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为什么Wi-Fi需要6GHz?
网络 网络优化
目前,Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz两个频段已经非常拥挤。反映在用户体验上,就是网络延时的增加,用户速率的下降,Wi-Fi路由器之间的干扰变得越来越频繁。

Wi-Fi作为最常用的一项互联网接入技术,与我们每个人的生活息息相关。

尤其是过去两年,因为疫情的原因,越来越多的社会活动都从线下转到了线上,Wi-Fi在其中发挥了巨大的作用,显著减少了疫情对社会和经济的影响。

根据思科网络提供的数据(如图1),2021年,全球50%的互联网流量来自Wi-Fi。

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图 1 2021全球数据流量的接入技术占比(数据来源于思科网络)

在过去的20多年,Wi-Fi靠着仅有的2.4GHz和5GHz两个频段(共600多MHz频谱),承载着不断增长的网络需求。

在前一期的文章中(链接),我们讲述了Wi-Fi 6中的一些新技术。通过这些技术,可以帮助缓解网络拥塞这一问题。

然而,即使无线工程师们能用众多的黑科技来扩充网络容量,近年来,无线设备数量的极速增长,以及应用程序带来的越来越高的速率需求,最终导致频谱成为网络容量的瓶颈。

目前,Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz两个频段已经非常拥挤。反映在用户体验上,就是网络延时的增加,用户速率的下降,Wi-Fi路由器之间的干扰变得越来越频繁。

为了应对这一挑战,在Wi-Fi 6推出不久,Wi-Fi行业又积极推动了Wi-Fi 6E的发展。Wi-Fi 6E沿用了目前Wi-Fi 6的核心技术,通过将Wi-Fi 6的工作频段延伸到6GHz (5925-7125MHz),以此来扩大网络容量。

如图 2所示,新增的1200MHz,让Wi-Fi的频谱资源比过去增加了2倍。

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图 2 Wi-Fi频段发展历史

6GHz的频谱,对于Wi-Fi来说,可以让性能发生质的飞跃。从图 3中我们可以看到, 6GHz让Wi-Fi信道数量扩充了2倍。

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图 3 2.4,5和6GHz Wi-Fi的频道数量

以目前最常使用的40MHz信道来说,5GHz可以提供4个普通信道和8个DFS信道。(注:DFS信道的作用是保护雷达使用的频率不受到干扰,当Wi-Fi设备检测到有雷达在使用该频段时,Wi-Fi会自动避开该信道)。

而在6GHz上,有多达29个不受DFS限制的40MHz信道,可供Wi-Fi设备选择。

为什么需要这么多频道?

回答这个问题,需要将网络的各个节点作为一个整体看待。

手机、电脑到无线路由和后续的光纤网络,任何一个节点出现瓶颈,都无法提升网络的性能。过去在十兆到百兆光纤的时代,网络速率的瓶颈往往是在光纤网络本身。仅仅增加Wi-Fi的速率,对于网络的整体性能来说,并没有太大的意义。

如今,随着国家双千兆基建项目的推进,越来越多的家庭可以用到上千兆速率的光网络,而企业光纤网络的速率更是可以达到10Gb。

光纤技术还在不断的更新,50Gbps以上的光纤技术早在2018年就出现在国际电信联盟(ITU)的发展蓝图下了,预计不用多久就会出现商用产品。

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图 4 ITU光纤技术发展蓝图

过去,Wi-Fi设备主要采用20MHz和40MHz两种带宽。我们的手机、Pad,通常也配有两根Wi-Fi天线,来支持MIMO。

以图 5中Aruba网络给出数据速率计算表来看,采用2路 MIMO,64QAM调制的Wi-Fi设备在40MHz的带宽下,理论最大速率只能达到344Mbps左右。(注:更高阶的调制需要极好的无线信道信噪比,在日常的生活使用中很难满足这一条件)

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图 5 Wi-Fi 6下单通道理论最大数据速率

在用户已经拥有千兆光纤的情况下,这样的Wi-Fi性能就成为了网络中的瓶颈。这时,提升Wi-Fi的速率就变得有意义。

通过将带宽增加到80MHz后,最大速率可以超过700Mbps,而160MHz带宽更是能充分满足千兆光纤的需求。

从对用户的路由器使用分析,也能验证带宽增加这一趋势。根据思科和Aruba对其用户的分析,目前80MHz带宽,逐渐成为家庭和企业在配置Wi-Fi网络时的默认选项。

写到这里,你可能会有疑问,上一期的文章中不是提到,OFDMA、高阶调制和更多的MIMO等技术可以提升速率和网络容量吗?为什么还需要增加信道资源?

