为什么Wi-Fi需要6GHz?

2022年06月01日 20:24 次阅读 稿源:鲜枣课堂 条评论

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

▲ 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

▲ 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。

▲ 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)

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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。

▲ 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.

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