Wi-Fi 6E技術分析

宮 劍，索仕杰

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

FCC于2020年4月23日投票決定開放 6 GHz頻段的頻譜，供非授權使用。這是自 1989年FCC為 Wi-Fi掃清道路以來最大的一次頻譜擴展，預計到 2020年底，設備將開始支持 6 GHz Wi-Fi，品牌名稱也將變?yōu)椤癢i-Fi 6E”。

來自Cisco[2]和愛立信的報告[3]為FCC這一決定做了數據需求方面的支撐。Cisco給出了一份預言報告，從現在到 2022年，移動數據流量將增加一倍以上。根據愛立信的數據，智能手機每月平均使用的數據量將從 2018年的7 G bytes增加到 2024年的 39 G bytes。這些移動數據流量中的很大一部分是通過Wi-Fi、藍牙和類似協(xié)議傳輸的。事實上，根據 Cisco公司的數據，到 2022年，59%的移動數據流量將通過 Wi-Fi下載。

1 Wi-Fi 6E簡介

Wi-Fi 6E中的“E”代表 Extention，是“擴展”的意思，雖然它跟LTE里面的“E”，Evolution代表“演進”的意思不同，但是我們知道Evolution要比Extention的步子大得多，Wi-Fi 6E可以說是“The evolution of next generation wireless access”，即下一代無線接入的Evolution。

為什么這樣說呢？ Wi-Fi 6E為Wi-Fi增加了 1，200 MHz（FCC：5，925 MHz–7，125 MHz）或者 500 MHz（EU：5，925 MHz–6，425 MHz）的新頻譜。因此，要明確的是，Wi-Fi 6E并不是 Wi-Fi協(xié)議的新版本，而只是將現有的Wi-Fi 6 （802.11ax）移動到一個非常大的新頻譜區(qū)域，所以它被稱為“Extention”而不是“Evolution”，從技術角度講，它不能算是一個非常大的變革，但它真的有可能改變游戲規(guī)則。

圖1 2.4GHz、5 GHz、6 GHz頻段Wi-Fi頻譜分配對比

由圖1[4]可知，目前 Wi-Fi在2.4 GHz的頻譜只有60 MHz–70 MHz，在5 GHz的頻譜只有 400 MHz–500 MHz，不同國家的情況有所不同。因此，在6 GHz中增加 1，200 MHz的額外頻譜是一個非常受歡迎的重大跳躍。而且，一旦 Wi-Fi 6E路由器問世，雖然大多數客戶端需要很長的時間才能實現 Wi-Fi 6E功能，但可以肯定的是，高端客戶端設備將立即全面切換并支持 Wi-Fi 6E。

Wi-Fi 6E允許“14個額外的 80 MHz信道或7個額外的 160 MHz信道”。這些信道不會相互重疊，所以會有助于減少擁堵，特別是在有很多網絡運行的地區(qū)。為什么這么說，我們來看一下 2.4 GHz的頻譜就知道是為什么了，很多信道在整個帶寬范圍內的頻譜是交疊的。對于 11ax的160 MHz帶寬，在大多數情況下是有名無實的，比如 5.1 GHz和5.8 GHz頻段為 5，150 MHz–5，350 MHz和5，725 MHz–5，850 MHz，也就是說在 5.1 GHz僅夠提供一個 160 MHz帶寬，而5.8 GHz根本無法提供一個完整的 160 MHz帶寬，除此之外，還會受到DFS的限制。

圖2 Wi-Fi 2.4G和5G信道劃分

所以可以明確的是，Wi-Fi 6E的出現一定可以在吞吐量上比任何其他頻段的Wi-Fi都更有優(yōu)勢。

2 設備分類及技術指標

2.1 設備模式分類和功率限值

如表1所示，FCC將AP設備模式分為低功率模式（low power）和標準功率模式（standard power）。

表1 FCC的Wi-Fi 6E設備分類和功率限值

（1）低功率模式（low power）：在“低功率”模式下，允許 AP使用整個1，200 MHz的頻譜，沒有 AFC限制，但范圍較小，而且只能在室內使用。

（2）標準功率模式（standard power）：在標準功率模式下，AP只允許使用850 MHz的頻譜（5，925 MHz–6，425 MHz；6，525 MHz–6，875 MHz），但必須使用自動頻率協(xié)調 AFC（Automated Frequency Coordination），FCC文件廣泛討論了“自動頻率協(xié)調”（AFC）系統(tǒng)，以避免現有許可設備（點對點微波）和新的非許可設備（AP）之間的沖突。例如：AP必須與 AFC聯(lián)系，“以獲得允許其運行的可用頻率范圍的列表，以及每個頻率范圍內的最大允許功率”。但是，AP必須向中央AFC系統(tǒng)報告其地理位置（例如：GPS位置），以及天線離地面的高度。FCC還要求提供AP的“FCC ID”以及接入點的序列號。

