近年來，在無線通信領域，最吸引人注意的兩個通信協議就是手機里的5G通信協議，和Wi-Fi中的Wi-Fi 7協議了。

5G通信協議是人類有史以來發展最快的通信協議，自2019年正式商用以來，4年之間已經實現了超過15億的終端連接。2024年，5G即將進入5.5G時代，3GPP將R-18之后的5G版本定義為“5G-Advanced”，業界也稱之為5.5G。預計在5.5G協議中，峰值速率將由5G的20Gbps，提升至40Gbps，用戶體驗速率將由1Gbps提升到10Gbps。

圖：預計5.5G的性能提升

2024即將到來的不止有5.5G，還有Wi-Fi 7。雖然Wi-Fi 7協議的最終版本要到2024年才正式發布，但一些芯片廠商、路由器廠商已經摩拳擦掌，開始展示基于Wi-Fi 7技術的測試結果。2023年11月6日，華為發布Wi-Fi 7 AP測試結果，稱“面向全球市場，華為在美國Tolly實驗室完成業界首個Wi-Fi 7 AP性能測試，整機性能超13Gbps，單終端峰值性能超4.33Gbps。此數據顛覆歷史所有Wi-Fi性能測試結果，刷新最快速率記錄?！盵1]

圖：華為發布的Wi-Fi 7 AP測試結果

過去幾年，手機蜂窩網絡與Wi-Fi網絡之間你追我趕，共同把手機變成具有強大通信能力的智能終端。二者仿佛有一個共同的目標，就是將手機的通信速率不斷提升。兩種通信協議也從最初的“瑜亮之爭”，走到現在的互相補充、互相促進，甚至有些技術在互相趨同。手機蜂窩技術和Wi-Fi技術有哪些異同，二者所使用的PA又有什么一樣或者不一樣？

Wi-Fi協議與蜂窩協議的異同

協議相同點1：都是無線通信協議

在現代射頻通信中，隨著集成電路、信息論等技術的加持，現代射頻系統的發展進入了快車道?，F代射頻系統的產業鏈已經非常復雜，依靠單一廠商已經很難獨立完成某項射頻通信技術。于是，射頻通信的協議組織出現了。射頻通信協議組織是一些專門負責制定和發布射頻通信技術標準和規范的機構或者聯盟，它們的存在是為了促進射頻通信技術的發展和應用，保證不同的設備、系統、網絡能夠有效的交換信息，實現互聯互通。

圖：現代射頻通信的產業鏈協同

無線通信協議是一種規定了無線電波在空中傳輸數據的方式和格式的技術。無線通信協議有很多種類，其中最常見的就是Wi-Fi協議和手機蜂窩協議了。它們都可以讓我們的手機、電腦、平板等設備無線地連接到互聯網。

協議相同點2：都實現了數十億連接

無線通信協議不止有Wi-Fi與手機蜂窩，還包括藍牙、NFC、UWB等，在這些協議中，Wi-Fi協議與手機蜂窩協議最為普及，均實現了數十億的連接數。
連接數是指使用該協議的設備數量，它反映了該協議的普及程度和承載能力。根據GSMA的數據，2023年全球蜂窩協議終端連接數目為85億。根據Strategy Analysis的數據，在不包含手機及PC的情況下，2023年Wi-Fi設備連接數已達到35.32億臺。二者都形成了充分完整的產業鏈。
產業鏈的完整支撐了行業的穩定發展，不論是Wi-Fi協議還是手機蜂窩協議，每年都有數十億的設備出貨。根據TSR的數據，智能手機年出貨量接近15億部，Wi-Fi設備的年出貨數量接近40億部。

圖：全球終端設備出貨

協議相同點3：都實現了寬帶連接

寬帶通信是指單位時間內可以傳輸高的數據量，它反映了該協議的速度和效率。Wi-Fi協議和手機蜂窩協議都具有很高的帶寬，它們都可以提供高速的互聯網接入。

例如，Wi-Fi協議的最新標準Wi-Fi6可以達到9.6 Gbps的理論速度，而手機蜂窩協議的最新標準5G可以達到20 Gbps的理論速度。這意味著我們可以用Wi-Fi協議和手機蜂窩協議來觀看高清視頻，玩在線游戲，進行視頻通話，下載大文件等各種高流量的活動。均滿足了人類日益提高的通信速率需求。

