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為什么Wi-Fi需要6GHz？如果把6GHz完全分配給移動通信，對于以Wi-Fi產品和服務為主要業務的企業來說，無非是重大的打擊

2022-06-06 射頻學堂 閱讀：
在今年四月份香港通信事務管理局發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，香港將關注WRC-23 議程1.2的議題討論。

 

目前，Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz兩個頻段已經非常擁擠。反映在用戶體驗上，就是網絡延時的增加，用戶速率的下降，Wi-Fi路由器之間的干擾變得越來越頻繁。
為了應對這一挑戰，在Wi-Fi 6推出不久，Wi-Fi行業又積極推動了Wi-Fi 6E的發展。
Wi-Fi 6E沿用了目前Wi-Fi 6的核心技術，通過將Wi-Fi 6的工作頻段延伸到6GHz （5925-7125MHz），以此來擴大網絡容量。
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頻段發展歷史
6GHz的頻譜，對于Wi-Fi來說，可以讓性能發生質的飛躍。從圖 3中我們可以看到， 6GHz讓Wi-Fi信道數量擴充了2倍。
圖 3 2.4，5和6GHz Wi-Fi的頻道數量
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設備選擇。
█ 為什么需要這么多頻道？
回答這個問題，需要將網絡的各個節點作為一個整體看待。
從手機、電腦到無線路由和后續的光纖網絡，任何一個節點出現瓶頸，都無法提升網絡的性能。過去在十兆到百兆光纖的時代，網絡速率的瓶頸往往是在光纖網絡本身。僅僅增加Wi-Fi的速率，對于網絡的整體性能來說，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絡，而企業光纖網絡的速率更是可以達到10Gb。
光纖技術還在不斷的更新，50Gbps以上的光纖技術早在2018年就出現在國際電信聯盟（ITU）的發展藍圖下了，預計不用多久就會出現商用產品。
圖 4 ITU光纖技術發展藍圖
過去，Wi-Fi設備主要采用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網絡給出數據速率計算表來看，采用2路 MIMO，64QAM調制的Wi-Fi設備在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據速率
在用戶已經擁有千兆光纖的情況下，這樣的Wi-Fi性能就成為了網絡中的瓶頸。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在配置Wi-Fi網絡時的默認選項。
寫到這里，你可能會有疑問，上一期的文章中不是提到，OFDMA、高階調制和更多的MIMO等技術可以提升速率和網絡容量嗎？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據速率，但代價一是增加的通道需要相應的收發機通道，這就增加了Wi-Fi設備功耗。
第二，引入高階調制和更多通道MIMO，意味著射頻接收機對于無線信道的信噪比要求更高，這就減小了小區覆蓋范圍和設備的抗干擾程度。
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，就需要從網絡多路由器部署的角度來討論了。
目前業界對于密集型Wi-Fi網絡部署的黃金準則為7頻道重用方案。這個方案是平衡頻譜使用效率和小區間干擾的一個最佳優化點。
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小區部署方案
采用7頻道重用方案的網絡，同頻率的Wi-Fi小區可以做到彼此之間相隔兩個不同頻的小區。由于距離較遠，小區間的同頻干擾風險很小。
在過去，使用40MHz信道的基礎上，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個信道來滿足網絡部署。
█ Wi-Fi 6E目前全球的發展情況
Wi-Fi 6E的設備普遍支持整個6GHz，但在具體的可使用頻率范圍上，設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）的規劃上繼續持研究觀望態度。
持這種策略的地區主要是歐盟，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的頻譜劃分有著影響。
在這個議題中，6425-7125MHz頻段在某些地區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的發展情況（數據來源于Wi-Fi Alliance）
從2021年開始，已經有大量支持Wi-Fi 6E的終端和網絡設備，目前整個Wi-Fi 6E的生態系統發展勢頭很好，預計今年還會有更多的主流設備開始支持Wi-Fi 6E。
圖 8 Wi-Fi 6E生態圈
█ 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工業政策和目前5G中波段的可用頻譜的數量有很大關系。
從下面高通發布的數據來看，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（數據來源于高通）
然而，從去年開始，香港特區政府率先開始規劃了Wi-Fi 6E在香港的使用。在特區政府去年發布的公開意見征集書中，提到了目前Wi-Fi網絡的擁擠對于企業和個人的影響。
經過幾個月的意見征集和討論，在今年四月份香港通信事務管理局發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在中國內地的一絲曙光。
從過去的C波段和毫米波5G的規劃，香港與大陸基本保持一致，只是在政策的發布時間上往往比大陸會先行一步。如果這個規律成立的話，在6GHz的頻譜規劃上，未來工信部可能會考慮Wi-Fi的需求。
事實上，Wi-Fi網絡擁塞問題不僅僅在香港，內地的大中型城市也面臨著同樣的問題。未來要想提升企業和家庭網絡的性能，僅僅靠5G，無論從企業成本、設備生態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中具有重大影響力的公司相比，我國在Wi-Fi行業中也有比如新華三、烽火、TP-link這樣的大型公司，甚至中興和華為本身的企業網事業部也是Wi-Fi生態系統的重要伙伴。
如果把6GHz完全分配給移動通信，對于以Wi-Fi產品和服務為主要業務的企業來說，無非是重大的打擊。尤其是未來Wi-Fi 7能否在中國發展，很大程度將取決于是否有足夠的頻譜資源。
從國內外技術的發展歷史來看，技術的更新經常變化莫測。由政府政策牽頭，孤注一擲某項技術，往往存在著誤判的風險。
工業政策對于市場的長期活力與產品的國際競爭力上，通常不如采用市場政策更加有效。讓企業自己通過公平市場競爭的方式，來決定未來的技術發展方向，會讓資本的分配更加合理，資源配置更加有效，也能讓企業自身擁有更強的活力。
█ Wi-Fi的未來
Wi-Fi技術，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——Wi-Fi 7的研究。Wi-Fi 7的學術名為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設備，也要到2025年，才能普及到市場上。
關于Wi-Fi 7的關鍵技術，我會在下一期的文章中給大家重點介紹。
圖 11 Wi-Fi 7的時間節點
（全文完）
本文作者唐欣博士，目前擔任Spectrum Lab技術總監。
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] 香港通信事務管理局 —設立類別牌照以規管用于無線區域網絡的6吉赫器件的使用和營商活動以及更改提供公共無線區域網絡服務類別牌照
[4] Khorov, E., Levitsky, I., & Akyildiz, I. F. (2020). Current status and directions of IEEE 802.11be, the future Wi-Fi 7.
責編：Admin
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