1.總體介紹
Wi-Fi（IEEE 802.11）自20多年前問世以來一直在不斷發展，以滿足人們不斷增長的對更高數據傳輸速率以及更多場所和室內覆蓋范圍的需求。最近推出的Wi-Fi 6和6E – Wi-Fi 6（E）–除了提高數據傳輸速率和覆蓋范圍，和5G互補實現全面的室內和室外連接，還著重于提高數據吞吐量，擴展通道容量和降低干擾，如圖1所示。

圖 1. Wi-Fi 6（E）和5G?結合可實現充分連接

數據吞吐量根據傳輸的數據類型不同來實現差異化，數據速率考慮了所有數據，包括管理和控制數據。數據吞吐量僅指用戶數據–有用的有效負載。 Wi-Fi 6（E）優化了傳輸的數據包結構，因此與以前的Wi-Fi標準相比，它包含的有效負載百分比更高。

隨著世界各地的家庭和場所擁有大量的連接“物”，從嬰兒監護儀到智能超高清（UHD）顯示器，Wi-Fi標準的發展需要解決，以解決互連設備數量的爆炸式增長。根據[1]，到2023年，公共Wi-Fi熱點的數量將增加四倍，達到近6.28億個，其中11％將是Wi-Fi 6（E）。

本篇白皮書是該系列的第二部分， 同以前的Wi-Fi 標準相比，將介紹一些最具創新的Wi-Fi 6（E）的 新特性，以及它們如何推動射頻前端的發展。然后對于如何幫助解決這些挑戰，提供Soitec的RF-SOI襯底的使用指導，并針對如何持續創新以更好地滿足當前及未來的Wi-Fi?應用中的需求，闡述我們的觀點。

2.Wi-Fi 6（E）用于下一代連接
Wi-Fi 6（E）實現了具有挑戰性的家庭應用場景，例如游戲UHD虛擬現實（VR）流及其與大量其他連接設備的共存，例如越來越流行的具有語音識別功能的智能助手。在辦公室和大型場所，Wi-Fi 6（E）通過可靠的網絡連接提供無縫的體驗，同時改善了移動的和分布式設備（如智能手機和筆記本電腦）的電池消耗–插入供電設備的功耗也得到了改善。

為了兌現其承諾，Wi-Fi 6（E）依賴于以下工藝和技術，例如：

空間復用和頻率共存

廣帶寬上的高階數據調制

上行（UL）/下行（DL）正交頻分復用訪問（OFDMA）和多用戶–多輸入多輸出（MU-MIMO）

調度和目標喚醒時間（TWT）

新的6GHz頻譜

從我們的角度來看，該列表并不完整，但代表了Wi-Fi 6（E）中實現的一些最具創新性的功能。

2.1空間復用和頻率共存
Wi-Fi是一種半雙工標準，在任何給定時間，只有一個無線電信號可以在頻道上進行傳輸。如檢測到指定信道被另一無線電信號使用，則對待發送的無線電信號加入等待時間。由于可用頻譜有限，許多無線電信號可能分配給同一信道，因此等待時間可能相當長。鑒于Wi-Fi網絡中移動和分布式設備的數量不斷增加，這可能導致頻譜使用效率低以及服務質量下降。在圖2的示例中，連接到熱點AP-1的分布式用戶將對其它希望通過熱點AP-4使用信道100的用戶施加等待時間。

圖 2. 頻率共存沖突

為了更好地利用頻譜，Wi-Fi 6（E）實現了自適應信號強度閾值。在圖3的示例中，當設備A檢測到信號強度為-96dBm時，它將保留通道100與發出該信號的設備B進行通信-兩者都將變為藍色的一組。設備A和B將提高所需的檢測信號強度水平，對嘗試使用信道100的任何設備加入等待時間。在此示例中，將此信號強度提高到-96dBm和-83dBm之間的水平將允許設備C再次使用信道100，而不會與那對藍色設備之間通信產生沖突。

圖 3. 用于頻率共存的Wi-Fi 6（E）自適應信號強度閾值

這項技術加強了已有的對信號檢測和與背景噪聲區分的嚴格要求-系統中任何不需要的信號在此都被定義為噪聲。在圖4的示例中，顯示了在具有數個公寓單元的居民區中Wi-Fi信道的典型用法；每個位置有31個2.4 GHz和49個5 GHz 的熱點（AP) [2]。?