根據ITU的數據預測，全球數據用量在過去10年增長了10倍，在未來10年還將有10倍的增長。Wi-Fi與蜂窩通信提供的大帶寬特性，將有力支撐未來無線通信需求的演進。

圖：全球數據用量

協議不相同點1：協議組織不同

Wi-Fi協議是由IEEE（電氣和電子工程師協會）制定的一系列標準，主要用于在局域網中實現無線接入。手機協議是由ITU（國際電信聯盟）和3GPP（第三代合作伙伴計劃）等組織制定的一系列標準，主要用于在廣域網中實現無線通信。這兩種協議的組織方有不同的目標和需求，因此它們的設計和實現也有所不同。

在產業鏈構成上，手機蜂窩協議產業鏈需要涵蓋數公里范圍覆蓋的基站、終端設備，還需要涵蓋能傳輸數千公里的核心網，其產業鏈更為龐大和復雜。也更加強調協議內設備的統一。由于整個產業鏈的復雜以及功能上的大一統，蜂窩協議的部署與演進經常與全球政策聯系起來。比如全球蜂窩網絡的部署節奏與頻段劃分會在聯合國下屬的ITU（國際電信聯盟）中討論，各國的蜂窩網絡部署也會在政府監管機構下統一進行。

而Wi-Fi協議是IEEE由有線以太網協議發展而來，最初是將有線以太網的物理層由有線改為無線實現，所以Wi-Fi協議關注在空中接口部分，有線傳輸網絡仍然是基于原有的以太網。這也就使得Wi-Fi協議只需要關注在數百米范圍之內的無線連接設備即可。協議組織的復雜度大大降低。但同時其對政府、政策等的影響力較蜂窩也明顯下降。

協議不相同點2：使用頻段不同

不同的組織形式與在政策上的話語權，帶來兩種通信協議完全不同的兩種運行方式，也決定了二者使用頻段的不同。

Wi-Fi協議使用的頻段是ISM頻段。ISM是Industrial Scientific Medical的縮寫，ISM頻段是由ITU定義的，用于工業、科學、醫學研究使用的頻段。這些頻段是免費開放的，任何設備都可以使用。雖然免費開放意味著使用上的自由，更容易形成全球統一的標準，從而不需要像蜂窩網絡一樣切換運營商。但免費開放也意味著沒有強制管理，也意味著會有其他設備同時使用這個頻段，使用設備眾多時也容易受到干擾和擁塞。比如在2.4GHz頻段，微波爐、藍牙等設備就會與Wi-Fi共享使用這個頻段。

常見的ISM頻段有：

• 2.400-2.4835GHz頻段（帶寬83.5MHz）

• 5.15-5.875GHz頻段（帶寬725MHz）

• 5.925~7.125GHz頻段（帶寬1.2GHz）

與Wi-Fi協議與其他設備“搶”頻段不同，蜂窩協議在定義之初就會把頻段確定下來。這些頻段是由政府分配給運營商的，運營商需要付費使用，這些頻段費用通常價格不菲，但是也可以保證服務的質量與覆蓋范圍。

頻譜是非常寶貴的資源，國際運營商通常以拍賣的形式參與競購。以5G頻段為例，在2019年5G建設之初，德國電信用于拍賣2GHz附近的40MHz頻譜就花費了22億歐元。巨大的經濟壓力使得單一運營商無法購買連續的大帶寬頻譜，另外，由于無線頻譜管理的限制，使得可用于蜂窩通信的頻段十分分散，僅在6GHz以下頻段，在3GPP的定義中，就有近百個用于4G/5G通信的頻段，這些頻段窄則幾MHz，寬則幾百MHz，散落在6GHz以下頻段之中。

這些散落的頻段也給手機射頻設計提出了更復雜的要求。在中高端手機中，一般需要支持的頻段達30個以上，于是“多頻段多模式”的設計理念就開始在手機射頻設計中出現，依靠單一射頻器件對多個頻段的支持，來減少射頻電路設計的復雜程度。這給手機蜂窩射頻器件的設計提出了更高的挑戰。

頻率復雜度的增加也催生了“載波聚合”技術。為了達到等同于寬帶傳輸的效果，運營商要求將其所掌握的多個零散頻段“聚合”起來，達到更高的傳輸速率。載波聚合技術使射頻器件的復雜度明顯提升。

