Wi-Fi 作為最常用的一項互聯網接入技術，與我們每個人的生活息息相關。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到了線上，Wi-Fi 在其中發揮了巨大的作用，顯著減少了疫情對社會和經濟的影響。根據思科網絡提供的數據（如圖 1），2021 年，全球 50% 的互聯網流量來自 Wi-Fi。
▲ 圖 1 2021 全球數據流量的接入技術佔比（數據來源於思科網絡）
在過去的 20 多年，Wi-Fi 靠着僅有的 2.4GHz 和 5GHz 兩個頻段（共 600 多 MHz 頻譜），承載着不斷增長的網絡需求。
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。通過這些技術，可以幫助緩解網絡擁塞這一問題。
然而，即使無線工程師們能用眾多的黑科技來擴充網絡容量，近年來，無線設備數量的極速增長，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絡容量的瓶頸。
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，對於 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。（註：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。
█ 為什麼需要這麼多頻道？
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、電腦到無線路由和後續的光纖網絡，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，對於網絡的整體性能來說，並沒有太大的意義。
如今，隨着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 設備主要採用 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，採用 2 路 MIMO，64QAM 調製的 Wi-Fi 設備在 40MHz 的帶寬下，理論最大速率只能達到 344Mbps 左右。（註：更高階的調製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。
寫到這裡，你可能會有疑問，上一期的文章中不是提到，OFDMA、高階調製和更多的 MIMO 等技術可以提升速率和網絡容量嗎？為什麼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，引入高階調製和更多通道 MIMO，意味着射頻接收機對於無線信道的信噪比要求更高，這就減小了小區覆蓋範圍和設備的抗干擾程度。
而 OFDMA 的根本，是在於如何把蛋糕更有效的分配給用戶，並不能把蛋糕做大。因此，增加容量最為直接有效的方式，莫過於加寬帶寬，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？為什麼需要 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。
目前業界對於密集型 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
採用 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。由於距離較遠，小區間的同頻干擾風險很小。
在過去，使用 40MHz 信道的基礎上，這種部署對於頻譜來說毫無壓力。
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範圍上，設備廠商需要滿足各國的頻段要求。
國際上對於 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。
第二種採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着影響。
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（數據來源於 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
█ 中國會批准 Wi-Fi 6E 的使用嗎？
在 6GHz 這個議題上，我們國家工信部在 WRC-19 前後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 在中國並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係。
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，中波段頻譜總量少於歐盟、北美以及日韓。
▲ 圖 9 全球 5G 頻譜分配（數據來源於高通）
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徵集書中，提到了目前 Wi-Fi 網絡的擁擠對於企業和個人的影響。
經過幾個月的意見徵集和討論，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，香港採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。對於高 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 公開意見徵集書
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 生態系統的重要夥伴。
如果把 6GHz 完全分配給移動通信，對於以 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，很大程度將取決於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，往往存在着誤判的風險。
工業政策對於市場的長期活力與產品的國際競爭力上，通常不如採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 已於今年年初確定下來。完整的標準的工作，需要在 2024 年之後才能最終確定。而認證的 Wi-Fi 7 設備，也要到 2025 年，才能普及到市場上。
關於 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
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於無線區域網絡的 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.