圖 4. ?2.4GHz和5GHz Wi-Fi的利用率（捷克布拉格住宅區）

圖5顯示了5G的N7（FDD）、N40（TDD）和N41（TDD）頻段與Wi-Fi 2.4GHz以及5G的N79（TDD）和Wi-Fi 5.8GHz頻段之間的接近程度，使發送時不產生干擾而接收時有足夠高的靈敏度非常具有挑戰性，這增加了Wi-Fi射頻前端（RFFE）設計的復雜性。?

圖 5. ?5G和Wi-Fi頻段的接近度

圖6（a）顯示了蜂窩射頻前端（RFFE）的如何干擾相鄰的Wi-Fi頻段。同樣，Wi-Fi射頻前端（RFFE）也干擾相鄰蜂窩頻段，如圖6（b）所示。把干擾源降低到無害水平需要精心的設計和工藝選擇。

圖 6. ?RF-SOI可最小化（a）接收路徑總的噪聲系數(NF)和（b）干擾源，歸因于射頻前端的高線性度

2.2廣帶寬上的高階數據調制
在Wi-Fi 6（E）中，為了提高數據吞吐量，首次采用1024QAM調制方案，同時利用與前幾代相同的信道帶寬并有效利用新的6GHz帶寬。這種方案對發送電路的動態誤差矢量幅度（D–EVM）增加了新的限制，需要發送電路具有很高的線性度和抗干擾性。?

圖 7. 不同RF-SOI基板的串擾

信號路徑之間的隔離（抗串擾）對于防止有害信號從系統的一部分泄漏到另一部分非常重要。同樣，線性度對于防止任何干擾源影響射頻前端（RFFE）的正常功能也非常重要。圖7顯示了HR-SOI（非富陷阱SOI）和iFEM-SOI（富陷阱SOI）襯底的串擾抗擾性，兩種材料都各自廣泛應用于傳統和現代的Wi-Fi射頻前端（RFFE），我們將在2.3節中討論線性度。

2.3DL/UL OFDMA和MU-MIMO
在Wi-Fi 6（E）中，熱點（AP）決定哪些設備用于發送/接收，何時使用什么資源以及發送多少數據，這與先前Wi-Fi版本的分權式相反。如圖8所示，這可以對于不同類型設備產生的各種大小的數據包更有效地利用頻譜，OFDMA可按時間和頻率分配用戶數據包，而OFDM僅在時域上分配用戶數據包。?

圖 8. OFDM和OFDMA以及傳統 Wi-Fi和 Wi-Fi6(E)對比

為了達到Gbps數據速率，Wi-Fi 6（E）可以將OFDMA與廣帶寬上的高階數據調制相關聯，如2.2節所述。這會導致信號波形非常復雜，從而使Wi-Fi ?射頻前端（RFFE）的記錄具有線性。圖9顯示了使用Soitec的iFEM-SOI和RFeSITM襯底（均為富陷阱SOI）可以實現的線性度，并將其與HR-SOI的性能進行了比較。

圖 9. ?不同RF-SOI 襯底的(a) 二階諧波 (b) 三階諧波 ?(c) 三階互調（IMD3)?

MU-MIMO利用熱點（AP）的多個射頻前端和天線，允許多個用戶設備同時通信。通過更有效地利用發送時間，獨特調制的多個數據幀可以同時發送。圖10顯示了為實現MU-MIMO功能而增加的射頻前端（RFFE）的BoM。?

圖 10. MU-MIMO和Wi-Fi射頻前端（RFFE ）BoM ?增加

圖11顯示了與收發器中集成低噪聲放大器（LNA）相比，在射頻前端（RFFE）中集成LNA的優勢（本案例中提高了0.9dB），在傳統的Wi-Fi芯片設計中通常是這樣的。 RF-SOI是實現射頻開關的標準技術，并且與CMOS工藝完全兼容，可直接用于噪聲系數（NF）優化的LNA??實現。

圖 11. 射頻前端（RFFE）中集成LNA的優勢

2.4調度和目標喚醒時間（TWT）
目標喚醒時間（TWT）是Wi-Fi 6（E）中引入的一種節能特性，可幫助容納更多數量的設備連接（如IoT設備），同時與前幾代Wi-Fi相比功耗相仿或更低。睡眠和喚醒時間由應用程序（如視頻流）驅動，每個連接的設備都可以與AP特定的請求進行“協商”；最后一個決定是否批準或拒絕此類請求。這樣，不僅可以優化功耗，還可以優化頻譜資源的訪問。

