WIFI6的接口配置

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）。

图（1）  

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）。

图（3）

图（4）

图（5）

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）。

图（7）

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。lw