AP可以在“低功率模式”下運行，然后不受 AFC影響（但信號范圍會受到影響），或者 AP可以降低 GPS質量，向 AFC報告更大的一般“區(qū)域”，而不是精確的位置（但可以使用的頻率和功率等級可能會減少） ，這樣的好處是更好地保護了隱私。

2.2 頻譜發(fā)射模板和帶外發(fā)射限值

圖3為Wi-Fi 6E的帶內帶外頻段劃分，表 2和圖4分別用表格和圖的形式給出了 Wi-Fi 6E的頻譜發(fā)射模板指標：

圖3 Wi-Fi 6E的帶內帶外頻段劃分

表2 Wi-Fi 6E頻譜發(fā)射模板指標

圖4 Wi-Fi 6E的頻譜模板示意圖[5]

以上是對 Wi-Fi 6E帶內頻譜發(fā)射模板的限值定義，與 YD/T 3168-2016[6]中11ac的指標技術要求及ETSI 5 GHz RLAN[7]的技術要求是一致的。

對于U-NII-5和U-NII-8頻段以外的帶外發(fā)射限值：建議 -27 dBm/MHz，適用于所有 6 GHz unlicensed設備在 U-NII-5頻段lower （5.925 GHz）和U-NII-8頻段 upper（7.125 GHz）頻率的帶外輻射，但在子頻段之間，即U-NII-5和U-NII-6、U-NII-6和U-N II-7、U-N II-7和U-NII-8頻段之間不會進行限制。這個限值要松于 ETSI 5 GHz RLAN7中-30 dBm/MHz的絕對限值要求。

3 與Wi-Fi 6E同頻的現有業(yè)務

雖說大量的數據使用需求給 FCC提供了足夠多的驅動力，然而仍然要考慮到諸多同頻干擾因素，所以 FCC授權了兩種不同類型的操作——標準功率和室內低功率操作：標準功率的AP，使用自動化的頻率協(xié)調（AFC）系統(tǒng)。這些AP可以作為熱點網絡的一部分部署在任何地方。農村寬帶部署，或在需要時進行網絡容量升級。同時還授權室內低功率，在整個6 GHz頻段的低功率AP。這些AP將連接家庭和企業(yè)中的設備，如智能手機、平板設備、筆記本電腦和物聯(lián)網（IoT）的設備，如家電、機器、儀表、可穿戴設備和其他消費類電子產品以及用于制造的工業(yè)傳感器。

表3 與Wi-Fi 6E同頻的現有業(yè)務使用情況

如表3所示，這1，200 MHz的頻譜并非閑置，相反，被“現有服務”大量使用，來看一下美國6 GHz頻段在用的授權業(yè)務有哪些：一是固定微波服務（FS）例如：Google微波塔，如圖5、圖6所示。二是固定衛(wèi)星服務FSS，地面到衛(wèi)星通信（反之也是如此）。三是射電天文學。四是其他雜項服務，移動服務等。

圖5 與Wi-Fi 6E同頻的固定微波服務塔

圖6 美國固定業(yè)務鏈路分布圖

許可證持有者，特別是那些運營支持各種關鍵的點對點微波中繼器的公司，公用事業(yè)、商業(yè)和私人實體以及公共安全機構提供的服務是最大的，他們大量使用U-NII-5和U-NII-7頻段，在 U-NII-8頻段也有相對較少的活動，用于為商業(yè)無線供應商提供回程服務（如商業(yè)無線供應商之間的流量）。如，無線基站和有線網絡，以及協(xié)調鐵路列車運行的鏈路，天然氣和石油管道的控制、電網的管理和長途電話的管理服務。

固定衛(wèi)星服務（FSS）地球到空間在所有四個子頻帶中都有分配，除了 U-NII-8頻段的 7.075 GHz–7.125 GHz部分，FSS業(yè)務在 U-NII-5頻段最為繁忙，與 3.7 GHz–4.2 GHz的空對地頻段搭配，構成“常規(guī) C頻段”。FSS對這些頻率的主要用途包括向電視和廣播電臺分發(fā)內容，包括報道新聞和體育活動實況的移動天線、有線電視和小型主天線系統(tǒng)，以及電話和數據傳輸的回程。7.025 GHz–7.075 GHz的U-NII-8波段也是衛(wèi)星數字音頻無線電服務空間站的饋線上行鏈路。此外，FSS空間對地站在 U-NII-7和U-NII-8波段的部分區(qū)域運行，以滿足空間站的需求。

除了上述這些持牌的機構，分配表的注腳還促請采取“所有切實可行的步驟”，以保護在 6.650 GHz–6.6752 GHz內的射電天文服務觀察。最后，根據 Part 15中的規(guī)定，低功率無牌超寬帶系統(tǒng)（UWB）也在 6 GHz頻段內運行，他們對 unlicensed的6 GHz設備可能會造成的影響表示擔憂。

