Der Weg hin zu Wi-Fi 7

Qorvo ist Vorreiter bei der Wi-Fi-FEM-Technologie

Steve Taranovich für Mouser Electronics

Einleitung

Der Übergang von Wi-Fi® 5 auf Wi-Fi 6 war von bedeutenden Effizienz- und Kapazitätszugewinnen gekennzeichnet. Die Einführung von Wi-Fi 6E eröffnete Benutzern das neue 6-GHz-Spektrum und machte ausgeprägten Verbesserungen der Effizienz, Kapazität und Geschwindigkeit sowie des Spektrums möglich, die die Grundlage für Wi-Fi 7 bilden. Der nun unmittelbar bevorstehende Wi-Fi 7-Standard, dessen Konzeption auf Merkmalen beruht, die im Änderungsentwurf zu IEEE P802.11be umrissen wurden, verspricht viermal so hohe Geschwindigkeiten wie sein Vorgänger Wi-Fi 6 (802.11ax).

Doch was führte zu diesem Quantensprung bei drahtlosen Geschwindigkeiten, der die Bühne bereitete für die nächste Generation an Routern? Um dies zu verstehen, muss die Entwicklung von Wi-Fi 6 und 6E betrachtet werden, die Höchstgeschwindigkeiten von knapp unter 10 Gbps boten – deutlich langsamer als die von Wi-Fi 7 in Aussicht gestellten 46 Gbps. In dieser neuen Ära der Konnektivität nutzt Wi-Fi 7 die Leistung der 2,4-GHz-, 5-GHz- und 6-GHz-Spektrumsbänder, was ihm den Namen EHT (Extremely High Throughput, extrem hoher Durchsatz) Wireless eingebracht hat.

Einen wesentlichen Beitrag zu dieser Geschichte leisteten Unternehmen wie Qorvo®. Die Spitzentechnologien von Qorvo, insbesondere bei den Frontend-Modulen (FEMs), spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der neuen Grenze der drahtlosen Kommunikation, die Wi-Fi 7 darstellt.

Wenn wir uns näher mit dieser aufregenden Entwicklung der Drahtlostechnologie befassen, sollten wir uns auf das konzentrieren, was vor uns liegt. Mit seinen bahnbrechenden Funktionen und seinem transformativen Potenzial steht das Zeitalter von Wi-Fi 7 vor der Tür.

Wi-Fi 7 ist auf dem Weg

Wi-Fi 7 erhöht die Kanalbreite von einer ursprünglichen Bandbreite von 160 MHz bei Wi-Fi 6 bzw. Wi-Fi 6E auf 320 MHz. Die zweifache Kanalbandbreite verdoppelt den Durchsatz und ermöglicht Uplink-Geschwindigkeiten von über 5 Gbps sowie erwartete Downlink-Geschwindigkeiten von etwa 2,4 Gbps. Darüber hinaus stellen die wesentlichen Fortschritte von Wi-Fi 7 eine Effizienzsteigerung in Aussicht. Dank der Möglichkeit, im neuen Standard Kanäle und Frequenzbänder zu teilen, werden Benutzern äußerst geringe deterministische Latenzen, höhere Zuverlässigkeit und ausgefeiltere Sicherheitsmerkmale geboten.

Da das neue Wi-Fi 7-Protokoll über die doppelte Kanalbreite verfügt, werden Geräte wie Router dazu in der Lage sein, sehr viel mehr Benutzer zu unterstützen als mit Wi-Fi 6. Des Weiteren führt die im Vergleich zu Wi-Fi 6 verringerte Latenz dazu, dass Wi-Fi 7 die perfekte Option für Videospiele und Videokonferenzen bildet. Mehr Kanalbreite und Durchsatz bewirken außerdem fortschrittlichere Applikationen erweiterter Realität (Augmented Reality, AR) sowie virtueller Realität (VR).

