Wi-Fi PA和手机PA，有什么不同？

作者：彭洋洋博士

近年来，在无线通信领域，最吸引人注意的两个通信协议就是手机里的5G通信协议，和Wi-Fi中的Wi-Fi 7协议了。

5G通信协议是人类有史以来发展最快的通信协议，自2019年正式商用以来，4年之间已经实现了超过15亿的终端连接。2024年，5G即将进入5.5G时代，3GPP将R-18之后的5G版本定义为“5G-Advanced”，业界也称之为5.5G。预计在5.5G协议中，峰值速率将由5G的20Gbps，提升至40Gbps，用户体验速率将由1Gbps提升到10Gbps。

图：预计5.5G的性能提升

2024即将到来的不止有5.5G，还有Wi-Fi 7。虽然Wi-Fi 7协议的最终版本要到2024年才正式发布，但一些芯片厂商、路由器厂商已经摩拳擦掌，开始展示基于Wi-Fi 7技术的测试结果。2023年11月6日，华为发布Wi-Fi 7 AP测试结果，称“面向全球市场，华为在美国Tolly实验室完成业界首个Wi-Fi 7 AP性能测试，整机性能超13Gbps，单终端峰值性能超4.33Gbps。此数据颠覆历史所有Wi-Fi性能测试结果，刷新最快速率记录。”[1]

图：华为发布的Wi-Fi 7 AP测试结果

过去几年，手机蜂窝网络与Wi-Fi网络之间你追我赶，共同把手机变成具有强大通信能力的智能终端。二者仿佛有一个共同的目标，就是将手机的通信速率不断提升。两种通信协议也从最初的“瑜亮之争”，走到现在的互相补充、互相促进，甚至有些技术在互相趋同。手机蜂窝技术和Wi-Fi技术有哪些异同，二者所使用的PA又有什么一样或者不一样？

Wi-Fi协议与蜂窝协议的异同 

协议相同点1：都是无线通信协议

在现代射频通信中，随着集成电路、信息论等技术的加持，现代射频系统的发展进入了快车道。现代射频系统的产业链已经非常复杂，依靠单一厂商已经很难独立完成某项射频通信技术。于是，射频通信的协议组织出现了。射频通信协议组织是一些专门负责制定和发布射频通信技术标准和规范的机构或者联盟，它们的存在是为了促进射频通信技术的发展和应用，保证不同的设备、系统、网络能够有效的交换信息，实现互联互通。

图：现代射频通信的产业链协同

无线通信协议是一种规定了无线电波在空中传输数据的方式和格式的技术。无线通信协议有很多种类，其中最常见的就是Wi-Fi协议和手机蜂窝协议了。它们都可以让我们的手机、电脑、平板等设备无线地连接到互联网。

协议相同点2：都实现了数十亿连接

无线通信协议不止有Wi-Fi与手机蜂窝，还包括蓝牙、NFC、UWB等，在这些协议中，Wi-Fi协议与手机蜂窝协议最为普及，均实现了数十亿的连接数。

连接数是指使用该协议的设备数量，它反映了该协议的普及程度和承载能力。根据GSMA的数据，2023年全球蜂窝协议终端连接数目为85亿。根据Strategy Analysis的数据，在不包含手机及PC的情况下，2023年Wi-Fi设备连接数已达到35.32亿台。二者都形成了充分完整的产业链。

产业链的完整支撑了行业的稳定发展，不论是Wi-Fi协议还是手机蜂窝协议，每年都有数十亿的设备出货。根据TSR的数据，智能手机年出货量接近15亿部，Wi-Fi设备的年出货数量接近40亿部。

图：全球终端设备出货

协议相同点3：都实现了宽带连接

宽带通信是指单位时间内可以传输高的数据量，它反映了该协议的速度和效率。Wi-Fi协议和手机蜂窝协议都具有很高的带宽，它们都可以提供高速的互联网接入。

例如，Wi-Fi协议的最新标准Wi-Fi 6可以达到9.6 Gbps的理论速度，而手机蜂窝协议的最新标准5G可以达到20 Gbps的理论速度。这意味着我们可以用Wi-Fi协议和手机蜂窝协议来观看高清视频，玩在线游戏，进行视频通话，下载大文件等各种高流量的活动。均满足了人类日益提高的通信速率需求。