圖：載波聚合技術示意圖

協議不相同點3：部署理念不同

在兩種協議組織運行的歷史里，一直在討論如何才能取代另外一個協議組織。不論是2001年IEEE就發起討論的WiMax標準，準備將其作為4G的候選技術全球推廣，還是5G到來之時，蜂窩協議雄心滿滿的認為手機有了5G就不需要連接Wi-Fi。兩個協議組織在過去20年里相愛相殺，互相競爭。

隨著兩種協議逐漸成熟，兩種協議也均找到了自己的定位。二者有不同的部署和發展理念，人們越來越意識到，二者不是競爭關系，而是互補關系。

Wi-Fi協議考慮的是靈活、低成本的局域網，它主要依靠無線路由器和接入點來提供服務，用戶可以自由地連接和斷開。據統計，在無線通信的使用場景中，85%的時間發生在室內。Wi-Fi協議很好地滿足了這部分通信協議的需求，釋放了蜂窩基站通信的壓力。

手機蜂窩協議考慮的是統一、高可靠的廣域網，它主要依靠基站和交換機來提供服務，并由運營商統一運營，用戶付費之后，就可以在不同的區域和國家之間無縫地切換。手機蜂窩協議提供了可靠的、隨時隨地的互聯，滿足人類即時互聯的需求。

Wi-Fi PA與手機PA的異同

射頻PA（PowerAmplifier，功放）是射頻電路中的重要組成部分，對射頻系統的性能有著重要的影響。其功率輸出能力決定了設備的通信能力，其功耗的大小決定了設備的待機時長。

在Wi-Fi協議與手機蜂窩協議越來越趨同的發展中，Wi-Fi PA和手機蜂窩PA設計也出現越來越多的相同點。

（注：盡管手機中也有可能包含Wi-Fi PA，但作為蜂窩設備的代表，“手機PA”一般指的是“手機中的蜂窩PA”。）

PA相同點1：架構基本相同

Wi-Fi系統是典型的TDD架構，收發通路在不同時間維度上切換，完成信號的收與發。

手機蜂窩早期是FDD架構，即收發通路在同一時刻都工作，但在頻率維度上區分。在4G時代到來后，為了更有效地解決手機上下行能力需求不對稱的問題，蜂窩網絡引入TDD-LTE結構，與FDD-LTE共同構成4G手機蜂窩系統。到了5G之后，TDD結構在手機蜂窩繼續發揚光大，5G的新頻段，如n77/78/79等，均直接采用TDD結構。

圖：FDD系統與TDD系統

由于均為TDD系統，Wi-Fi與5G前端模組架構也逐漸趨同。下圖為慧智微應用于5G蜂窩系統的模組產品S55207-11與慧智微應用于Wi-Fi系統的模組產品S56540-11產品架構比較。可以看到，二者均集成一路PA與一路LNA，并且集成切換開關用于收發切換。不同的是，蜂窩系統中需要集成濾波器，并且需要根據系統需求集成MIPI控制器、定向耦合器等模塊。

圖：慧智微5G蜂窩與Wi-Fi模組產品架構比較

PA相同點2：設計方法基本相同

隨著協議的演進，Wi-Fi系統與蜂窩系統均引入多QAM、OFDM等技術，以達到數Gbps的傳輸速率，在兩種通信系統中，均需要用到對高階調制友好的線性PA架構進行設計（有關PA的架構選擇請參見《5G射頻PA架構》）。雖然在手機蜂窩PA與Wi-Fi PA中都在提Doherty架構等非線性架構，但是只是在線性度與效率之前做trade-off來進行效率提升，本質還是在以線性PA的設計思路在進行設計。

另外，Wi-Fi通信能力的提升也要求Wi-FiPA有更高的輸出功率。雖然Wi-Fi并不需要向蜂窩網絡一樣傳輸數公里的距離，但高功率的PA有助于采用更高調制的信號，從而提升傳輸速率。在目前外置Wi-Fi PA模組中，PA的功率能力與手機蜂窩PA能力基本相當。

對PA的性能、功率需求的相同，也使得二者的供應鏈逐漸趨同。目前在Wi-Fi PA設計中，絕大部分的Wi-Fi PA采用與手機蜂窩PA相同的GaAs HBT工藝進行設計（有關PA的工藝選擇請參見《5G射頻芯片中的半導體》）。