其实原因很简单,天下没有免费的午餐。

MIMO虽然可以提供多通道来增加数据速率,但代价一是增加的通道需要相应的收发机通道,这就增加了Wi-Fi设备功耗。

第二,引入高阶调制和更多通道MIMO,意味着射频接收机对于无线信道的信噪比要求更高,这就减小了小区覆盖范围和设备的抗干扰程度。

而OFDMA的根本,是在于如何把蛋糕更有效的分配给用户,并不能把蛋糕做大。因此,增加容量最为直接有效的方式,莫过于加宽带宽,增加频谱资源。

你可能还有疑问,现在5GHz上的Wi-Fi 6不是也可以支持80和160MHz带宽吗?为什么需要Wi-Fi 6E?

回答这一个问题,就需要从网络多路由器部署的角度来讨论了。

目前业界对于密集型Wi-Fi网络部署的黄金准则为7频道重用方案。这个方案是平衡频谱使用效率和小区间干扰的一个最佳优化点。

所谓7频道重用方案,是指在一个无线路由周围的6个相邻路由,均使用不同的Wi-Fi频道。

以图 6中一层办公空间的Wi-Fi部署为例。

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图 6 7频道Wi-Fi小区部署方案

采用7频道重用方案的网络,同频率的Wi-Fi小区可以做到彼此之间相隔两个不同频的小区。由于距离较远,小区间的同频干扰风险很小。

在过去,使用40MHz信道的基础上,这种部署对于频谱来说毫无压力。

然而,当用户把频道升级到了80MHz带宽时,目前的5GHz频谱就不够用了。

这时,Wi-Fi 6E就派上了用场。

从上面的信道图中,我们可以看到,6GHz有多达14个80MHz的信道,可以充分满足要求。即使未来,用户升级到了160MHz带宽,6GHz仍然可以提供7个信道来满足网络部署。

Wi-Fi 6E目前全球的发展情况

Wi-Fi 6E的设备普遍支持整个6GHz,但在具体的可使用频率范围上,设备厂商需要满足各国的频段要求。

国际上对于6GHz Wi-Fi的频谱分配主要是有两种方向,第一种是以ITU Region 2(美洲)为主的一步到位式,即将整个1.2GHz频谱(5925-7125MHz)都开放给Wi-Fi使用。

第二种采用的是循序渐进的方式,先开放低6GHz频段(5925-6425MHz)的500MHz供Wi-Fi使用,而在高6GHz

(6425-7125MHz)的规划上继续持研究观望态度。

持这种策略的地区主要是欧盟,澳大利亚,日本等国家。

这其中一个主要原因,是WRC-23 议程1.2中的一个重要议题对这些国家和地区的频谱划分有着影响。

在这个议题中,6425-7125MHz频段在某些地区有可能被识别为移动通信频段,供未来的5G甚至6G使用,我国也是这个议题的积极支持者之一。

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图 7 全球Wi-Fi 6E的发展情况(数据来源于Wi-Fi Alliance)

从2021年开始,已经有大量支持Wi-Fi 6E的终端和网络设备,目前整个Wi-Fi 6E的生态系统发展势头很好,预计今年还会有更多的主流设备开始支持Wi-Fi 6E。

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图 8 Wi-Fi 6E生态圈

中国会批准Wi-Fi 6E的使用吗?