根据ITU的数据预测，全球数据用量在过去10年增长了10倍，在未来10年还将有10倍的增长。Wi-Fi与蜂窝通信提供的大带宽特性，将有力支撑未来无线通信需求的演进。

图：全球数据用量

协议不相同点1：协议组织不同

Wi-Fi协议是由IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一系列标准，主要用于在局域网中实现无线接入。手机协议是由ITU（国际电信联盟）和3GPP（第三代合作伙伴计划）等组织制定的一系列标准，主要用于在广域网中实现无线通信。这两种协议的组织方有不同的目标和需求，因此它们的设计和实现也有所不同。

在产业链构成上，手机蜂窝协议产业链需要涵盖数公里范围覆盖的基站、终端设备，还需要涵盖能传输数千公里的核心网，其产业链更为庞大和复杂。也更加强调协议内设备的统一。由于整个产业链的复杂以及功能上的大一统，蜂窝协议的部署与演进经常与全球政策联系起来。比如全球蜂窝网络的部署节奏与频段划分会在联合国下属的ITU（国际电信联盟）中讨论，各国的蜂窝网络部署也会在政府监管机构下统一进行。

而Wi-Fi协议是IEEE由有线以太网协议发展而来，最初是将有线以太网的物理层由有线改为无线实现，所以Wi-Fi协议关注在空中接口部分，有线传输网络仍然是基于原有的以太网。这也就使得Wi-Fi协议只需要关注在数百米范围之内的无线连接设备即可。协议组织的复杂度大大降低。但同时其对政府、政策等的影响力较蜂窝也明显下降。

协议不相同点2：使用频段不同

不同的组织形式与在政策上的话语权，带来两种通信协议完全不同的两种运行方式，也决定了二者使用频段的不同。

Wi-Fi协议使用的频段是ISM频段。ISM是Industrial Scientific Medical的缩写，ISM频段是由ITU定义的，用于工业、科学、医学研究使用的频段。这些频段是免费开放的，任何设备都可以使用。虽然免费开放意味着使用上的自由，更容易形成全球统一的标准，从而不需要像蜂窝网络一样切换运营商。但免费开放也意味着没有强制管理，也意味着会有其他设备同时使用这个频段，使用设备众多时也容易受到干扰和拥塞。比如在2.4GHz频段，微波炉、蓝牙等设备就会与Wi-Fi共享使用这个频段。

常见的ISM频段有：

• 2.400-2.4835GHz频段（带宽83.5MHz）

• 5.15-5.875GHz频段（带宽725MHz）

• 5.925~7.125GHz频段（带宽1.2GHz）

与Wi-Fi协议与其他设备“抢”频段不同，蜂窝协议在定义之初就会把频段确定下来。这些频段是由政府分配给运营商的，运营商需要付费使用，这些频段费用通常价格不菲，但是也可以保证服务的质量与覆盖范围。

频谱是非常宝贵的资源，国际运营商通常以拍卖的形式参与竞购。以5G频段为例，在2019年5G建设之初，德国电信用于拍卖2GHz附近的40MHz频谱就花费了22亿欧元。巨大的经济压力使得单一运营商无法购买连续的大带宽频谱，另外，由于无线频谱管理的限制，使得可用于蜂窝通信的频段十分分散，仅在6GHz以下频段，在3GPP的定义中，就有近百个用于4G/5G通信的频段，这些频段窄则几MHz，宽则几百MHz，散落在6GHz以下频段之中。

这些散落的频段也给手机射频设计提出了更复杂的要求。在中高端手机中，一般需要支持的频段达30个以上，于是“多频段多模式”的设计理念就开始在手机射频设计中出现，依靠单一射频器件对多个频段的支持，来减少射频电路设计的复杂程度。这给手机蜂窝射频器件的设计提出了更高的挑战。

频率复杂度的增加也催生了“载波聚合”技术。为了达到等同于宽带传输的效果，运营商要求将其所掌握的多个零散频段“聚合”起来，达到更高的传输速率。载波聚合技术使射频器件的复杂度明显提升。