4 其他方面的限制

限制一：第 2章中我們提到了兩種設備類型的分類和功率限值，可以使用所有 1，200 MHz頻譜的低功率設備僅限在室內使用，距離是大大受限的?？梢栽谑彝馐褂玫臉藴使β试O備，則必須通過 AFC的控制，只有U-NII-5和U-NII-7的850 MHz的頻率可用。使用AFC的設備必須向集中式 AFC數據庫報告地理定位、地理定位精度、天線離地高度、設備 FCC ID和設備序列號，然后由數據庫返回可使用的頻率和功率水平。設備必須每天至少與 AFC數據庫聯(lián)系一次（失敗意味著停止工作；有一天的寬限期）。

限制二：允許 320 MHz帶寬的使用，但功率譜密度不能超過 5 dBm/MHz，而且客戶端的功率（譜）必須比AP小6 dB，如表 4所示：

表4 與Wi-Fi 6E最大EIRP及其譜密度限值

限制三：不允許標準功率和低功率室內AP在移動環(huán)境中運行，如汽車、火車、船舶或小型飛機。但在U-NII-5頻段，超過 10，000英尺運行的大型客機可以例外。

限制四：禁止在5.925 GHz–7.125 GHz頻段內使用發(fā)射機控制無人駕駛飛機系統(tǒng)或與之通信。與其他飛行器存在類似的問題，無人機系統(tǒng)增加了操作的復雜性，無法評估潛在風險及它們所帶來的有害干擾問題?；谏鲜鲈?，FCC不允許在無人駕駛的交通工具上使用標準功率設備和低功率的室內設備。

限制五：禁止客戶端進行熱點操作。對于 U-NII-5和U-NII-7頻段的標準功率設備，熱點操作可以讓額外的客戶端設備在 AFC無法操作的地方進行傳輸。對于室內小功率 AP，為了防止小功率 AP在室外使用，也應該將客戶端設備放在室內。此外，允許這種便攜式 AP會使識別和解決干擾變得困難。

限制六：FCC還就是否應要求將天線集成到設備中，還是允許用戶為其應用選擇合適的天線進行了征求意見：是否應要求沒有集成天線的產品的設備授權受讓人為該產品保存一份允許的天線清單？有些集團都支持要求室內設備或所有設備使用集成天線。然而，也有集團反對對集成天線的要求。Cambium認為，允許安裝連接器天線將使安裝人員有更大的靈活性，以選擇適合特定部署的天線，而且專業(yè)安裝人員可以將天線增益信息輸入設備，以便正確計算發(fā)射功率，滿足 EIRP限值。

FCC的觀點是，要求所有低功率設備都必須安裝永久連接的集成天線。這樣做帶來的好處就是，想要用更高增益的天線替換現有設備天線，難度就大大增加了，所以就可以避免設備的 EIRP超過限值，不會增加設備造成有害干擾的可能性。

而對于標準功率設備，FCC不會要求標準功率 AP使用永久連接的天線。FCC認為，如果要求在標準功率AP上使用永久連接的天線，可能限制過多。這些類型的設備通常由學校、企業(yè)和 WISP等在戶外使用，其配置方式是將天線安裝在桅桿或建筑物上，并通過電纜連接到一個單獨的發(fā)射器。此外，允許這類設備選擇合適的天線，還可以提供天線指向的選擇，將戶外設備發(fā)射功率超過 21 dBm EIRP的設備的天線仰角限制在 30度以下，以保護該頻段內的衛(wèi)星運行。還有，由于其他 U-NII頻段的設備沒有永久連接天線的要求，因此，對 6 GHz頻段的設備增加要求，可能會使制造商更難開發(fā)能夠跨多個頻段運行的設備。與現有的 Part15規(guī)則一致，標準功率AP設備授權的申請者將被要求列出將與設備一起使用的所有類型的天線，并證明該設備與其授權使用的所有類型的天線都符合 EIRP限值。

5 結束語

為了有助于確保美國在下一代無線通信領域的領先地位，FCC將6 GHz的這一大片頻譜供非授權使用，向所有美國人，特別是農村和服務不足地區(qū)的人提供寬帶連接，而且預計將與新的授權 5G服務協(xié)同工作，為消費者提供無處不在的全方位服務連接。

但基于以上的技術分析，Wi-Fi 6E雖然在頻譜上有較大的帶寬優(yōu)勢，但也并非是“天高任鳥飛，海闊憑魚躍”，有大量的同頻已授權業(yè)務和非授權業(yè)務存在并使用該段頻譜，為了能與這些現有業(yè)務和諧共存，FCC也不得不在諸多方面對它進行限制考慮。

Wi-Fi 6E將會為 Wi-Fi產業(yè)帶來哪些影響和改變，讓我們拭目以待！