Wi-Fi作為最常用的一項互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),與我們每個人的生活息息相關(guān)。
尤其是過去兩年,因為疫情的原因,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兩個頻段已經(jīng)非常擁擠。反映在用戶體驗上,就是網(wǎng)絡(luò)延時的增加,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個普通信道和8個DFS信道。(注:DFS信道的作用是保護雷達使用的頻率不受到干擾,當Wi-Fi設(shè)備檢測到有雷達在使用該頻段時,Wi-Fi會自動避開該信道)
而在6GHz上,有多達29個不受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?
回答這個問題,需要將網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點作為一個整體看待。
從手機、電腦到無線路由和后續(xù)的光纖網(wǎng)絡(luò),任何一個節(jié)點出現(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目的推進,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)展藍圖下了,預(yù)計不用多久就會出現(xiàn)商用產(chǎn)品。
圖 4 ITU光纖技術(shù)發(fā)展藍圖
過去,Wi-Fi設(shè)備主要采用20MHz和40MHz兩種帶寬。我們的手機、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,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)時的默認選項。
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?
其實原因很簡單,天下沒有免費的午餐。
MIMO雖然可以提供多通道來增加數(shù)據(jù)速率,但代價一是增加的通道需要相應(yīng)的收發(fā)機通道,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)部署的黃金準則為7頻道重用方案。這個方案是平衡頻譜使用效率和小區(qū)間干擾的一個最佳優(yōu)化點。
所謂7頻道重用方案,是指在一個無線路由周圍的6個相鄰路由,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不同頻的小區(qū)。由于距離較遠,小區(qū)間的同頻干擾風險很小。
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,當用戶把頻道升級到了80MHz帶寬時,目前的5GHz頻譜就不夠用了。
這時,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14個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。
這其中一個主要原因,是WRC-23 議程1.2中的一個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Wi-Fi 6E的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展勢頭很好,預(yù)計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Wi-Fi 6E的使用嗎?
在6GHz這個議題上,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)和個人的影響。
經(jīng)過幾個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。
我在參考文獻中附上了通信管理局的政策文件,有興趣的同學可以自行研究一下。
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)布時間上往往比大陸會先行一步。如果這個規(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)以及三大運營商的負荷能力來說,都是遠遠不夠的。
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,孤注一擲某項技術(shù),往往存在著誤判的風險。
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的標準工作還在緊鑼密鼓的進行中,第一個Release已于今年年初確定下來。完整的標準的工作,需要在2024年之后才能最終確定。而認證的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介紹。
圖 11 Wi-Fi 7的時間節(jié)點
(全文完)
本文作者唐欣博士,目前擔任Spectrum Lab技術(shù)總監(jiān)。
參考文獻
[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.