图：载波聚合技术示意图

协议不相同点3：部署理念不同

在两种协议组织运行的历史里，一直在讨论如何才能取代另外一个协议组织。不论是2001年IEEE就发起讨论的WiMax标准，准备将其作为4G的候选技术全球推广，还是5G到来之时，蜂窝协议雄心满满的认为手机有了5G就不需要连接Wi-Fi。两个协议组织在过去20年里相爱相杀，互相竞争。

随着两种协议逐渐成熟，两种协议也均找到了自己的定位。二者有不同的部署和发展理念，人们越来越意识到，二者不是竞争关系，而是互补关系。

图：互为补充的蜂窝协议与Wi-Fi协议

Wi-Fi协议考虑的是灵活、低成本的局域网，它主要依靠无线路由器和接入点来提供服务，用户可以自由地连接和断开。据统计，在无线通信的使用场景中，85%的时间发生在室内。Wi-Fi协议很好地满足了这部分通信协议的需求，释放了蜂窝基站通信的压力。

图：Wi-Fi协议提供灵活的局域互联

手机蜂窝协议考虑的是统一、高可靠的广域网，它主要依靠基站和交换机来提供服务，并由运营商统一运营，用户付费之后，就可以在不同的区域和国家之间无缝地切换。手机蜂窝协议提供了可靠的、随时随地的互联，满足人类即时互联的需求。

图：蜂窝协议提供可靠的广域互联

 Wi-Fi PA与手机PA的异同 

射频PA（Power Amplifier，功放）是射频电路中的重要组成部分，对射频系统的性能有着重要的影响。其功率输出能力决定了设备的通信能力，其功耗的大小决定了设备的待机时长。

在Wi-Fi协议与手机蜂窝协议越来越趋同的发展中，Wi-Fi PA和手机蜂窝PA设计也出现越来越多的相同点。

（注：尽管手机中也有可能包含Wi-Fi PA，但作为蜂窝设备的代表，“手机PA”一般指的是“手机中的蜂窝PA”。）

PA相同点1：架构基本相同

Wi-Fi系统是典型的TDD架构，收发通路在不同时间维度上切换，完成信号的收与发。

手机蜂窝早期是FDD架构，即收发通路在同一时刻都工作，但在频率维度上区分。在4G时代到来后，为了更有效地解决手机上下行能力需求不对称的问题，蜂窝网络引入TDD-LTE结构，与FDD-LTE共同构成4G手机蜂窝系统。到了5G之后，TDD结构在手机蜂窝继续发扬光大，5G的新频段，如n77/78/79等，均直接采用TDD结构。

图：FDD系统与TDD系统

由于均为TDD系统，Wi-Fi与5G前端模组架构也逐渐趋同。下图为慧智微应用于5G蜂窝系统的模组产品S55207-11与慧智微应用于Wi-Fi系统的模组产品S56540-11产品架构比较。可以看到，二者均集成一路PA与一路LNA，并且集成切换开关用于收发切换。不同的是，蜂窝系统中需要集成滤波器，并且需要根据系统需求集成MIPI控制器、定向耦合器等模块。

图：慧智微5G蜂窝与Wi-Fi模组产品架构比较

PA相同点2：设计方法基本相同

随着协议的演进，Wi-Fi系统与蜂窝系统均引入多QAM、OFDM等技术，以达到数Gbps的传输速率，在两种通信系统中，均需要用到对高阶调制友好的线性PA架构进行设计（有关PA的架构选择请参见《5G射频PA架构》）。虽然在手机蜂窝PA与Wi-Fi PA中都在提Doherty架构等非线性架构，但是只是在线性度与效率之前做trade-off来进行效率提升，本质还是在以线性PA的设计思路在进行设计。

另外，Wi-Fi通信能力的提升也要求Wi-Fi PA有更高的输出功率。虽然Wi-Fi并不需要向蜂窝网络一样传输数公里的距离，但高功率的PA有助于采用更高调制的信号，从而提升传输速率。在目前外置Wi-Fi PA模组中，PA的功率能力与手机蜂窝PA能力基本相当。

对PA的性能、功率需求的相同，也使得二者的供应链逐渐趋同。目前在Wi-Fi PA设计中，绝大部分的Wi-Fi PA采用与手机蜂窝PA相同的GaAs HBT工艺进行设计（有关PA的工艺选择请参见《5G射频芯片中的半导体》）。

