（本文编译自Semiconductor Engineering）
一个全新且速度更快的Wi-Fi技术标准正慢慢渗透至物联网市场，随着越来越多的数据在设备之间生成、处理并通过无线传输，延迟也随之增加。
据估计，目前约有200亿台联网设备正在使用中。未来几年，设备将开始具备更快的无线连接能力，从而实现更快的数据传输和OTA更新，并大幅提高流媒体视频、车载信息娱乐以及几乎所有通过非有线方式传输至设备的数据的处理能力。几乎所有这些功能的实现都需要升级芯片、芯粒、更快的互连和某种类型的先进封装技术。
“当下一代Wi-Fi技术推向市场时，行业中通常会发生这样的情况：路由器、各种类型的个人电脑（如笔记本电脑和平板电脑）以及智能手机会最先采用该技术，”英飞凌Wi-Fi产品线副总裁Sivaram Trikutam表示：“这三个细分市场通常是最先采用最新Wi-Fi技术标准的市场。而随着Wi-Fi 7的推出，我们现在正处于这样一个阶段：只有细分市场中的顶级设备（最新款iPhone、最新款三星Galaxy手机或3,000美元以上的笔记本电脑）才刚刚开始采用Wi-Fi 7。业内大多数设备仍在使用Wi-Fi 6。对于大多数家用物联网设备而言，它们通常是最后采用下一代Wi-Fi技术的设备，例如机器人吸尘器、门锁和屋顶上的太阳能电池板，对于所有这些类型的设备来说，现在都在向Wi-Fi 6过渡。在未来五年左右，我们将看到Wi-Fi 6的普及。也许到近十年的最后，Wi-Fi 6的普及率将达到顶峰，然后Wi-Fi 7设备也将在这段时间内开始普及，因此从广义上讲，这将是Wi-Fi 6的十年。”
随着连接性和数据速率的提高，芯片设计也将变得越来越复杂。这一点从接收数据的天线就已经显而易见了。
Ansys首席产品经理Matt Commens表示：“人们低估了将天线集成到设备中的难度。天线需要与周围环境互动。它的作用是接收和发送来自外部的信号。它需要与外界互动。作为产品设计师，您可以进行模数(A-to-D)转换、数模（D-to-A）转换，对信号进行编码，将其传输到传输介质，然后再发送到天线板，这一切看起来都很好。”
但这还不够。“其中一个更具挑战性的问题是‘信号衰减’，”Commens表示，“发生信号衰减的过程是这样的：你正在设计PCB和查看信号，正好有一个天线要连接的端口，你已经将矢量网络分析仪连接到该端口，或者你已经将信号分析仪连接到该端口，一切看起来都很好。然后你连接天线，突然信噪比下降了，天线会向PCB上的电子设备产生某种反向干扰，因为，再说一遍，这就是天线想要做的。它想要向外发送电磁能量。所以你遇到了信号衰减问题，它与意图、创建、放置和其他与信号完整性相关的关键因素密切相关。更糟糕的是，这个问题可能是无法预见的。你可能在设计过程进行到很深阶段时才发现它，而那时修复它的成本则更高。”
连接标准
任何与通信相关的事物都很容易陷入缩写的泥潭。但对于Wi-Fi技术，现代设备有四个关键标准：
目前使用的Wi-Fi标准有四种：
2013年投入使用的Wi-Fi 5（IEEE 802.11ac）。
Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E，后者实际上是Wi-Fi 6的一个版本，可以在6GHz频段运行。它们于2021年作为IEEE 802.11ax投入使用。
最新版的Wi-Fi 7（802.11be）数据速率达到40Gbps，是Wi-Fi 5的1.3Gpbs的20倍以上。
WiFi 7设备早在2023年底就已上市，但该协议的正式亮相是在去年1月的CES上。我们有理由相信，这将激发大量设备升级。据Wi-Fi联盟的Beacon博客援引IDC的预测，去年三分之二的出货量是Wi-Fi 6或Wi-Fi 6E。IDC预计，到2025年，所有Wi-Fi 6设备出货量中超过32%将是Wi-Fi 6E。
Wi-Fi 7的延迟降低不仅会让更多新设备采用它，还会使与支持AI的设备交互变得更加容易。根据Wi-Fi联盟的概述，这种差异是通过以下几项技术变革实现的。
