為什麼Wi-Fi需要6GHz？

Wi-Fi作為最常用的一項網際網路接入技術，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。

根據思科網路提供的資料(如圖1)，2021年，全球50%的網際網路流量來自Wi-Fi。

圖 1 2021全球資料流量的接入技術佔比(資料來源於思科網路)

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路需求。

在前一期的文章中(連結)，我們講述了Wi-Fi 6中的一些新技術。透過這些技術，可以幫助緩解網路擁塞這一問題。

然而，即使無線工程師們能用眾多的黑科技來擴充網路容量，近年來，無線裝置數量的極速增長，以及應用程式帶來的越來越高的速率需求，最終導致頻譜成為網路容量的瓶頸。

目前，Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz兩個頻段已經非常擁擠。反映在使用者體驗上，就是網路延時的增加，使用者速率的下降，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，透過將Wi-Fi 6的工作頻段延伸到6GHz (5925-7125MHz)，以此來擴大網路容量。

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，可以讓效能發生質的飛躍。從圖 3中我們可以看到， 6GHz讓Wi-Fi通道數量擴充了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通道來說，5GHz可以提供4個普通訊道和8個DFS通道。(注：DFS通道的作用是保護雷達使用的頻率不受到干擾，當Wi-Fi裝置檢測到有雷達在使用該頻段時，Wi-Fi會自動避開該通道)

而在6GHz上，有多達29個不受DFS限制的40MHz通道，可供Wi-Fi裝置選擇。

█ 為什麼需要這麼多頻道?

回答這個問題，需要將網路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路，任何一個節點出現瓶頸，都無法提升網路的效能。過去在十兆到百兆光纖的時代，網路速率的瓶頸往往是在光纖網路本身。僅僅增加Wi-Fi的速率，對於網路的整體效能來說，並沒有太大的意義。

如今，隨著國家雙千兆基建專案的推進，越來越多的家庭可以用到上千兆速率的光網路，而企業光纖網路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裝置主要採用20MHz和40MHz兩種頻寬。我們的手機、Pad，通常也配有兩根Wi-Fi天線，來支援MIMO。

以圖 5中Aruba網路給出資料速率計算表來看，採用2路 MIMO，64QAM調製的Wi-Fi裝置在40MHz的頻寬下，理論最大速率只能達到344Mbps左右。(注：更高階的調製需要極好的無線通道訊雜比，在日常的生活使用中很難滿足這一條件)

圖 5 Wi-Fi 6下單通道理論最大資料速率

在使用者已經擁有千兆光纖的情況下，這樣的Wi-Fi效能就成為了網路中的瓶頸。這時，提升Wi-Fi的速率就變得有意義。

透過將頻寬增加到80MHz後，最大速率可以超過700Mbps，而160MHz頻寬更是能充分滿足千兆光纖的需求。

從對使用者的路由器使用分析，也能驗證頻寬增加這一趨勢。根據思科和Aruba對其使用者的分析，目前80MHz頻寬，逐漸成為家庭和企業在配置Wi-Fi網路時的預設選項。

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路容量嗎?為什麼還需要增加通道資源?

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資料速率，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裝置功耗。

第二，引入高階調製和更多通道MIMO，意味著射頻接收機對於無線通道的訊雜比要求更高，這就減小了小區覆蓋範圍和裝置的抗干擾程度。

而OFDMA的根本，是在於如何把蛋糕更有效的分配給使用者，並不能把蛋糕做大。因此，增加容量最為直接有效的方式，莫過於加寬頻寬，增加頻譜資源。

你可能還有疑問，現在5GHz上的Wi-Fi 6不是也可以支援80和160MHz頻寬嗎?為什麼需要Wi-Fi 6E?

回答這一個問題，就需要從網路多路由器部署的角度來討論了。

目前業界對於密集型Wi-Fi網路部署的黃金準則為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最佳化點。

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頻道重用方案的網路，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通道的基礎上，這種部署對於頻譜來說毫無壓力。

然而，當使用者把頻道升級到了80MHz頻寬時，目前的5GHz頻譜就不夠用了。

這時，Wi-Fi 6E就派上了用場。

從上面的通道圖中，我們可以看到，6GHz有多達14個80MHz的通道，可以充分滿足要求。即使未來，使用者升級到了160MHz頻寬，6GHz仍然可以提供7個通道來滿足網路部署。

█ Wi-Fi 6E目前全球的發展情況

Wi-Fi 6E的裝置普遍支援整個6GHz，但在具體的可使用頻率範圍上，裝置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著影響。

在這個議題中，6425-7125MHz頻段在某些地區有可能被識別為行動通訊頻段，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(資料來源於Wi-Fi Alliance)

從2021年開始，已經有大量支援Wi-Fi 6E的終端和網路裝置，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裝置開始支援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援將整個6GHz分配給5G和未來的6G行動通訊使用，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。

從下面高通釋出的資料來看，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(資料來源於高通)

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。在特區政府去年釋出的公開意見徵集書中，提到了目前Wi-Fi網路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訊事務管理局釋出的最終決策檔案中，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訊管理局的政策檔案，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，只是在政策的釋出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網路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路的效能，僅僅靠5G，無論從企業成本、裝置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行動通訊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完全分配給行動通訊，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，往往存在著誤判的風險。

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。讓企業自己透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裝置，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