走近未來網(wǎng)絡(luò)之WiFi篇

許志堅 譚航

江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院

0 前言

1 WiFi的現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)特別是移動互聯(lián)網(wǎng)的普及和應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在人類的生產(chǎn)活動和生活方式的變革中扮演了重要的角色。以網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新為主要內(nèi)容的“中國新四大發(fā)明”帶給國人久違的自信和激情。

同時，在喧囂中我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識到，就網(wǎng)絡(luò)空間核心競爭力而言，雖然我們正在快速追趕，但與美國等發(fā)達國家還存在著較大的差距。關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)中屬于中國的僅有1%，2017年中國獨角獸企業(yè)超90家，僅次于美國，但基本集中在產(chǎn)品和模式創(chuàng)新上，軟件、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)分析等高門檻、高技術(shù)附加值領(lǐng)域沒有一家入選。缺少核心技術(shù)意味著，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟依賴程度與面臨的風(fēng)險同步增加。

為了爭奪網(wǎng)絡(luò)空間的話語權(quán)，美國、歐盟、日本等先后啟動了Internet2、PlanetLab、GENI、FIRE、PAWR等一系列試驗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項目，有效推進了這些國家和地區(qū)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。中國也在積極籌備，“未來網(wǎng)絡(luò)試驗設(shè)施項目”是通信行業(yè)唯一的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，以江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院為法人建設(shè)單位，清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、深圳信息通信研究院為共建單位，該項目將建成覆蓋全國的未來網(wǎng)絡(luò)試驗裝備，支撐“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略需求，滿足“十三五”和“十四五”期間國家關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)空間安全、天地一體化網(wǎng)絡(luò)等重大科技項目的試驗驗證需求，探索我國未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的技術(shù)路線和發(fā)展道路，在國際上爭取更大的話語權(quán)。

近年來，“未來網(wǎng)絡(luò)”逐漸成為了一個高頻詞，其覆蓋廣泛、內(nèi)容豐富，本文作為未來網(wǎng)絡(luò)科普系列的一部分，將從WiFi這個大家最熟悉的網(wǎng)絡(luò)入手，由淺至深，與大家共同了解網(wǎng)絡(luò)的過去與現(xiàn)在，共同展望網(wǎng)絡(luò)的未來。

對WiFi的熟悉，不僅僅是因為使用頻次高，與被動地使用運營商通信服務(wù)不同，它是具備自主搭建、自主管理特征的為數(shù)極少的網(wǎng)絡(luò)之一，從它入手，可以讓更多非通信從業(yè)者更容易地走近未來網(wǎng)絡(luò)。

WiFi以應(yīng)用場景劃分可以分為家用和公共，由于用途不同，技術(shù)側(cè)重點也截然不同。

1.1 家用 WiFi網(wǎng)絡(luò)

家用WiFi的主要目的是家庭上網(wǎng)，自從有了WiFi，人們擺脫了綜合布線的煩惱，可以隨處上網(wǎng)，還能夠支持手機、電視、PAD、電腦、智能電器等同時上網(wǎng)，在家庭局域網(wǎng)內(nèi)使用聯(lián)網(wǎng)游戲、視頻同傳等應(yīng)用。家庭WiFi以802.11g和802.11n為主，其接入速率完全能夠滿足正常網(wǎng)絡(luò)使用，主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是覆蓋范圍、安全性和干擾。

家庭環(huán)境下，電磁強度必須限定在安全的范圍里，這與保證各房間都有較好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋是矛盾的，較為常用的是采用信號放大器、中繼器、電力貓等方式增加信號覆蓋范圍，這些方法花費很小，簡單易學(xué)，人人都可以自己動手。

由于無線信號的無邊界性，使得家庭成員外的人也可以使用你的家庭WiFi，俗稱“蹭網(wǎng)”，網(wǎng)上所謂的“蹭網(wǎng)神器”、“WiFi萬能破解”等工具大行其道，如果僅僅是正常上網(wǎng)，對戶主的影響很小，但如果采用BT等工具大量下載，則會嚴(yán)重影響戶主的上網(wǎng)體驗，最明顯的是電視卡頓，打開網(wǎng)頁速度明顯變慢甚至打不開，但更為嚴(yán)重的是，如果蹭網(wǎng)者利用與戶主在相同VLAN的便利對戶主的信息進行采集和破解，則會帶來非常嚴(yán)重的安全后果。目前主要是建議戶主加強安全設(shè)置，比如采用更安全的加密認(rèn)證、更復(fù)雜的密碼、MAC地址過濾等。

