為什么Wi-Fi需要6GHz？

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）

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)絡容量，近年來，無線設(shè)備數(shù)量的極速增長，以及應用程序帶來的越來越高的速率需求，最終導致頻譜成為網(wǎng)絡容量的瓶頸。

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(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，任何一個節(jié)點出現(xiàn)瓶頸，都無法提升網(wǎng)絡的性能。過去在十兆到百兆光纖的時代，網(wǎng)絡速率的瓶頸往往是在光纖網(wǎng)絡本身。僅僅增加Wi-Fi的速率，對于網(wǎng)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(wǎng)絡，而企業(yè)光纖網(wǎng)絡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，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)品和服務為主要業(yè)務的企業(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] 香港通信事務管理局 —設(shè)立類別牌照以規(guī)管用于無線區(qū)域網(wǎng)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(qū)域網(wǎng)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.