圖：5G蜂窩PA與Wi-Fi PA的對比

PA相同點3：供應商趨同

由于應用場景的接近，終端用戶的統一，供應鏈的一致，手機蜂窩PA與Wi-Fi PA的供應商也開始趨同。

手機蜂窩PA與Wi-Fi PA供應商趨同有諸多好處。比如：

• 技術復用：廠商可以將蜂窩PA和Wi-Fi PA領域的技術經驗和成果相互借鑒和應用，從而提高產品技術水平和創新能力。比如可以將蜂窩PA的高效率技術應用到Wi-Fi PA中，提高Wi-Fi PA的效率。也可以將Wi-Fi PA高線性度的技術應用到蜂窩PA中，提升蜂窩PA性能。

• 供應鏈復用：雖然Wi-Fi終端一年數量有30億部，但大部分Wi-Fi終端不含有外置PA，并且由于Wi-Fi的頻段數目遠少于蜂窩，Wi-Fi PA對半導體的用量仍明顯小于蜂窩PA。利用在蜂窩PA的規模優勢，可以更容易建立起與供應商的合作，從而獲得更優惠的價格和更快的交期，降低原材料和元器件的成本和風險。另外也可以通過共享和協調產測設備的方式，提高產品生產測試的效率和質量。

• 完整方案：提供手機與Wi-Fi PA產品的廠商可以為客戶提供更完整和更靈活的解決方案，從而滿足客戶在不同應用場景和需求下的無線通信需求。完整的解決方案可以使得客戶在技術支持、商務支持中均得到收益。

在以上優勢驅動下，射頻廠商開始開發手機蜂窩與Wi-Fi的完整解決方案。國際廠商如Skyworks、Qorvo、高通等廠商均同時提供手機蜂窩與Wi-Fi射頻產品，國內廠商如慧智微等，也有手機蜂窩、Wi-Fi產品線，提供全系列解決方案。

PA不同點1：方案不同

盡管Wi-Fi 和5G 蜂窩在架構上有很多類似之處，但還是有些細節造成二者方案有所不同。

Wi-Fi與5G方案不同的最大來源就是使用頻率的不同。5G使用的是零散的頻率，并且在3G/4G向5G演進過程中，還有不斷的新頻率加入進來。在手機需要“全球通”漫游的前提下，手機需要將這些頻段均完美支持起來，并且還需要滿足4G/5G雙連接、載波聚合等額外的需求。這一切使得蜂窩系統極其復雜。在文章《除了調匹配，射頻人還需要掌握系統知識》中，僅僅分析清楚一部5G手機中的射頻系統，就已經不是易事，更不用說設計新的射頻系統了。

相比之下，Wi-Fi系統就簡單許多。全球頻率的歸一使得方案中不需要對頻率做太多考量；制式的向下兼容也簡化了不同代制式的雙連接問題。這都使得Wi-Fi系統比蜂窩系統要簡化很多。

圖：典型蜂窩射頻系統與Wi-Fi射頻系統對比

PA不同點2：功率要求不同

與手機蜂窩網絡中對手機功率有嚴格的限制不同，Wi-Fi協議并沒有對功率有嚴格的要求。這就給Wi-Fi PA設計帶來了很大的自由度。盡管在高性能、高制式Wi-Fi PA設計中，功率甚至與手機蜂窩PA相近，但仍有大量的低端、近距離使用的Wi-Fi終端只使用收發機的內置低功率PA就可以完成傳輸。
Wi-Fi對功率要求的不同也使得PA廠商開發出多個功率等級的PA供終端選擇，以平衡功率與效率、成本之間的關系。在Wi-Fi PA中，一般根據功率的大小，分為高功率、中高功率、中功率、低功率PA。另外，收發機內置的PA一般稱為IPA（Internal PA）。不同PA可覆蓋的功率等級一般稱法如下表（注：由于沒有標準定義，此處只代表典型稱法）。

圖：Wi-Fi PA的功率級別（MCS11，-43dB EVM）

PA不同點3：線性度要求不同

盡管手機蜂窩PA與Wi-Fi PA都是線性PA，但由于編碼方式不同，造成對線性度的需求也不同。

比如在Wi-Fi 6中，最高采用1024-QAM調制，一個符號可承載10bit信息。在Wi-Fi 7中，最高將采用4096-QAM調制，一個符號可承載的信息提升到12bit。而在5G蜂窩協議中，最高只是采用256-QAM。