图：5G蜂窝PA与Wi-Fi PA的对比

PA相同点3：供应商趋同

由于应用场景的接近，终端用户的统一，供应链的一致，手机蜂窝PA与Wi-Fi PA的供应商也开始趋同。

手机蜂窝PA与Wi-Fi PA供应商趋同有诸多好处。比如：

• 技术复用：厂商可以将蜂窝PA和Wi-Fi PA领域的技术经验和成果相互借鉴和应用，从而提高产品技术水平和创新能力。比如可以将蜂窝PA的高效率技术应用到Wi-Fi PA中，提高Wi-Fi PA的效率。也可以将Wi-Fi PA高线性度的技术应用到蜂窝PA中，提升蜂窝PA性能。

• 供应链复用：虽然Wi-Fi终端一年数量有30亿部，但大部分Wi-Fi终端不含有外置PA，并且由于Wi-Fi的频段数目远少于蜂窝，Wi-Fi PA对半导体的用量仍明显小于蜂窝PA。利用在蜂窝PA的规模优势，可以更容易建立起与供应商的合作，从而获得更优惠的价格和更快的交期，降低原材料和元器件的成本和风险。另外也可以通过共享和协调产测设备的方式，提高产品生产测试的效率和质量。

• 完整方案：提供手机与Wi-Fi PA产品的厂商可以为客户提供更完整和更灵活的解决方案，从而满足客户在不同应用场景和需求下的无线通信需求。完整的解决方案可以使得客户在技术支持、商务支持中均得到收益。

在以上优势驱动下，射频厂商开始开发手机蜂窝与Wi-Fi的完整解决方案。国际厂商如Skyworks、Qorvo、高通等厂商均同时提供手机蜂窝与Wi-Fi射频产品，国内厂商如慧智微等，也有手机蜂窝、Wi-Fi产品线，提供全系列解决方案。

PA不同点1：方案不同

尽管Wi-Fi 和5G 蜂窝在架构上有很多类似之处，但还是有些细节造成二者方案有所不同。

Wi-Fi与5G方案不同的最大来源就是使用频率的不同。5G使用的是零散的频率，并且在3G/4G向5G演进过程中，还有不断的新频率加入进来。在手机需要“全球通”漫游的前提下，手机需要将这些频段均完美支持起来，并且还需要满足4G/5G双连接、载波聚合等额外的需求。这一切使得蜂窝系统极其复杂。在文章《除了调匹配，射频人还需要掌握系统知识》中，仅仅分析清楚一部5G手机中的射频系统，就已经不是易事，更不用说设计新的射频系统了。

相比之下，Wi-Fi系统就简单许多。全球频率的归一使得方案中不需要对频率做太多考量；制式的向下兼容也简化了不同代制式的双连接问题。这都使得Wi-Fi系统比蜂窝系统要简化很多。

图：典型蜂窝射频系统与Wi-Fi射频系统对比

PA不同点2：功率要求不同

与手机蜂窝网络中对手机功率有严格的限制不同，Wi-Fi协议并没有对功率有严格的要求。这就给Wi-Fi PA设计带来了很大的自由度。尽管在高性能、高制式Wi-Fi PA设计中，功率甚至与手机蜂窝PA相近，但仍有大量的低端、近距离使用的Wi-Fi终端只使用收发机的内置低功率PA就可以完成传输。

Wi-Fi对功率要求的不同也使得PA厂商开发出多个功率等级的PA供终端选择，以平衡功率与效率、成本之间的关系。在Wi-Fi PA中，一般根据功率的大小，分为高功率、中高功率、中功率、低功率PA。另外，收发机内置的PA一般称为IPA（Internal PA）。不同PA可覆盖的功率等级一般称法如下表（注：由于没有标准定义，此处只代表典型称法）。

图：Wi-Fi PA的功率级别（MCS11，-43dB EVM）

PA不同点3：线性度要求不同

尽管手机蜂窝PA与Wi-Fi PA都是线性PA，但由于编码方式不同，造成对线性度的需求也不同。

比如在Wi-Fi 6中，最高采用1024-QAM调制，一个符号可承载10bit信息。在Wi-Fi 7中，最高将采用4096-QAM调制，一个符号可承载的信息提升到12bit。而在5G蜂窝协议中，最高只是采用256-QAM。