WiFi使用開放頻段，缺少統(tǒng)一規(guī)劃，信號干擾的問題在當(dāng)前體系下很難解決，WiFi的使用頻段被限定在一定范圍內(nèi)，隨著WiFi數(shù)量增加，發(fā)射功率越做越大，無線信號不可避免地都重疊在一起，造成相互的干擾，造成卡頓、斷網(wǎng)等問題。最常見的緩解建議是，盡量使用5G頻段，或者采用信號分析工具先找到信號疊加最少的信道，并手工切換家庭WiFi的工作信道。

1.2 公共 WiFi網(wǎng)絡(luò)

公共WiFi網(wǎng)絡(luò)是指在公共場合提供的上網(wǎng)服務(wù)，最常見的是商戶的免費服務(wù)，比如賓館飯店、機場車站等，同時地方政府為了推進“智慧城市”，也在積極利用WiFi提供社會公益方面的便利。這些WiFi由于服務(wù)對象、上網(wǎng)需求、終端品類等差異性很大，設(shè)計的難度要遠超家庭WiFi，其技術(shù)挑戰(zhàn)也改變?yōu)榻尤肽芰?、信息安全、移動性方面?/p>

接入能力不足是公共WiFi的痛點，顯示為信號滿卻接不進去，即便接進去也傳不了數(shù)據(jù)。這其中主要的原因就是現(xiàn)有WiFi的空口排隊接入方式，連接的用戶越多，分配給每個用戶的空口時間就越少，上網(wǎng)速率就隨著用戶數(shù)的增加快速下降直至所有人都不可使用。最常見的解決方法就是增加AP的數(shù)量，但此法不可避免帶來干擾的增加，如需要大面積使用對資金壓力很大；還有人為減少低速終端空口時間的方法，提升整個系統(tǒng)的利用率，但會降低這部分用戶的使用感知。

信息安全則是公共WiFi的生命線，對使用者的身份無法有效驗證所帶來的安全問題相當(dāng)嚴(yán)峻，比如：利用公共WiFi散布危害國家安全、社會穩(wěn)定的不良信息；通過偽AP獲取個人關(guān)鍵信息，或推送克隆頁面引誘交易實施詐騙等。為了提升公共WiFi的安全性，制度管理上要求服務(wù)提供者必須具備用戶上網(wǎng)行為分析能力，具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的抽取及留存能力，具備危險地址黑名單等主動控制手段，具備對虛假AP的監(jiān)測與壓制手段。即便如此，當(dāng)前技術(shù)對犯罪事前發(fā)現(xiàn)和事中處置的及時性方面仍略顯不足。

固定區(qū)域服務(wù)是公眾WiFi最初的應(yīng)用場景，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的爆炸式發(fā)展，火車、飛機、汽車上也都配置了公共WiFi，當(dāng)前，移動WiFi不論連接質(zhì)量還是上網(wǎng)速度與固定場景反差較大，與三大運營商的移動網(wǎng)絡(luò)還存在不小的差距。WiFi的移動性早在十年前Wimax時代就有討論，將來WiFi具有一定的移動性是大勢所趨，尤其在低速場景下。

2 WiFi網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

雖然WiFi是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中當(dāng)之無愧的“網(wǎng)紅”，但是移動通信技術(shù)日新月異，類似“WiFi被5G所替代”這樣的論點時常被提起，引起各界熱烈探討。

5G又稱“第五代移動通信技術(shù)”，它的理論下行速率可以達到10Gbps。與前幾代移動通信技術(shù)強調(diào)系統(tǒng)能力相比，5G更加面向應(yīng)用、面向管理，強調(diào)針對不用應(yīng)用場景切片式的差異化服務(wù)定制、強調(diào)D2D（Device to Device）和M2M（Machine to Machine）、強調(diào)軟件定義和自組網(wǎng)管理，是一張能夠改變我們對傳統(tǒng)通信認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)，國家將其作為重要產(chǎn)業(yè)突破口，預(yù)計在2020年，5G盛宴會徐徐展開。