Vorteile von Wi-Fi 7 für Benutzer

Von Wi-Fi 7 wird erwartet, dass es Benutzern gegenüber seinen Vorgängerversionen zahlreiche Vorteile bietet, darunter mehr Datenschutz und Sicherheit, die Fähigkeit, mehr Geräte zu verbinden, und Reaktionszeiten, die mit drahtgebundenen Geräten vergleichbar sind. Zusätzliche Vorteile umfassen:

• Verbesserte Konnektivität: Dank Geschwindigkeiten von über 5 Gbps und einer beständig ultraniedrigen Latenz sind Benutzer in der Lage, Dateien innerhalb von Sekunden statt Minuten zu teilen. Benutzergeräten ist es zudem möglich, die besten Wi-Fi-Verbindungen simultan herzustellen und aufrechtzuerhalten.
• Geringere Latenz und kürzere Ansprechzeiten: Wi-Fi 7 verbessert diese Merkmale mithilfe des erweiterten orthogonalen Frequenzmultiplexverfahrens (OFDMA) und smarter Geräteoptimierung.
• Erhöhte Kapazität und Spektrumseffizienz: Diese verbessern die Leistung an öffentlichen Orten und in stark beanspruchten Umgebungen.
• Multi-Link Operation (MLO): Wi-Fi 7-Geräte können sich simultan mit zwei Frequenzbändern verbinden. Dieses Feature ermöglicht höhere Geschwindigkeiten dank Aggregation (d. h. beide Bänder können gleichzeitig verwendet werden, um redundante/einzigartige Daten zu teilen, was zu höherer Zuverlässigkeit und ultraniedrigen bzw. präzisen Latenzen führt).
• Verbesserte Bandbreite: Die Bandbreitenkapazität von Wi-Fi 7 liegt bei bis zu 320 MHz (gegenüber 160 MHz bei Wi-Fi 6). Beide Bandbreiten werden unterstützt.
• Abwärtskompatibilität: Wi-Fi 7 ist abwärtskompatibel und dazu fähig, 2,4 GHz-, 5 GHz- und 6 GHz-Frequenzbänder mit Altgeräten zu teilen.
• MAC- und PHY-Verbesserungen: Diese ermöglichen einen Höchstdurchsatz von 30 Gbps (bis zu 46 Gbps), was die Systemleistung steigert, mehr Anwendungsfälle mit sich bringt und Wi-Fi-Innovationen unterstützt.
• Höhere Durchsatz- und Datenraten: Benutzern werden bis zu 5,8 Gbps, ein 320 MHz-Kanal und eine 4096-QAM (Quadraturamplitudenmodulation) geboten.

QAM-Vorteile bei Wi-Fi 7

4K-QAM (4096-QAM) stellt eine der wesentlichen Leistungssteigerungen von Wi-Fi 7 dar. Doch was genau ist QAM?

Die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) wurde über sämtliche Wi-Fi-Standards hinweg verwendet. Sie übersetzt digitale Pakete in ein analoges Signal, das Daten drahtlos überträgt. Die QAM kombiniert zwei Amplitudenmodulationssignale (AMs) innerhalb eines einzelnen Kanals, was zur Verdopplung der effektiven Bandbreite führt. Dadurch wird die spektrale Effizienz verbessert, indem mit jeder einzelnen Übertragung mehr Daten übermittelt werden.

4K-QAM (4096-QAM) wird definiert als eine QAM, die 4096 (212) Konstellationspunkte in einem Quadrat anordnet, wobei jedes Symbol 12 Bits enthält. Da 4K-QAM höhere Datenmengen ermöglicht, steigert Wi-Fi 7 Datenraten im Vergleich zu 1024-QAM von Wi-Fi 6 um 20 %.

4K-QAM bewirkt höhere Datenübertragungsraten und eine gesteigerte spektrale Effizienz, die absolut unerlässlich sind für das beständige Bedienen zahlreicher Clients, und sorgt für eine schnelle und verlässliche Wi-Fi-Abdeckung in Verteilungsapplikationen von hoher Dichte.

Wi-Fi 7-Applikationen

Die Einführung von Wi-Fi 7 wird zahlreiche bestehende Wi-Fi-Applikationen verbessern und zur Entstehung neuer beitragen, die Nutzen aus den zusätzlichen Vorteilen des neuen Standards ziehen.

Smart Home
Erhöhter Durchsatz, geringere Latenz und MLO bedeuten neue datenzentrierte Applikationen im Smart Home. Eine VR-Gaming-Verbindung beispielsweise benötigt für den Betrieb eine große Menge an Daten mit sehr geringer Latenz. Wenn Sie Ihren Kopf drehen, erwarten Sie, dass sich das Video in Ihrem Headset in Echtzeit mit Ihnen dreht. MLO erweitert das Wi-Fi-Managementsystem um Funktionen, die verschiedene Funkgeräte für einen gemeinsamen Client nutzen, um gleichzeitig Daten über verschiedene Frequenzbänder und Kanäle zu senden und zu empfangen.