320MHz超宽信道（仅在6GHz频段可用）可提供两倍于Wi-Fi 6的吞吐量，从而实现多千兆位Wi-Fi设备速度；
多链路操作(MLO)，支持链路间更有效的流量负载平衡，从而提高吞吐量和可靠性；
4K QAM，比Wi-Fi 6的1024 QAM实现高20%的传输速率，效率更高；
512压缩块确认，可提高效率并减少开销；
多个RU对应一个STA，提高了频谱资源调度的灵活性，从而提高了频谱效率。
对于消费者和企业来说，所有这些都意味着在充分利用新设备的性能和延长旧设备的使用寿命之间做出权衡。对于代表无线行业的美国蜂窝电信行业协会(CTIA)来说，这意味着又一轮的频谱之战。该协会最近的论点是，Wi-Fi设备的设计现在非常先进，不需要额外的频谱就能获得最佳性能。
标准和认证
FCC认证又增加了另一个限制。“在最极端的情况下，一切都设计好了，你的产品准备上市，但之后却没有通过FCC标准，”Ansys的Commens表示，“在某个时候，你正在制造一个智能产品。它会产生辐射。对于某些频带内存在的能量有非常严格的要求。你可能会在流程中最关键的阶段被暂停，以实施修复。”
FCC认证只是监管合规的开始。除了工程标准机构，设计师还面临着来自世界各地的政府机构。“从阿富汗和阿尔巴尼亚到赞比亚和津巴布韦，各国都有国家机构。非洲、加勒比地区和欧洲也有各种跨国监管组织，” Keysight高级应用工程师Brad Jolly说道。
此外，还有电池标准。国际电工委员会(IEC)制定了IEC 62133等标准，该标准涉及锂离子电池的安全。另一项IEC标准IEC 62281专门涉及电池运输，联合国标准UN 38.3也是如此。
对于网络安全，美国联邦通信委员会(FCC)颁发的美国网络信任标志是最具影响力的物联网专项举措之一，但还有其他举措，包括ETSI EN 303 645和美国国家标准与技术研究所(NIST)标准8259和SP 800-213。
法规数量之多既反映了无线设备的技术复杂性，也反映了许多物联网用途的重要性。“无线通信的兴起，无论是设备数量还是数据量，都使共存测试变得比以往任何时候都更加重要，”Jolly说道，“共存测试可确保设备在存在于同一物理区域和无线频谱部分运行的其他设备的情况下，仍能保持无线性能。许多共存测试都是基于美国国家标准协会(ANSI)标准C63.27。联网医疗设备的共存性质极其重要，因此美国医疗器械促进协会(AAMI)制定了技术信息报告TIR69，即《医疗设备和系统的射频无线共存风险管理》，以指导医疗设备制造商进行医疗设备的共存测试。”
然而，尽管如此，仍然缺少一个关键要素。“人们没有充分考虑标准没有涉及的部分，以及心怀不轨的人如何利用这些疏漏，”Jolly表示，“例如，电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI)的标准测试可确保设备在预期的电磁环境中正常运行。同样，共存文件（如ANSI C63.27和AAMI TIR69）侧重于评估设备在预期的RF环境中的情况。所有这些强调在预期环境中测试设备的做法当然是合理的，但在非预期的电磁环境中测试设备呢？例如，我们看到网络犯罪分子使用诸如deauthers（这显示了2.4GHz WiFi协议中的漏洞）、干扰器和无线黑客多功能工具之类的设备来破坏依赖无线连接的安全系统，例如家用摄像头门铃和远程安全摄像头。”
Matter将物联网生态系统整合在一起
智能家居和工业自动化市场中种类繁多的物联网设备导致了棘手的互操作性问题，让家庭消费者和专业IT管理员都感到沮丧。为了应对这一问题，行业联盟连接标准联盟(CSA)（原名Zigbee联盟）开发了Matter，这是一种允许此类设备无缝互连的开放标准。已有数百家公司加入了该联盟，其中包括谷歌、苹果、亚马逊、西门子和英飞凌。
英飞凌的Trikutam表示：“Matter所做的就是将所有这些不同的生态系统整合在一起。无论是苹果的生态系统、谷歌的生态系统、亚马逊的生态系统还是其他生态系统，它都能在所有这些“私人围墙花园”中提供兼容性。你希望最终消费者能够根据产品的功能和价格点选择他们购买的任何设备，从吸尘器到灯泡，而不必担心它是否能与他们的亚马逊Alexa扬声器兼容。Matter基本上消除了对最终客户的这种担忧。他们可以确信他们购买的产品将适用于任何生态系统。”