在6GHz这个议题上,我们国家工信部在WRC-19前后的态度一直是支持将整个6GHz分配给5G和未来的6G移动通信使用,Wi-Fi 6E在中国并没有受到太多的重视。

这和我们国家的5G工业政策和目前5G中波段的可用频谱的数量有很大关系。

从下面高通发布的数据来看,中国在中波段的5G频谱只有2.6GHz上的100MHz和3.5GHz上的300MHz,这其中还包括 3.3-3.4GHz 专门分配给室内5G使用。

总体来说,中波段频谱总量少于欧盟、北美以及日韩。

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图 9 全球 5G 频谱分配(数据来源于高通)

然而,从去年开始,香港特区政府率先开始规划了Wi-Fi 6E在香港的使用。在特区政府去年发布的公开意见征集书中,提到了目前Wi-Fi网络的拥挤对于企业和个人的影响。

经过几个月的意见征集和讨论,在今年四月份香港通信事务管理局发布的最终决策文件中,香港采取了循序渐进的模式,即仿照欧盟,先开放6GHz中的低500MHz供给Wi-Fi使用。对于高700MHz,香港将关注WRC-23 议程1.2的议题讨论。

我在参考文献中附上了通信管理局的政策文件,有兴趣的同学可以自行研究一下。

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图 10 香港通讯事务管理局 Wi-F i6E公开意见征集书

香港的这一频谱政策,让人微微看到Wi-Fi 6E在中国内地的一丝曙光。

从过去的C波段和毫米波5G的规划,香港与大陆基本保持一致,只是在政策的发布时间上往往比大陆会先行一步。如果这个规律成立的话,在6GHz的频谱规划上,未来工信部可能会考虑Wi-Fi的需求。

事实上,Wi-Fi网络拥塞问题不仅仅在香港,内地的大中型城市也面临着同样的问题。未来要想提升企业和家庭网络的性能,仅仅靠5G,无论从企业成本、设备生态以及三大运营商的负荷能力来说,都是远远不够的。

另外,即使不能和中兴、华为和中移动这样在国际移动通信行业中具有重大影响力的公司相比,我国在Wi-Fi行业中也有比如新华三、烽火、TP-link这样的大型公司,甚至中兴和华为本身的企业网事业部也是Wi-Fi生态系统的重要伙伴。

如果把6GHz完全分配给移动通信,对于以Wi-Fi产品和服务为主要业务的企业来说,无非是重大的打击。尤其是未来Wi-Fi 7能否在中国发展,很大程度将取决于是否有足够的频谱资源。

从国内外技术的发展历史来看,技术的更新经常变化莫测。由政府政策牵头,孤注一掷某项技术,往往存在着误判的风险。

工业政策对于市场的长期活力与产品的国际竞争力上,通常不如采用市场政策更加有效。让企业自己通过公平市场竞争的方式,来决定未来的技术发展方向,会让资本的分配更加合理,资源配置更加有效,也能让企业自身拥有更强的活力。

Wi-Fi的未来

Wi-Fi技术,还在一直更新。

在2019年Wi-Fi 6刚刚问世不久,802.11工作小组就开始了下一代Wi-Fi技术——Wi-Fi 7的研究。Wi-Fi 7的学术名为802.11be,使用与目前Wi-Fi 6E完全相同的频谱资源。

目前Wi-Fi 7的标准工作还在紧锣密鼓的进行中,第一个Release已于今年年初确定下来。完整的标准的工作,需要在2024年之后才能最终确定。而认证的Wi-Fi 7设备,也要到2025年,才能普及到市场上。

关于Wi-Fi 7的关键技术,我会在下一期的文章中给大家重点介绍。

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图 11 Wi-Fi 7的时间节点

本文作者唐欣博士,目前担任Spectrum Lab技术总监。

参考文献

[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] 香港通信事务管理局 —设立类别牌照以规管用于无线区域网络的6吉赫器件的使用和营商活动以及更改提供公共无线区域网络服务类别牌照

[4] Khorov, E., Levitsky, I., & Akyildiz, I. F. (2020). Current status and directions of IEEE 802.11be, the future Wi-Fi 7.


责任编辑:武晓燕 来源: 鲜枣课堂
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