Wi-Fi 作為最常用的一項(xiàng)互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)。
尤其是過去兩年，因?yàn)橐咔榈脑?，越來越多的社會活動都從線下轉(zhuǎn)到了線上，Wi-Fi 在其中發(fā)揮了巨大的作用，顯著減少了疫情對社會和經(jīng)濟(jì)的影響。
根據(jù)思科網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)（如圖 1），2021 年，全球 50% 的互聯(lián)網(wǎng)流量來自 Wi-Fi。
▲ 圖 1 2021 全球數(shù)據(jù)流量的接入技術(shù)占比（數(shù)據(jù)來源于思科網(wǎng)絡(luò)）
在過去的 20 多年，Wi-Fi 靠著僅有的 2.4GHz 和 5GHz 兩個(gè)頻段（共 600 多 MHz 頻譜），承載著不斷增長的網(wǎng)絡(luò)需求。
在前一期的文章中（鏈接），我們講述了 Wi-Fi 6 中的一些新技術(shù)。通過這些技術(shù)，可以幫助緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞這一問題。
然而，即使無線工程師們能用眾多的黑科技來擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，近年來，無線設(shè)備數(shù)量的極速增長，以及應(yīng)用程序帶來的越來越高的速率需求，最終導(dǎo)致頻譜成為網(wǎng)絡(luò)容量的瓶頸。
目前，Wi-Fi 使用的 2.4GHz 和 5GHz 兩個(gè)頻段已經(jīng)非常擁擠。反映在用戶體驗(yàn)上，就是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的增加，用戶速率的下降，Wi-Fi 路由器之間的干擾變得越來越頻繁。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，在 Wi-Fi 6 推出不久，Wi-Fi 行業(yè)又積極推動了 Wi-Fi 6E 的發(fā)展。
Wi-Fi 6E 沿用了目前 Wi-Fi 6 的核心技術(shù)，通過將 Wi-Fi 6 的工作頻段延伸到 6GHz （5925-7125MHz），以此來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量。
如圖 2 所示，新增的 1200MHz，讓 Wi-Fi 的頻譜資源比過去增加了 2 倍。
▲ 圖 2 Wi-Fi 頻段發(fā)展歷史
6GHz 的頻譜，對于 Wi-Fi 來說，可以讓性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。從圖 3 中我們可以看到，6GHz 讓 Wi-Fi 信道數(shù)量擴(kuò)充了 2 倍。
▲ 圖 3 2.4，5 和 6GHz Wi-Fi 的頻道數(shù)量
以目前最常使用的 40MHz 信道來說，5GHz 可以提供 4 個(gè)普通信道和 8 個(gè) DFS 信道。（注：DFS 信道的作用是保護(hù)雷達(dá)使用的頻率不受到干擾，當(dāng) Wi-Fi 設(shè)備檢測到有雷達(dá)在使用該頻段時(shí)，Wi-Fi 會自動避開該信道）
而在 6GHz 上，有多達(dá) 29 個(gè)不受 DFS 限制的 40MHz 信道，可供 Wi-Fi 設(shè)備選擇。
█ 為什么需要這么多頻道？
回答這個(gè)問題，需要將網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體看待。
從手機(jī)、電腦到無線路由和后續(xù)的光纖網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)瓶頸，都無法提升網(wǎng)絡(luò)的性能。過去在十兆到百兆光纖的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)速率的瓶頸往往是在光纖網(wǎng)絡(luò)本身。僅僅增加 Wi-Fi 的速率，對于網(wǎng)絡(luò)的整體性能來說，并沒有太大的意義。