更高阶的调制对EVM提出了更高的要求，要求信号误差向量要足够小，这样才不会出现信号位的错误。这也就是在Wi-Fi系统会更关注EVM，而在蜂窝系统更关注ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，相邻频道泄漏比）的原因。

图：不同协议中的编码要求

说Wi-Fi对于EVM的高要求还体现在DEVM指标上，DEVM的全称是Dynamic EVM（动态EVM），它反映了Wi-Fi信号在发射过程中由于PA的瞬态热响应而引起的失真程度。由于PA的稳态建立需要一定的时间，在这个稳定时间到来之前，不希望系统传输有用信息。而Wi-Fi系统的帧结构复杂 ，在头部的Preamble、header帧中带有同步符号、样本信号、传输参数等信息，这就需要PA快速建立，用来响应帧头部的重要信息。DEVM指标的特殊要求也是Wi-Fi PA与手机蜂窝PA的重要不同点。

以上就是手机蜂窝PA和Wi-Fi PA的主要异同点，总结如下图所示。

图：手机PA与Wi-Fi PA的异同点

手机PA与Wi-Fi PA的未来趋势

由于产业历史和技术演进原因，手机蜂窝PA和Wi-Fi PA在过去的发展中较为独立。但随着技术的演进、协议的相互借鉴、系统的相互融合、产业链的逐步发展，手机蜂窝PA和Wi-Fi PA的设计也在逐步趋同。在未来发展中，可能有以下几个趋势：

共同向高性能发展：

手机蜂窝PA和Wi-Fi PA都将向高性能的方向发展，以满足用户对于无线通信的更高的要求，比如更高的数据速率、更低的延迟、更好的覆盖和更强的抗干扰能力。为了实现高性能，手机PA和Wi-Fi PA都需要采用更先进的技术和材料，比如高线性度的电路和算法、高集成度的封装和模块、高稳定性的温度和电压控制等 。

产业链逐步趋同：

手机蜂窝PA和Wi-Fi PA的产业链将逐渐趋同，以实现更好的协作和技术演进，为客户提供更为完整的解决方案。无论在芯片制造，还是设计公司提供的完整方案上，手机蜂窝PA和Wi-Fi PA的产业链都将逐渐趋同。

射频链路复用：

虽然目前手机蜂窝PA和Wi-Fi PA分属不同的制式，被不同的平台SoC及射频收发机所管辖，但随着未来技术的发展，平台SoC通信协议的整合，手机蜂窝PA和Wi-Fi PA在射频链路上有可能出现整合和复用，以简化射频系统设计。

射频链路的整合同样有助于应对日后复杂的频率规划。比如在最新的6~7GHz频段，不同国家和地区给出了不同的规划，中国目前将此频段范围均规划给蜂窝使用，而美国将此频段都规划给了Wi-Fi，欧洲则是可能各分一半。频段划分的不统一给射频系统设计带来极大的复杂性。如果手机与Wi-Fi链路统一，就可以从容应对频谱划分中的不确定性。

图：6~7GHz频段的初步划分 

总 结   

手机蜂窝与Wi-Fi，这两个发源于上世纪无线通信大爆发时代的协议在互相竞争中互相促进，共同快速成长。经过几十年的发展，两种通信协议汇集到我们手中的手机之中。成为我们离不开的技术。

在手机蜂窝协议和Wi-Fi协议发展过程中，二者既合作又竞争。它们都致力于提高无线通信的速度和质量，安全性和可靠性。它们之间的竞争促进了无线通信技术的创新和进步，比如蜂窝网络中引入的MIMO、OFDM等技术来自于Wi-Fi的最早使用，而Wi-Fi 7中也将借鉴蜂窝网络的“载波聚合”技术来实现多频连接。

在PA侧也是一样，协议的趋同使得两种场景中工作的PA也有大量的设计方法可以互相借鉴；产业链的趋同使得芯片供应商可以综合考虑，提供出完整的解决方案。

未来的世界将是一个万物智慧互联的世界，慧智微期待和你一起探索更适合未来智慧互联的射频技术。努力“化繁为简，使一切智慧互联”。

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