思科的年度移動(dòng)視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù) (VNI) 預(yù)測(cè)

Wi-Fi 技術(shù)今年已邁入 20 年大關(guān)，它的成功是有目共睹的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的預(yù)期。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 最近宣布，考慮允許將 6 GHz 頻段中的 1200 MHz 頻譜開放給免許可應(yīng)用，與此同時(shí)，歐盟也有類似的舉措，承諾釋放出足夠的頻譜，推動(dòng) Wi-Fi 邁向全新高性能時(shí)代。

在 2018 年末，F(xiàn)CC 發(fā)布了擬定法規(guī)的通知，旨在推進(jìn)利用 5.925-7.125 (6 GHz) 頻段的 1200 MHz 頻譜部分實(shí)現(xiàn)免許可應(yīng)用的新機(jī)遇。Wi-Fi 用戶應(yīng)該為之欣喜，因?yàn)?6 GHz 頻段的 Wi-Fi 可能在 2020 年成為現(xiàn)實(shí)。為了解這一事件為何值得慶祝，我們研究了 6 GHz 頻段在免許可應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注，以及急需額外頻譜來維持 Wi-Fi 發(fā)展的原因。

思科的年度移動(dòng)視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù) (VNI) 預(yù)測(cè)，到 2022年，Wi-Fi 將承載 51% 的全球 IP 流量，高于其他任何有線或無線接入技術(shù)，而 Wi-Fi 熱點(diǎn)（包括家庭熱點(diǎn)）的總數(shù)有望在 2022 年達(dá)到 5.49 億個(gè)。

Wi-Fi 承載的互聯(lián)網(wǎng)流量高于其他任何無線技術(shù)。盡管可用頻率范圍小于 600 MHz（2.4 GHz 頻段為 70 MHz，5 GHz 頻段為 500 MHz），但這種情況還是發(fā)生了。不過，Wi-Fi 聯(lián)盟委托進(jìn)行的一項(xiàng)研究預(yù)測(cè)，到 2020 年，處理流量的頻譜短缺為 800 MHz，而到 2025 年這種短缺將達(dá)到 1.12 GHz。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了提供連續(xù)頻譜來啟用 160 MHz 寬通道（將來可能為 320 MHz）的重要性。6 GHz 頻段及其 1200 MHz 連續(xù)頻譜可以滿足增長(zhǎng)需求，這就是 FCC 目前正考慮使用它的原因。

為什么需要更多頻譜？

2.4 GHz 和 5 GHz 頻段中免許可頻譜的使用推動(dòng)了 Wi-Fi 的發(fā)展。它降低了新用戶的門檻，并推動(dòng)了低成本的部署，使 Wi-Fi 成為一種無處不在的本地網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。

但是，這也給它帶來了麻煩，由于免許可頻譜被大量設(shè)備（包括使用藍(lán)牙、Zigbee 和其他技術(shù)的非 Wi-Fi 設(shè)備）共享，迫使該技術(shù)在與許多用戶共存時(shí)做出妥協(xié)。附加免許可頻譜將解決用戶面臨的兩個(gè)主要問題:

擁塞- 目前可用的 Wi-Fi 通道數(shù)較少，這迫使許多用戶共用可用帶寬，從而造成擁塞。

80 MHz 和 160 MHz 通道可用性受限- 如今，連續(xù)頻譜十分有限，啟用 80 MHz 或 160 MHz 通道變得十分困難，然而，只有當(dāng)寬通道可用時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量。

通道擁塞

在使用 Wi-Fi 5(802.11ac) 的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)或使用 OFDM（正交頻分復(fù)用）接入技術(shù)的舊版 Wi-Fi 中，連接至同一通道的所有設(shè)備都會(huì)占用其容量。當(dāng)在具有大量設(shè)備的通道上連接時(shí)，用戶體驗(yàn)到的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)減少，因?yàn)槊總€(gè)用戶都需要等待輪流發(fā)送（或接收）數(shù)據(jù)。擁塞是由連接至同一接入點(diǎn)并共用同一通道的設(shè)備引起的。