如今，隨著國家雙千兆基建項(xiàng)目的推進(jìn)，越來越多的家庭可以用到上千兆速率的光網(wǎng)絡(luò)，而企業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)的速率更是可以達(dá)到 10Gb。
光纖技術(shù)還在不斷的更新，50Gbps 以上的光纖技術(shù)早在 2018 年就出現(xiàn)在國際電信聯(lián)盟（ITU）的發(fā)展藍(lán)圖下了，預(yù)計(jì)不用多久就會出現(xiàn)商用產(chǎn)品。
▲ 圖 4 ITU 光纖技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖
過去，Wi-Fi 設(shè)備主要采用 20MHz 和 40MHz 兩種帶寬。我們的手機(jī)、Pad，通常也配有兩根 Wi-Fi 天線，來支持 MIMO。
以圖 5 中 Aruba 網(wǎng)絡(luò)給出數(shù)據(jù)速率計(jì)算表來看，采用 2 路 MIMO，64QAM 調(diào)制的 Wi-Fi 設(shè)備在 40MHz 的帶寬下，理論最大速率只能達(dá)到 344Mbps 左右。（注：更高階的調(diào)制需要極好的無線信道信噪比，在日常的生活使用中很難滿足這一條件）
▲ 圖 5 Wi-Fi 6 下單通道理論最大數(shù)據(jù)速率
在用戶已經(jīng)擁有千兆光纖的情況下，這樣的 Wi-Fi 性能就成為了網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。這時(shí)，提升 Wi-Fi 的速率就變得有意義。
通過將帶寬增加到 80MHz 后，最大速率可以超過 700Mbps，而 160MHz 帶寬更是能充分滿足千兆光纖的需求。
從對用戶的路由器使用分析，也能驗(yàn)證帶寬增加這一趨勢。根據(jù)思科和 Aruba 對其用戶的分析，目前 80MHz 帶寬，逐漸成為家庭和企業(yè)在配置 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的默認(rèn)選項(xiàng)。
寫到這里，你可能會有疑問，上一期的文章中不是提到，OFDMA、高階調(diào)制和更多的 MIMO 等技術(shù)可以提升速率和網(wǎng)絡(luò)容量嗎？為什么還需要增加信道資源？
其實(shí)原因很簡單，天下沒有免費(fèi)的午餐。
MIMO 雖然可以提供多通道來增加數(shù)據(jù)速率，但代價(jià)一是增加的通道需要相應(yīng)的收發(fā)機(jī)通道，這就增加了 Wi-Fi 設(shè)備功耗。
第二，引入高階調(diào)制和更多通道 MIMO，意味著射頻接收機(jī)對于無線信道的信噪比要求更高，這就減小了小區(qū)覆蓋范圍和設(shè)備的抗干擾程度。
而 OFDMA 的根本，是在于如何把蛋糕更有效的分配給用戶，并不能把蛋糕做大。因此，增加容量最為直接有效的方式，莫過于加寬帶寬，增加頻譜資源。
你可能還有疑問，現(xiàn)在 5GHz 上的 Wi-Fi 6 不是也可以支持 80 和 160MHz 帶寬嗎？為什么需要 Wi-Fi 6E？
回答這一個(gè)問題，就需要從網(wǎng)絡(luò)多路由器部署的角度來討論了。
目前業(yè)界對于密集型 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)部署的黃金準(zhǔn)則為 7 頻道重用方案。這個(gè)方案是平衡頻譜使用效率和小區(qū)間干擾的一個(gè)最佳優(yōu)化點(diǎn)。
所謂 7 頻道重用方案，是指在一個(gè)無線路由周圍的 6 個(gè)相鄰路由，均使用不同的 Wi-Fi 頻道。
以圖 6 中一層辦公空間的 Wi-Fi 部署為例。
▲ 圖 6 7 頻道 Wi-Fi 小區(qū)部署方案
采用 7 頻道重用方案的網(wǎng)絡(luò)，同頻率的 Wi-Fi 小區(qū)可以做到彼此之間相隔兩個(gè)不同頻的小區(qū)。由于距離較遠(yuǎn)，小區(qū)間的同頻干擾風(fēng)險(xiǎn)很小。
在過去，使用 40MHz 信道的基礎(chǔ)上，這種部署對于頻譜來說毫無壓力。
然而，當(dāng)用戶把頻道升級到了 80MHz 帶寬時(shí)，目前的 5GHz 頻譜就不夠用了。