Customer Premises Equipment
Wi-Fi 7-Routertechnologie steht bereit, um das Networking mithilfe von Geschwindigkeiten von bis zu 46 Gbps auf die höchstmögliche Stufe zu heben. Wi-Fi 7-Router verfügen über höhere Upload- und Download-Geschwindigkeiten.

MIMO
MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output)-Kommunikation ermöglicht es Routern, Signale mithilfe zahlreicher Trägersignale über unterschiedliche Frequenzen hinweg zu übertragen, was parallele Datentransfers im Gegensatz zu Serienübertragung freischaltet. Beispielsweise kann ein Router mit zwei 5 GHz Wi-Fi-Antennen 2×2 Multiple-Input Multiple-Output (MIMOs) unterstützen; drei Antennen unterstützen 3×3 MIMOs, vier Antennen unterstützen 4×4 MIMOs und so weiter, und zwar bis zu 16×16 MIMOs.

Je größer die Anzahl an MIMOs, desto größer der Netzwerkdurchsatz. n×n MIMO ist wie eine Autobahn, wobei n die Anzahl der Fahrspuren ist. Der Durchsatz der Fahrspuren ist n Mal die Kapazität einer beliebigen einzelnen Fahrspur. Beispielsweise bietet eine einzelne Fahrspur-Rate (Antenne) mit Wi-Fi 6 bei 80 MHz Geschwindigkeiten von rund 600 Mbps. Dementsprechend würden 2×2 MIMOs beinahe 1200 Mbps, 3×3 1800 Mbps etc. bieten.

MU-MIMO
Wenn bei früheren Wi-Fi-Versionen multiple Geräte das Netzwerk eines Routers verwendeten, konnten sie sich nicht simultan damit verbinden, sondern mussten auf ihr Übertragungsfenster warten. Die Fähigkeiten von Wi-Fi 7 im Bereich Multi-User MIMO (MU-MIMO) wandeln die Übertragung/den Empfang von Eins-zu-Eins in eine Übertragung/einen Empfang von Eins-zu-Vielen um, wodurch multiple Geräte verzögerungsfrei auf das Netzwerk zugreifen können.

Die MU-MIMO-Technologie wird den Durchsatz wesentlich erhöhen und Netzwerküberlastungen bzw. -verzögerungen durch Sättigung aufgrund von Geräten verringern. Jedem einzelnen Gerät wird eine hohe Priorität zugewiesen, wodurch störungsfreie und schnelle Leistungen des gesamten Netzwerks auch dann ermöglicht werden, wenn sich ältere bzw. langsamere Geräte damit verbinden.

Wi-Fi 7 sorgt mithilfe von 16×16 MU-MIMOs für gehörigen Fortschritt bei der Kommunikation. Im konkreten Fall beträgt die maximale Anzahl an Datenfahrspuren 16 – das Doppelte der räumlichen Streams der vorhergehenden Generation. Dadurch wird in jedem einzelnen Stream die Kommunikation mit bis zu 16 Geräten möglich, was einen der Hauptgründe darstellt, weshalb die Durchsatzraten von Wi-Fi 7 bedeutend höher sind als die von Wi-Fi 6. Darüber hinaus werden die 16×16 MU-MIMOs den Datendurchsatz individueller Geräte entscheidend verbessern und zudem die Wi-Fi-Abdeckung ausweiten.

Frontend-Module: Kritische Bauelemente für Wi-Fi-Router

Bei Wi-Fi-FEMs handelt es sich um kompakte, integrierte Module zur Verwaltung und Optimierung der HF-Funktionen von Wi-Fi-Systemen. Wi-Fi-FEMs unterstützen Designingenieure dabei, Entwicklungsprozesse zu rationalisieren, und bieten gleichermaßen Leistungs-, Größen- und Kostenvorteile, da sie eigenständige Bauelemente wie Leistungsverstärker (PAs), Schalter und rauscharme Verstärker (LNAs) in einem Paket enthalten.