盡管可能不那么直觀，但相鄰網(wǎng)絡(luò)中相同通道或重疊通道上的設(shè)備也會(huì)引起擁塞。所有這些設(shè)備都在爭(zhēng)奪接入同一 RF 通道頻譜的資格。在人員密集的市區(qū)、機(jī)場(chǎng)或體育場(chǎng)館中，Wi-Fi 信號(hào)從數(shù)百個(gè)接入點(diǎn)和客戶端設(shè)備發(fā)出，通道擁塞問題尤為嚴(yán)重。

2.4 GHz 和 5 GHz 頻段支持有限數(shù)量的非重疊 20 MHz 和 40 MHz 通道。Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6 (802.11ax) 標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì) 80 MHz 和 160 MHz 通道寬度的支持，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速度。但實(shí)際上極少部署更寬的通道。目前在 5 GHz 頻段中只有六個(gè) 80 MHz 通道和兩個(gè) 160 MHz 通道可用。

在人員密集的環(huán)境或大型企業(yè)中，很難找到一個(gè)不受重疊通道上設(shè)備干擾的 80 MHz 或 160 MHz 通道。為應(yīng)對(duì)這種情況，網(wǎng)絡(luò)管理員通常選擇禁用這些功能，從而限制其網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)速度。

以通常與電話、筆記本電腦和平板電腦一起使用的雙天線（MIMO 流）客戶工作站為例，40 MHz Wi-Fi 5 部署中可以達(dá)到的最高速度僅為 400 Mbps，而 Wi-Fi 6 部署在物理層上最高只能達(dá)到 574 Mbps。在 TCP 層（即可用數(shù)據(jù)吞吐量）上，結(jié)果處于上述數(shù)字的 60% 到 70% 范圍內(nèi)。

顯而易見，頻譜可用性限制將很快阻礙 Wi-Fi 技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，寬帶接入速度（DOCSIS、無源光網(wǎng)絡(luò)和家庭光纖）保持快速增長(zhǎng)，視頻流、VR/AR 和游戲等應(yīng)用需要的帶寬越來越高。此外，Wi-Fi 是 5G 技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)力，它可能會(huì)被廣泛用于分擔(dān)移動(dòng)流量，并通過 FWA（固定無線接入）提供 5G 室內(nèi)覆蓋。在不久的將來，如果頻譜可用性沒有任何改善，由于最終需要通過 Wi-Fi 接入所有服務(wù)，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)很可能會(huì)遇到瓶頸。

Wi-Fi 6和6 GHz頻段

切勿混淆 Wi-Fi 6 和 6 GHz 頻段 Wi-Fi，因?yàn)閮烧呤莾蓚€(gè)獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)的主題。

Wi-Fi 6 是 Wi-Fi 聯(lián)盟基于 IEEE 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)打造的一種全新用戶友好型技術(shù)名稱。802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)也已更名為 Wi-Fi 5，802.11n 現(xiàn)在更名為 Wi-Fi 4。這種全新命名方案旨在方便公眾識(shí)別設(shè)備已發(fā)展到第幾代，而無需記住復(fù)雜的 802.11 這一縮寫。

2×2 站點(diǎn)上可實(shí)現(xiàn)的最大物理層速度

IEEE 802.11ax 定義為在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段下運(yùn)行，許多設(shè)備制造商正在交付運(yùn)行在這些頻段下的 Wi-Fi 6 設(shè)備?，F(xiàn)階段已為在 5.925-7.125 GHz 頻段的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。運(yùn)行在 6 GHz 頻段上的 Wi-Fi 6 兼容型設(shè)備最早可于 2020 年上市。

Wi-Fi 6 引入了正交頻分多址 (OFDMA) 技術(shù)，已然成為一項(xiàng)革命性的標(biāo)準(zhǔn)。OFDMA 是 Wi-Fi 運(yùn)行方式的真正顛覆者，因?yàn)樗试S多個(gè)用戶同時(shí)傳輸。與用于先前幾代 Wi-Fi 的 OFDM 不同，OFDMA Wi-Fi 通道帶寬（20、40、80 或 160 MHz）可在多個(gè)用戶之間分配，這些用戶同時(shí)在稱為資源單元 (RU) 的較小子通道上傳輸。802.11ax 是解決網(wǎng)絡(luò)擁塞的重要一步。它的影響通常可比喻為從單車道公路 (OFDM) 升級(jí)為多車道高速公路 (OFDMA)。