Matter标准于2022年首次发布。1.3版于2024年5月5日发布，计划每两年更新一次。正如CSA总裁兼首席执行官Tobin Richardson在发布会上所说，“这是漫长过程中的一大步。”
Matter在OSI协议栈的应用层上运行，与在较低层运行的传输协议（如Wi-Fi、以太网和Thread）兼容。这意味着，虽然Matter对消费者来说可能看起来是透明的，但对于网络工程师来说，其背后却隐藏着大量的工作。
Ansys的Commens表示，随着新设备的开发和旧设备的淘汰（例如Nest和Google Home），设计师和消费者都必须考虑实际选择。“智能家居正在兴起，但你真的需要智能车库门锁吗？你不需要将Wi-Fi置入其中，因为那太过分了。还有其他标准，如Matter，旨在满足智能家居需求，而这些需求并不一定需要Wi-Fi的全部功能。这对设计师来说也是一种权衡。如果你正在设计一款手机，你是否愿意再加一块芯片来支持另一种标准？”
设计师们对这个问题的纠结可能正是阻碍Matter得到普遍采用的原因。“Matter协议得到了大公司的支持，并有明确的计划定期改进标准，因此它应该有成功的机会，”Jolly表示，“另一方面，一些信息表明，并不是所有的智能家居设备制造商都愿意处理Matter的成本和设备架构影响，因此这可能会限制其采用。”
通过光保真度进行连接
另一种也可以与物联网设备配合使用并可能克服延迟和安全问题的通信技术是光保真度，即LiFi，它使用可见光（通常由LED光源产生）来传递信息。
Cadence杰出工程师Gilles Lamant表示：“LiFi属于光子学的一个领域，称为‘自由空间’光子学/光学，它涵盖了很多应用，包括军用卫星间激光通信。物联网中的LiFi则更为贴近我们的日常生活。”
过去十年，LiFi曾引起过广泛关注，2011年《时代》杂志将LiFi评为“年度最佳发明”之一。去年发布的IEEE 802.11bb标准定义了基于光的无线通信，该技术得到了极大推动，尤其是在带宽拥塞促使人们寻找替代传输解决方案的情况下。LiFi行业组织将这种方法称为“可见光通信”，它在真空中以光速运行，而无线电波在空气中传播时速度会减慢。此外，由于可见光占据的电磁波频谱比现在用于通信的拥塞无线电波更宽，LiFi设备可能会减少拥塞问题，或者至少不会加剧拥塞问题。
与Wi-Fi相比，LiFi最大的优势在于它不会穿透墙壁。通过将信号限制在房间内，可以消除潜在的攻击媒介。这是在便利性和隐私之间的权衡，但它打开了军事、医疗或其他高度机密应用等市场。
人们经常反对将LiFi作为一种广泛使用的解决方案，因为LiFi是视距通信，信号很容易被阻挡。正如LiFi组织在其网站上解释的那样，这种说法是基于一种误解，“由于光会从表面反射，这意味着LiFi严格来说不是一种视距通信技术。当然，在直射光下绝对有优势，因为信号会更强，但光也会从墙壁和其他物体反射，反射也可用于数据传输。”
根特大学imec-WAVES副教授David Plets表示，为了提高LiFi的实用价值，该标准的制定旨在允许Wi-Fi和LiFi在同一设备上协同工作，使它们相互补充而不是竞争。
“LiFi和Wi-Fi一样，也是一种广播技术，”Plets说道，“它也存在同样的漏洞。不过，LiFi具有固有优势，即光线无法穿透墙壁等不透明物体，而且LiFi单元通常比Wi-Fi单元小，因此窃听者必须非常靠近。在市场上，LiFi最终可能会成为Wi-Fi的补充，用于Wi-Fi不太适合的特定用例— —例如水下通信，或者医院等不太需要RF通信的环境，或者XR等一些高速率的新6G应用。再比如，它可能与混合网络相结合，将Wi-Fi提供的无处不在的连接与LiFi提供的高数据速率结合起来。因此，LiFi可以减轻Wi-Fi网络的一些压力。不过，这两种技术的整合仍需等待未来。最终，还是要找到LiFi技术性能和正确用例之间的良好匹配。”