“5G替代WiFi”的一個論據(jù)是，三大運營商都在大力推無限流量套餐，“高帶寬+無限流量”不就是當(dāng)時WiFi贏得成功最有效的武器嗎？一張網(wǎng)能解決所有問題豈不更加完美？

筆者認(rèn)為，WiFi不但不會被替代，將來仍會有非常大的發(fā)展。原因很簡單，兩個技術(shù)存在非常多的差異化特征，兩張網(wǎng)絡(luò)都有巨大的擁躉。在技術(shù)替代中，技術(shù)本身是必要但非充分條件，會受到投資效益、運營成本、用戶習(xí)慣、需求特異性等因素的影響。

從商業(yè)角度考慮，移動通信所使用的無線電頻率在全世界任何國家都屬于稀缺資源，頻率分配的多少直接影響到用戶接入數(shù)量和通信質(zhì)量，歸根結(jié)底影響到運營商的收入。在國外很多國家，移動通信頻率采用競價的方式獲得，需要占用企業(yè)巨大的資金，在國內(nèi)，圍繞頻率的爭奪異常激烈，為了給新網(wǎng)絡(luò)騰出很小的一段頻率，運營商甚至忍痛放棄仍在正常使用的低代設(shè)備，從3G開始，4G和5G的更新周期非常短，運營商很多的前期投入還沒來得及回收，就進入了報廢與重建周期，5G的高密布點模式對運營商的資金也是很大的挑戰(zhàn)，在通信資費快速下滑的環(huán)境下，如此大規(guī)模的高風(fēng)險投入一定會對盈利有所期待。而WiFi采用的是免許頻率，免費就是它的優(yōu)勢，企業(yè)最大獲利與用戶最少付出之間的溝壑，絕不可能僅僅靠技術(shù)就可以填平。

從網(wǎng)絡(luò)流量角度考慮，競爭壓力下運營商都在推各種無限流量套餐，這種無限流量和WiFi的無限流量是一樣的嗎？每個辦過的人都有體會，無限流量套餐中，一種是在特殊資費下真正的無限流量，還有更多的是有條件的無限流量，比如一定流量后開始降速。不要指責(zé)國內(nèi)運營商，國外情況也是一樣，“投資需要回收，資源需要流向最高效之處”是基本的商業(yè)法則。5G的頻率效率和網(wǎng)絡(luò)能力得到提升，將來流量資費一定會越來越便宜。同時我們也要想到，到那個時候，電視也許普及8K了，交互也許AR/VR了，越來越多的人開始知道“ZB”有多大了，5G的無限流量套餐可否做到真正的無條件值得期待。

至于5G的高寬帶，更加不是替代WiFi的理由。早在2010年，從HSPA+開始，無線網(wǎng)絡(luò)的接入速度已不再是問題，移動終端屏幕小、處理能力差，完全無法享受到如此高速網(wǎng)絡(luò)的體驗，隨后DC、4G、4G+連續(xù)拋出，將無線網(wǎng)絡(luò)的接入速度拉升了十多倍，與移動終端處理能力的差距愈發(fā)明顯。所以說，速度問題不是5G替代WiFi的考慮因素，它和“3G和4G為什么不能替代WiFi”的答案相同。況且，拼速度5G一定拼不過WiFi，WiFi從出生伊始，就一直保持著相對移動通信網(wǎng)1個數(shù)量級的速度優(yōu)勢，它短距、非商業(yè)化、開放的血液，使它能夠更快地使用最新的技術(shù)，廣域網(wǎng)的技術(shù)局域網(wǎng)肯定能用，反過來則不成立。

從用戶習(xí)慣角度考慮，互聯(lián)網(wǎng)憑什么將根正苗紅的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)擠下舞臺，就憑兩個字——“自由”。“開放、平等、協(xié)作、快速、分享”是互聯(lián)網(wǎng)的精神所在，它給所有人提供了展示個人魅力的空間，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的封閉將用戶拱手讓給了對手。WiFi和5G之爭，精神層面的因素必須考慮。