Qorvo QM45500 FEM
Bei dem Qorvo QM45500 handelt es sich um ein eigens für Wi-Fi 7-Systeme entworfenes 2,0 mm × 2,0 mm 5 Ghz–7 GHz Wi-Fi-Frontend-Modul (FEM). Dieses FEM umfasst einen optimierten PA, einen Single-Pole Three-Throw (SP3T)-Antennenschalter und einen umgehbaren LNA.
Dieses FEM weist einen kleinen Formfaktor in Verbindung mit integrierter Anpassung auf, was den Footprint der Leiterplatte minimiert. Zusätzlich dazu verfügt das QM45500 über multiple Wi-Fi-Sendemodi (TX), wodurch die Linearität bzw. Ausgangsleistung optimiert und der Stromverbrauch mittels Verlustleistung beibehalten wird. Das FEM liefert außerdem die höchstmögliche lineare Ausgangsleistung und den bestmöglichen Durchsatz.

Der Empfangspfad ist der ausgewählten Technologie absolut ebenbürtig und maximiert die Empfangsempfindlichkeit mithilfe einer außergewöhnlichen Rauschzahl-Leistung, die unter verschiedensten Bedingungen beständig bleibt. Das FEM verfügt über eine eingebaute Filterung auf Chip-Ebene für die zweite und dritte Harmonische sowie über eine 2,4 GHz Unterdrückungsleistung für den gleichzeitig auftretenden Dualband- bzw. DBDC-Betrieb. Ein integrierter Leistungskoppler sorgt für optimierte Leistungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis und digitaler Vorverzerrung (Digital Pre-Distortion, DPD). Die On-Chip-DPD stellt eine hervorragende Methode dar, um den PA zu linearisieren und die Effizienz zu verbessern.

Qorvo QPF7250 iFEM
Bei dem Qorvo QPF7250 handelt es sich um ein für Wi-Fi 7-, Wi-Fi 6- und 6E-Applikationen optimiertes, Wi-Fi-integriertes Frontend-Modul (iFEM) mit 2,4 GHz. Das iFEM kombiniert die Vorteile aktiver Bauelemente mit der edgeBoost™-Filtertechnologie. Das QPF7250 enthält einen 2,4-GHz-PA mit DC- und RF-Leistungsdetektor, einen FCC-edgeBoost-BAW-Filter, einen Sende/Empfängerschalter und einen umgehbaren LNA in einem einzelnen Bauelement (Abbildung 1).

 
Abbildung 1: Blockdiagramm des Qorvo QPF7250 Wi-Fi 7 edgeBoost iFEM. (Quelle: Qorvo)

Fazit

Die bevorstehende Einführung von Wi-Fi 7 stellt einen aufregenden Meilenstein in der laufenden Entwicklung drahtloser Technologie dar. Zahlreiche technische Fortschritte haben zu dieser bahnbrechenden Technologie geführt, die die bedeutenden Verbesserungen von Wi-Fi 7 gegenüber Wi-Fi 6 und Wi-Fi 6E möglich macht, darunter größere Kanalbreiten, eine höhere QAM und MLO.

Die schrittweise Übernahme von Wi-Fi 7 macht Wi-Fi 6 jedoch keineswegs obsolet. Die beiden komplementären Technologien werden im Laufe der kommenden Jahre koexistieren und ein vielfältiges drahtloses Ökosystem erschaffen, dass unterschiedlichste Benutzeranforderungen und Applikationsszenarien bedient.

Im Zentrum dieser Entwicklungen stehen Schlüsselakteure wie Qorvo, die eine entscheidende Rolle dabei spielen, Wi-Fi 7 von einem Konzept zu einer Realität zu machen. Die Leistung ihrer fortschrittlichen und mit überragenden Merkmalen wie 16×16 MU-MIMOs und edgeBoost-Filtertechnologie ausgestatteten FEM-Komponenten wird der Zukunft der Drahtloskommunikation den Weg ebnen und Benutzererfahrungen beflügeln.

Die für 2024 erwartete Einführung von Wi-Fi 7 rückt immer näher und wir freuen uns darauf, zu erleben, wie sich diese Technologie zweifellos auf die Art und Weise auswirken wird, wie wir miteinander in Verbindung treten, kommunizieren und mit unserer Umwelt interagieren.