科普：为什么 Wi-Fi 需要 6GHz

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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）

　　从手机、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。

　　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）

　　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？

　　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。

　　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 个相邻路由，均使用不同的 Wi-Fi 频道。

　　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。

　　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。

　　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 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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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线GHz 的频谱规划上，未来工信部可能会考虑 Wi-Fi 的需求。