還有產(chǎn)業(yè)成熟度、運營成本等此處不一一展開。5G是一項非常優(yōu)秀的技術(shù)，它一定會全方位改變我們的生活，讓我們享受到科技的盛宴。但“尺有所長、寸有所短”，能夠解決所有問題的萬能鑰匙至少在5G時代還沒有出現(xiàn)，5G一定會接管很多WiFi的功能，但同時，WiFi也會在其他領(lǐng)域里尋找到更多的機會。5G和WiFi不是替代關(guān)系，他們亦師亦友，共同提高。當(dāng)EC等新需求快速涌現(xiàn)的時代，誰能說這兩位大佬不會手拉著手站在我們面前呢？

基于開放頻段的LTE-U和LiFi，也是經(jīng)常被說起的能夠替代WiFi的技術(shù)，如果仔細分析，它們的應(yīng)用場景、適用廣泛性等方面還是有相當(dāng)明顯的局限，業(yè)界普遍認(rèn)為，LTE-U和LiFi在特定應(yīng)用場景上有超越WiFi的能力，卻難以成為整個產(chǎn)業(yè)的替代。

3 WiFi網(wǎng)絡(luò)的未來

根據(jù)思科NVI的預(yù)測，從2016年到2021年，全球范圍內(nèi)WiFi熱點總量將增長6倍。從目前的技術(shù)突破中，我們能夠看到未來WiFi的雛形，其改變主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 速度指數(shù)級提升

目前最新的802.11ac wave2，其理論最高速率能夠達到6.93Gbps，如此高速僅僅服務(wù)于覆蓋半徑20米左右的區(qū)域，從單個終端占用的帶寬比較，比5G要快得多。已經(jīng)公布的，工作于傳統(tǒng)2.4G/5G頻率下的802.11ax，其單個終端速率還要比802.11ac wave2高4倍，如果和5G一樣進入毫米波頻段，802.11ay速度可以達到176G，而這些突破僅僅是模仿了LTE的部分設(shè)計而實現(xiàn)的，所以業(yè)界對WiFi速度的繼續(xù)提升保持了高度的自信。802.11ax和802.11ay的產(chǎn)品估計會在2020年后，與5G移動網(wǎng)同時推出，將繼續(xù)保持WiFi在速度上超過移動通信網(wǎng)一個數(shù)量級的優(yōu)勢。

3.2 面向應(yīng)用、面向服務(wù)

傳統(tǒng)WiFi關(guān)注網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)較多，用戶感知關(guān)心較少。只強調(diào)網(wǎng)絡(luò)速度，卻忽視用戶的實際感受與理論值間的落差，未來WiFi的革新會越來越多地圍繞著客戶感知，從2012年802.11ac正式發(fā)布，經(jīng)過802.11ac wave2到2020年左右產(chǎn)品化的802.11ax，9年時間，WiFi網(wǎng)絡(luò)理論速率沒有改變，真實的用戶感知速率在不斷提升， 802.11ax喊出的目標(biāo)就是將用戶感知速率比802.11ac wave2提升4倍，從中可以明顯感覺到對服務(wù)的關(guān)注。在2018年的CES上，Wi-Fi聯(lián)盟宣布了下一代無線安全協(xié)議WPA3，它除了比目前廣泛使用的WPA2更安全之外，特別強調(diào)為公共WiFi下每個用戶提供個性化的加密及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理，“面向應(yīng)用、面向服務(wù)”相比當(dāng)下“面向接入”而言，賦予未來WiFi更強的生命力。

3.3 組網(wǎng)方式更加靈活

現(xiàn)代通信網(wǎng)規(guī)模越來越大、網(wǎng)元設(shè)備越來越復(fù)雜，組網(wǎng)方式向自主管理轉(zhuǎn)變，“自主規(guī)劃、自主配置、自主優(yōu)化、自主愈合”成為大勢所趨。傳統(tǒng)WiFi由于其商業(yè)定位的原因，缺少大規(guī)模協(xié)同組網(wǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。不論運營商大規(guī)模的AC+AP模式，還是家庭WDS模式，對技術(shù)的要求都太高，配置復(fù)雜，優(yōu)化與維護難度大。MESH自主網(wǎng)技術(shù)提供了比較好的解決思路，你可以想象，在一望無際的無人區(qū)，從飛機上播撒網(wǎng)球大小的通信設(shè)備，這些設(shè)備落地后能夠自動搜索周圍的伙伴，自動搭建一張通信網(wǎng)，自動形成并維護通信質(zhì)量最優(yōu)的路由，自動選擇主通道與衛(wèi)星相連，這該是多么讓人激動的場景。未來WiFi中的MESH不需要像事例中那么復(fù)雜，一旦發(fā)現(xiàn)單臺無線路由器覆蓋不足或接入終端太多，只要在合適的地方新增一臺設(shè)備，開電就可以和原來的設(shè)備自主組網(wǎng)，不需要任何配置就可以擴展覆蓋范圍、增加接入能力。MESH網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)自主優(yōu)化，實時計算最優(yōu)路由、調(diào)整流量規(guī)劃，以及單臺設(shè)備中斷后的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，所有的操作對用戶而言都是無縫透明的。目前已有少量的MESH功能設(shè)備出現(xiàn)，但與未來WiFi的要求還有一段較長的路去走。