但是，只有在客戶端設(shè)備和接入點(diǎn)廣泛采用 Wi-Fi 6 技術(shù)后，OFDMA 才有效。實(shí)際上，每當(dāng)傳統(tǒng)設(shè)備（11ac、11n 或更早版本）在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，都會(huì)恢復(fù)為單次傳輸占用整個(gè)頻譜的標(biāo)準(zhǔn) OFDM 模式。只有 Wi-Fi 6 設(shè)備能夠參與 OFDMA 傳輸。事實(shí)是，在大多數(shù)消費(fèi)類設(shè)備都采用 Wi-Fi 6 之前，用戶可能不會(huì)察覺到性能相比舊技術(shù)有了極大提高。

另一方面，將 6 GHz 頻段引入 Wi-Fi 應(yīng)用后，可以即時(shí)滿足所有 Wi-Fi 6 用戶的需求。6 GHz 頻段擁有足夠的頻譜來安全部署 80 MHz 或 160 MHz 寬的通道，同時(shí)可通過新建部署消除向后兼容性問題，因此可為 Wi-Fi 6 用戶提供極其出色的服務(wù)，能夠即時(shí)實(shí)現(xiàn)高吞吐率和無擁塞的網(wǎng)絡(luò)訪問。

深入了解6 GHz頻段

6 GHz 頻段也稱為中頻帶頻譜，范圍為 5.925 GHz 至 7.125 GHz。它分為四個(gè)頻段：

UNII-5：5925-6425 MHz (500 MHz)
UNII-6：6425-6525 MHz (100 MHz)
UNII-7：6525-6875 MHz (350 MHz)
UNII-8：6875-7125 MHz (250 MHz)

免許可國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施 (U-NII) 無線電頻段是 IEEE 802.11a 設(shè)備和許多無線 ISP 使用的無線電頻譜的一部分。U-NII 是 5 GHz 無線設(shè)備的 FCC 管制域。歐洲 HiperLAN 標(biāo)準(zhǔn)在與 U-NII 相同的頻段下運(yùn)行。

中頻帶頻譜目前已向在這些頻率中部署服務(wù)的授權(quán)用戶開放。例如，用戶包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路以及在體育賽事中將信號(hào)傳回演播室的移動(dòng)電視轉(zhuǎn)播車。目前，美國(guó)約有 10 萬個(gè)微波鏈路。這些鏈路的運(yùn)營(yíng)商包括公共運(yùn)營(yíng)商（AT&T 和 Verizon 等）、工商機(jī)構(gòu)（公用事業(yè)、鐵路、石油和天然氣）和公共安全機(jī)構(gòu)（安全、緊急服務(wù)和交通運(yùn)輸）。

這些運(yùn)營(yíng)商對(duì)與免許可服務(wù)的共存和可能存在的信號(hào)干擾表示擔(dān)憂。FCC 裁決可能包括減輕由 6 GHz 頻段 Wi-Fi 運(yùn)行所引起干擾的相關(guān)機(jī)制，具體措施包括使設(shè)備僅以低功率水平在室內(nèi)運(yùn)行或部署 AFC（自動(dòng)頻率協(xié)調(diào)）機(jī)制。

盡管這些共存過程還沒有最終確定，但 Wi-Fi 芯片和設(shè)備制造商已經(jīng)計(jì)劃在監(jiān)管機(jī)構(gòu)最終批準(zhǔn)后不久便提供產(chǎn)品。IEEE 在 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)的最新草案中增加了全新 6 GHz 頻段通道的定義。

美國(guó)很快會(huì)向 Wi-Fi 設(shè)備添加大量新通道，這有助于立即緩解擁塞并在運(yùn)行于 6 GHz 頻段下的 Wi-Fi 6 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速度。

59 個(gè) 20 MHz 通道
29 個(gè) 40 MHz 通道
14 個(gè) 80 MHz 通道
7 個(gè) 160 MHz 通道

總之，對(duì)于 Wi-Fi 6 用戶而言，6 GHz 頻段 Wi-Fi 意味著即時(shí)性能提升。盡管干擾問題仍然亟待解決，但為 Wi-Fi 開放 6 GHz 頻段是一項(xiàng)正確的舉措，可確保這種廣泛采用的無線技術(shù)能夠提供未來應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)需要的性能。