更高階的調制對EVM提出了更高的要求，要求信號誤差向量要足夠小，這樣才不會出現信號位的錯誤。這也就是在Wi-Fi系統會更關注EVM，而在蜂窩系統更關注ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，相鄰頻道泄漏比）的原因。

圖：不同協議中的編碼要求

說Wi-Fi對于EVM的高要求還體現在DEVM指標上，DEVM的全稱是DynamicEVM（動態EVM），它反映了Wi-Fi信號在發射過程中由于PA的瞬態熱響應而引起的失真程度。由于PA的穩態建立需要一定的時間，在這個穩定時間到來之前，不希望系統傳輸有用信息。而Wi-Fi系統的幀結構復雜 ，在頭部的Preamble、header幀中帶有同步符號、樣本信號、傳輸參數等信息，這就需要PA快速建立，用來響應幀頭部的重要信息。DEVM指標的特殊要求也是Wi-Fi PA與手機蜂窩PA的重要不同點。

以上就是手機蜂窩PA和Wi-Fi PA的主要異同點，總結如下圖所示。

圖：手機PA與Wi-Fi PA的異同點

手機PA與Wi-Fi PA的未來趨勢

由于產業歷史和技術演進原因，手機蜂窩PA和Wi-Fi PA在過去的發展中較為獨立。但隨著技術的演進、協議的相互借鑒、系統的相互融合、產業鏈的逐步發展，手機蜂窩PA和Wi-Fi PA的設計也在逐步趨同。在未來發展中，可能有以下幾個趨勢：

共同向高性能發展：手機蜂窩PA和Wi-Fi PA都將向高性能的方向發展，以滿足用戶對于無線通信的更高的要求，比如更高的數據速率、更低的延遲、更好的覆蓋和更強的抗干擾能力。為了實現高性能，手機PA和Wi-Fi PA都需要采用更先進的技術和材料，比如高線性度的電路和算法、高集成度的封裝和模塊、高穩定性的溫度和電壓控制等。

產業鏈逐步趨同：
手機蜂窩PA和Wi-Fi PA的產業鏈將逐漸趨同，以實現更好的協作和技術演進，為客戶提供更為完整的解決方案。無論在芯片制造，還是設計公司提供的完整方案上，手機蜂窩PA和Wi-Fi PA的產業鏈都將逐漸趨同。

射頻鏈路復用：雖然目前手機蜂窩PA和Wi-Fi PA分屬不同的制式，被不同的平臺SoC及射頻收發機所管轄，但隨著未來技術的發展，平臺SoC通信協議的整合，手機蜂窩PA和Wi-FiPA在射頻鏈路上有可能出現整合和復用，以簡化射頻系統設計。

射頻鏈路的整合同樣有助于應對日后復雜的頻率規劃。比如在最新的6~7GHz頻段，不同國家和地區給出了不同的規劃，中國目前將此頻段范圍均規劃給蜂窩使用，而美國將此頻段都規劃給了Wi-Fi，歐洲則是可能各分一半。頻段劃分的不統一給射頻系統設計帶來極大的復雜性。如果手機與Wi-Fi鏈路統一，就可以從容應對頻譜劃分中的不確定性。

圖：6~7GHz頻段的初步劃分

總 結

手機蜂窩與Wi-Fi，這兩個發源于上世紀無線通信大爆發時代的協議在互相競爭中互相促進，共同快速成長。經過幾十年的發展，兩種通信協議匯集到我們手中的手機之中。成為我們離不開的技術。

在手機蜂窩協議和Wi-Fi協議發展過程中，二者既合作又競爭。它們都致力于提高無線通信的速度和質量，安全性和可靠性。它們之間的競爭促進了無線通信技術的創新和進步，比如蜂窩網絡中引入的MIMO、OFDM等技術來自于Wi-Fi的最早使用，而Wi-Fi 7中也將借鑒蜂窩網絡的“載波聚合”技術來實現多頻連接。

在PA側也是一樣，協議的趨同使得兩種場景中工作的PA也有大量的設計方法可以互相借鑒；產業鏈的趨同使得芯片供應商可以綜合考慮，提供出完整的解決方案。

未來的世界將是一個萬物智慧互聯的世界，慧智微期待和你一起探索更適合未來智慧互聯的射頻技術。努力“化繁為簡，使一切智慧互聯”。