけるブロードコムとの統合状況についてご説明いたします。2005年に設立されたブロードコム・インテグレーテッドは、無線伝送業界に特化しており、2019年にA株メインボードに上場しました。ブロードコム・インテグレーテッドの製品群は主に2つの方向性で展開されています。1つ目は、BluetoothチップやIoT Wi-Fiチップを主力とする、住宅全体を対象としたスマートソリューション。2つ目は、国際的なETCチップの主要サプライヤーであり、車載グレードのチップ製品を幅広く取り扱う、スマート高速シリーズチップです。製品面では、Broadcom Integrationは現在2つの主力製品を展開しています。1つは、マイクアレイ、アクティブノイズリダクション、人工知能キーワードウェイクアップなどの独自の技術を含む豊富なオーディオおよびビデオ処理リソースを備えたWi-Fi/BT/FMマルチモードデュアルコアスマートオーディオプロセッサチップBK7271です。もう1つは、Wi-Fi 6プロトコルをサポートし、ほとんどのIoTアプリケーションに適しており、Wi-Fi 6 Allianceの認証を取得しているWi-Fi 6 IoT MCUチップBK7236です。「I Say IC」業界サロンは、張江ハイテクと新茂研究が共同で創設した、定期的かつ革新的なコンセプト交流プラットフォームです。今後、このプラットフォームは業界発展におけるホットな課題に焦点を当てた定期的なサロンを開催し、IC業界で最も影響力のある知恵、イノベーション、コミュニケーションのプラットフォームとなることを目指します。
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