這時(shí)，Wi-Fi 6E 就派上了用場。
從上面的信道圖中，我們可以看到，6GHz 有多達(dá) 14 個(gè) 80MHz 的信道，可以充分滿足要求。即使未來，用戶升級到了 160MHz 帶寬，6GHz 仍然可以提供 7 個(gè)信道來滿足網(wǎng)絡(luò)部署。
█ Wi-Fi 6E 目前全球的發(fā)展情況
Wi-Fi 6E 的設(shè)備普遍支持整個(gè) 6GHz，但在具體的可使用頻率范圍上，設(shè)備廠商需要滿足各國的頻段要求。
國際上對于 6GHz Wi-Fi 的頻譜分配主要是有兩種方向，第一種是以 ITU Region 2（美洲）為主的一步到位式，即將整個(gè) 1.2GHz 頻譜（5925-7125MHz）都開放給 Wi-Fi 使用。
第二種采用的是循序漸進(jìn)的方式，先開放低 6GHz 頻段（5925-6425MHz）的 500MHz 供 Wi-Fi 使用，而在高 6GHz （6425-7125MHz）的規(guī)劃上繼續(xù)持研究觀望態(tài)度。
持這種策略的地區(qū)主要是歐盟，澳大利亞，日本等國家。
這其中一個(gè)主要原因，是 WRC-23 議程 1.2 中的一個(gè)重要議題對這些國家和地區(qū)的頻譜劃分有著影響。
在這個(gè)議題中，6425-7125MHz 頻段在某些地區(qū)有可能被識別為移動通信頻段，供未來的 5G 甚至 6G 使用，我國也是這個(gè)議題的積極支持者之一。
▲ 圖 7 全球 Wi-Fi 6E 的發(fā)展情況（數(shù)據(jù)來源于 Wi-Fi Alliance）
從 2021 年開始，已經(jīng)有大量支持 Wi-Fi 6E 的終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，目前整個(gè) Wi-Fi 6E 的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展勢頭很好，預(yù)計(jì)今年還會有更多的主流設(shè)備開始支持 Wi-Fi 6E。
▲ 圖 8 Wi-Fi 6E 生態(tài)圈
█ 中國會批準(zhǔn) Wi-Fi 6E 的使用嗎？
在 6GHz 這個(gè)議題上，我們國家工信部在 WRC-19 前后的態(tài)度一直是支持將整個(gè) 6GHz 分配給 5G 和未來的 6G 移動通信使用，Wi-Fi 6E 在中國并沒有受到太多的重視。
這和我們國家的 5G 工業(yè)政策和目前 5G 中波段的可用頻譜的數(shù)量有很大關(guān)系。
從下面高通發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，中國在中波段的 5G 頻譜只有 2.6GHz 上的 100MHz 和 3.5GHz 上的 300MHz，這其中還包括 3.3-3.4GHz 專門分配給室內(nèi) 5G 使用。
總體來說，中波段頻譜總量少于歐盟、北美以及日韓。
▲ 圖 9 全球 5G 頻譜分配（數(shù)據(jù)來源于高通）
然而，從去年開始，香港特區(qū)政府率先開始規(guī)劃了 Wi-Fi 6E 在香港的使用。在特區(qū)政府去年發(fā)布的公開意見征集書中，提到了目前 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的擁擠對于企業(yè)和個(gè)人的影響。
經(jīng)過幾個(gè)月的意見征集和討論，在今年四月份香港通信事務(wù)管理局發(fā)布的最終決策文件中，香港采取了循序漸進(jìn)的模式，即仿照歐盟，先開放 6GHz 中的低 500MHz 供給 Wi-Fi 使用。對于高 700MHz，香港將關(guān)注 WRC-23 議程 1.2 的議題討論。
我在參考文獻(xiàn)中附上了通信管理局的政策文件，有興趣的同學(xué)可以自行研究一下。
▲ 圖 10 香港通訊事務(wù)管理局 Wi-F i6E 公開意見征集書
香港的這一頻譜政策，讓人微微看到 Wi-Fi 6E 在中國內(nèi)地的一絲曙光。
從過去的 C 波段和毫米波 5G 的規(guī)劃，香港與大陸基本保持一致，只是在政策的發(fā)布時(shí)間上往往比大陸會先行一步。如果這個(gè)規(guī)律成立的話，在 6GHz 的頻譜規(guī)劃上，未來工信部可能會考慮 Wi-Fi 的需求。