3.4 網(wǎng)絡(luò)更加智能化

未來是大數(shù)據(jù)的時代、是AI的時代，誰擁有最新最全的數(shù)據(jù)，誰就占據(jù)了未來競爭的優(yōu)勢。WiFi的節(jié)點數(shù)量巨大，作為一種廉價的、開放的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它具有強大的自我生長能力，“增長快、成本低”的優(yōu)勢使傳統(tǒng)通信網(wǎng)不能望其項背，它天然具備數(shù)據(jù)采集的三大要素：全面性、多維性和高效性。如果僅僅作為啞終端設(shè)備，那是對資源的巨大浪費，同時，免費WiFi模式是否能夠持續(xù)取決于投資方的獲取是否達到預(yù)期，未來對數(shù)據(jù)資源的激烈爭奪恰好符合投資方的需要，可以預(yù)見，智能化的WiFi設(shè)備將在未來網(wǎng)絡(luò)中扮演更加重要的角色。WiFi設(shè)備的智能化體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）設(shè)備具有數(shù)據(jù)處理的能力。未來網(wǎng)絡(luò)的流量會指數(shù)級增長，通過集中化流量分析、行為分析的方式進行數(shù)據(jù)采集將會無謂耗費巨大的網(wǎng)絡(luò)資源，將來的終端必須具備基本的流量分析和行為分析能力，只需要將有價值數(shù)據(jù)傳遞給云端。

（2）設(shè)備具有服務(wù)定制的能力。面向上網(wǎng)是WiFi的初級階段，面向應(yīng)用才是WiFi的提升階段，不同的WiFi提供者對服務(wù)要求千差萬別，有的希望定位導(dǎo)購，有的希望差異化營銷，有的希望分群控制，等等。即便同樣是定位導(dǎo)購，不同的提供者的判斷邏輯和操作手段也千差萬別。未來的WiFi智能終端必須具備定制加載能力，采用NFV等未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不同的需求可以加載不同的功能，可以在網(wǎng)上選用通用模塊，也可以定制特定功能模塊；可以長期加載，也可以按需臨時加載。

（3）網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的包容性和持續(xù)增長能力。傳統(tǒng)WiFi的運營者有兩大痛點，第一設(shè)備兼容性差，AC、AP及其他工具強耦合，對設(shè)備廠商依賴性大。第二擴容困難，AC等核心設(shè)備價格昂貴，網(wǎng)絡(luò)流量的增速遠超過收入的增速，運營壓力大。未來的智能WiFi網(wǎng)絡(luò)通過SDN/NFV等技術(shù)，支持可編程接口，設(shè)備具有通用性，運營者可靈活選擇。同時，擴容從更換昂貴的專用設(shè)備，變更為在價格便宜的通用設(shè)備上加處理器、加內(nèi)存、加集群數(shù)量等方式，實現(xiàn)線性升級，最大限度保護投資效益。

4 結(jié)束語

雖然WiFi是最簡單的通信設(shè)備之一，但是從它的演進路徑中，我們能夠感受到未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，兼顧使用者和運營者的感知，圍繞智能化、云化、可編程化、虛擬化等新技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)能力、服務(wù)能力和應(yīng)用支撐能力推向極致。江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院正在建設(shè)的“未來網(wǎng)絡(luò)試驗設(shè)施”，將與科研院所、高等院校和通信企業(yè)等各界朋友一起，共同探索中國的未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展之路，相信中國的通信業(yè)即將迎來更精彩的春天。