供應商可以實現專有算法來優化功耗和頻譜訪問（以及最終數據速率），從而在競爭非常激烈的Wi-Fi市場中保持優勢。

為了實現更智能的Wi-Fi 6（E），還需要數字內容、控制、存儲器和其他支持功能，CMOS RF-SOI可以有效集成這些支持功能，從而使干擾最小化。圖12展示了不同類型襯底中的數字噪聲[3]。

2.5新的6GHz頻譜
前幾代Wi-Fi一直在2.4至5.8GHz之間劃分的約400MHz頻譜上運行。從2020年開始，美國聯邦通信委員會批準在美國的6GHz頻段中額外使用1200MHz，并且據報道其它國家將在短期內采取類似方案[4] [5]。

基于新的可用頻譜，幾個高達160MHz的信道可以用于實現多Gbps數據速率傳輸。此外，這種額外的頻譜資源將有助于最小化信號干擾。

由于兼容CMOS工藝，RF-SOI技術提供了一個良好的平臺，可實現多用戶多頻段Wi-Fi射頻前端（RFFE）更高度的集成。完全集成的Wi-Fi射頻前端（RFFE）[6]簡化了2x2、4x4甚至8x8 MIMO射頻前端（RFFE）的實現，從而降低復雜性并改善芯片面積，因為連接的設備，不論移動設備、分布式設備還是固定設備變得越來越受尺寸限制，參見圖10。此外，在某些情況下，這種集成還可以降低功耗，因為射頻前端（RFFE）中可以集成更多節能技術。

圖 12. RF-SOI襯底的數字噪聲減少

3.用于Wi-Fi的RF-SOI襯底創新
由于每年依賴Wi-Fi連接的無線應用的顯著增加，我們不難看到來自射頻前端（RFFE）功耗、性能和集成度方面的壓力共同增加，總擁有成本（TCO）對于射頻前端（RFFE）也是不可忽略的限制，因為大多數的Wi-Fi的最終應用都是各類消費者應用。 Soitec推出了一種創新的襯底，可在射頻前端（RFFE）的線性性能和成本之間取得一種最佳的權衡。 Soitec的iFEM-SOI與RFeSITM類似，是一種富陷阱的襯底，它在隔離和抗噪聲方面具有與富陷阱SOI技術相同的固有優勢，并具有優化成本下的適當的線性性能。

圖7、9和12顯示了Soitec的iFEM-SOI與傳統的非富陷阱HR-SOI襯底相比，具有明顯的性能優勢。這與所期望的富陷阱RF-SOI襯底如RFeSITM襯底的性能一致，它是高性能低成本Wi-Fi應用中的絕佳替代品。

4.結論
隨著Wi-Fi不斷發展，為滿足現在應用中對更大的容量，更高的數據吞吐量和最小延遲的需求，前幾代Wi-Fi射頻前端（RFFE）中使用的晶圓上的CMOS或SiGe等半導體工藝正達到其性能極限。

Wi-Fi 6（E）可以依靠先進的射頻前端（RFFE）半導體工藝以及數十年來不斷完善的技術。這些工藝是研發人員、材料提供商、晶圓代工廠、設計公司無、封測廠商、智能手機制造商、運營商和許多其它機構多年密切合作的結果。 RF-SOI優化襯底上的CMOS就是其中一種技術，Soitec的HR-SOI，iFEM-SOI和RFeSITM系列產品在RF-SOI優化襯底成為先進射頻前端（RFFE）的行業標準過程中做出了巨大貢獻。

Soitec的iFEM-SOI對Wi-Fi射頻前端（RFFE）而言，是RFeSITM系列產品的絕佳補充，這些選擇使射頻前端（RFFE）設計人員和集成商可以在合適的射頻性能和成本之間取得均衡。

5.參考書目

[2] Axiros, “The case for WiFi optimization,” https://www.axiros.com/the-case-for-wifi-optimization available online as June 02, 2020

[3] K. Ben Ali, C. Roda Neve, A. Gharsallah and J. P. Raskin, "RF SOI CMOS technology on commercial trap-rich high resistivity SOI wafer," 2012 IEEE International SOI Conference (SOI), NAPA, CA, 2012, pp. 1-2.

[4] Claus Hetting, “Europe’s process to release 6 GHz spectrum to Wi-Fi on track, expert says,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020

[5] Claus Hetting, “South Korea could become Asia’s first 6 GHz Wi-Fi nation,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020

[6] pSemi, PE561221 monolithic SOI Wi-Fi Front End Module https://www.psemi.com/products/wi-fi-front-end-modules/pe561221, available online as July, 2020?
編輯：hfy