事實(shí)上，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)擁塞問題不僅僅在香港，內(nèi)地的大中型城市也面臨著同樣的問題。未來要想提升企業(yè)和家庭網(wǎng)絡(luò)的性能，僅僅靠 5G，無論從企業(yè)成本、設(shè)備生態(tài)以及三大運(yùn)營商的負(fù)荷能力來說，都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
另外，即使不能和中興、華為和中移動這樣在國際移動通信行業(yè)中具有重大影響力的公司相比，我國在 Wi-Fi 行業(yè)中也有比如新華三、烽火、TP-link 這樣的大型公司，甚至中興和華為本身的企業(yè)網(wǎng)事業(yè)部也是 Wi-Fi 生態(tài)系統(tǒng)的重要伙伴。
如果把 6GHz 完全分配給移動通信，對于以 Wi-Fi 產(chǎn)品和服務(wù)為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)來說，無非是重大的打擊。尤其是未來 Wi-Fi 7 能否在中國發(fā)展，很大程度將取決于是否有足夠的頻譜資源。
從國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展歷史來看，技術(shù)的更新經(jīng)常變化莫測。由政府政策牽頭，孤注一擲某項(xiàng)技術(shù)，往往存在著誤判的風(fēng)險(xiǎn)。
工業(yè)政策對于市場的長期活力與產(chǎn)品的國際競爭力上，通常不如采用市場政策更加有效。讓企業(yè)自己通過公平市場競爭的方式，來決定未來的技術(shù)發(fā)展方向，會讓資本的分配更加合理，資源配置更加有效，也能讓企業(yè)自身擁有更強(qiáng)的活力。
█ Wi-Fi 的未來
Wi-Fi 技術(shù)，還在一直更新。
在 2019 年 Wi-Fi 6 剛剛問世不久，802.11 工作小組就開始了下一代 Wi-Fi 技術(shù) ——Wi-Fi 7 的研究。Wi-Fi 7 的學(xué)術(shù)名為 802.11be，使用與目前 Wi-Fi 6E 完全相同的頻譜資源。
目前 Wi-Fi 7 的標(biāo)準(zhǔn)工作還在緊鑼密鼓的進(jìn)行中，第一個(gè) Release 已于今年年初確定下來。完整的標(biāo)準(zhǔn)的工作，需要在 2024 年之后才能最終確定。而認(rèn)證的 Wi-Fi 7 設(shè)備，也要到 2025 年，才能普及到市場上。
關(guān)于 Wi-Fi 7 的關(guān)鍵技術(shù)，我會在下一期的文章中給大家重點(diǎn)介紹。
▲ 圖 11 Wi-Fi 7 的時(shí)間節(jié)點(diǎn)
本文作者唐欣博士，目前擔(dān)任 Spectrum Lab 技術(shù)總監(jiān)。
參考文獻(xiàn)
[1] Aruba Networks white paper — Technical Guide to Wi-Fi 6e and the 6 GHz band.
[2] Wi-Fi Alliance – Countries Enabling Wi-Fi 6E.
[3] Qualcomm, 5G spectrum innovation and global update.
[3] 香港通信事務(wù)管理局 — 設(shè)立類別牌照以規(guī)管用于無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的 6 吉赫器件的使用和營商活動以及更改提供公共無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類別牌照
[4] Khorov, E., Levitsky, I., & Akyildiz, I. F. (2020). Current status and directions of IEEE 802.11be, the future Wi-Fi 7.
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