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美国2020年推出IEEE 802.11ax 6 GHz频段(Wi-Fi 6E)的优势与问题

IEEE 802.11ax 6-GHz Band (Wi-Fi 6E) Advantages & Considerations

6 GHz频段的推出

2020年标志着无线局域网(WLAN)历史上的一场革命。4月23日,美国联邦通信委员会(FCC)决定允许非授权使用6 GHz频段(5925 ~7125 MHz),预计其他地区和国家也将很快效仿。预计基于1200 MHz超宽频段的高速和大容量数据通信将被新开发的应用与服务所采用;WLAN是第一个支持6 GHz频段的非授权无线通信技术。

WLAN的频率资源

WLAN使用的频率因地区和国家而异。以美国为例,目前使用的两个2.4和5 GHz频段提供了总计572 MHz的频率资源。6 GHz频段的增加使可用资源比以前增加了三倍。

  • 2.4 GHz 频段: 总计72 MHz
    2.4 GHz band: 72 MHz total
  • 5 GHz 频段: 总计 500 MHz (不包括DFS频率时为180 MHz)
    5 GHz band: 500 MHz total (180 MHz when excluding frequencies for DFS)
  • 6 GHz 频段: 总计 1200 MHz
    6 GHz band: 1200 MHz total

WLAN技术的发展与历史

WLAN是一种无线数据通信技术,通常用在局域以太网。它最初被笔记本电脑等电池驱动设备采用,但随着智能手机的出现和使用量的增长而迅速普及。

当第一个规范WLAN技术的IEEE 802.11标准在1997年发布时,它只支持2.4 GHz频段,最大传输速度为2 Mbps。5 GHz频段的使用始于1999年发布的IEEE 802.11b标准(适用于2.4 GHz频段,最大传输速度为11 Mbps)以及802.11a标准(适用于5 GHz频段,最大传输速度为54 Mbps)。

虽然随后在5 GHz频段出现了一些扩展,但可用频率没有明显变化。然而,这20年来首次增加的新频段分配引起了极大的关注。

2.4/5 GHz频段的WLAN使用问题

在WLAN首次出现时,支持的设备数量很少,而且由于数据流量也很小,因此没有出现频率限制方面的重大问题。然而,随着智能手机使用量的爆炸式增长和演变以及新的视频流分发服务的增长,对WLAN通信的需求也发生了重大变化。

为了满足这一不断增长的需求,WLAN技术逐渐发展到更宽的信道带宽、高阶调制和空间复用。然而,由于快速增长的WLAN通信的可用频率宽度在过去20年几乎没有变化,WLAN分配的频率变得拥挤,使得到目前为止很难实现稳定的高速数据通信。

此外,由于COVID-19大流行引起的远程工作和在线学习等工作方式的改变,新的通信需求也加剧了这些困难。下面解释2.4/5 GHz频段的一些问题。

data-trafic

固定频率范围不能满足要求

最大带宽总计 580 MHz *

  • 2.4 GHz 频段: 80 MHz
  • 5 GHz 频段: 500 MHz*

*根据雷达使用条件,5 GHz频段只能使用到大约180 MHz的宽度。

与其他系统共享频率

由于2.4 GHz频段允许其他无线设备(例如微波炉、蓝牙、ZigBee)非授权使用,特别是低功率设备,因此短距离范围内的同时使用可能会导致通信干扰问题。最近,由于WLAN设备和蓝牙设备(真无线立体声和智能音箱)的快速增长,出现了严重的拥塞。

5 GHz频段让天气和航运雷达优先使用500MHz带宽中的320 MHz,而WLAN仅在不影响这些其他服务的条件下获得使用许可。当检测到雷达波时,没有自动切换WLAN频率的动态频率选择(DFS)功能的设备只能使用最多180 MHz连续带宽的频率用于通信。有些设备仅支持不需要DFS的频率。

160 MHz信道带宽利用率低

为了使用5 GHz宽频带实现高速数据通信,IEEE 802.11ac/ax规定了160 MHz信道带宽的使用。但在排除具有雷达优先权的频率范围时,即使一个信道也无法确保。即使在通常没有雷达波的位置,因为只有两个通道可以确保使用160 MHz,因此连接的客户端设备也更少。由于可能存在无法通信的客户端,因此,通常通过将信道带宽限制在40 MHz以内并增加信道数来支持操作。在预期这个问题的前提下,有许多设备不支持超过80 MHz的信道带宽。

由于与旧标准的互操作性,网络容量低

当小区中存在支持旧标准的客户端设备时,除非有一些限制,否则接入点(AP)将按照旧标准工作以保持连接。此时,支持最新标准的客户端设备将经历通信容量的下降,因为它们只能在该小区内使用旧标准进行通信。

空间复用技术的实现

为了提高传输速度,WLAN标准最多支持8个流。容纳多个内置天线要求天线之间的间隔不超过恒定距离;功耗也随着流的数量而增加。

由于智能手机等移动设备的尺寸大小,内置天线的数量和电池容量有限,因此有很多设备只支持一个流,通常只支持两个流。

WLAN 6 GHz 频段的优势

6 GHz频段作为未授权频段开放,解决了2.4/5GHz频段的许多问题。

  • 高达1.2 GHz的宽带解决了拥塞问题
  • 使用160 MHz信道的操作最终可行
  • 支持仅为支持IEEE 802.11ax的设备配置的高速、高效网络
  • 支持受最新WPA3技术保护的安全网络

采用 6 GHz 频段的问题

如上所述,6 GHz频带具有许多显著的优点。然而,到目前为止,这个频段还不能作为WLAN资源免费使用,因为之前已被授权系统优先使用。下面列出了使用6 GHz频段的一些问题。

保护现有系统的规则

为了确保高可靠性通信而不会给其他服务带来问题,6 GHz频段设备需要内置自动频率协调(AFC)功能来限制发射功率和抑制干扰。由于允许的频率、发射功率和功率密度根据设备角色(AP/基站)和位置(室内/室外)而不同,因此开发6 GHz频段的WLAN产品需要根据产品分类对产品是否符合规则进行充分评估。

主要许可服务

Predominant Licensed Services

非授权使用

Unlicensed Use

*自动频率协调

当操作室外WLAN AP时,关于不干扰该位置的许可系统的频率的信息从AFC系统捕获。

射频组件不成熟

此前无线通信一直使用6 GHz频段,但只有特定业务获得许可,无线产品数量有限。大多数设备在移动时不通信,但由于用于两个固定点之间的通信,因此无线设备很大,并且使用稳定的电源。另外,配对中的一个通信设备使用部分频率而不是整个1200 MHz频带。

由于智能手机在尺寸、质量、电源等方面都有很大的不同,因此有限的6 GHz区域所使用的部件无法转移。除了需要减小尺寸、减轻重量和节能,许可系统必须在整个1200 MHz范围内实现同等的通信性能。从来没有人经历过。此外,这种性能必须以相同的可接受价格提供给许多消费者。

解决这个问题的挑战刚刚开始,许多开发人员可能面临一个未知的问题。

开发6 GHz频段WLAN产品新应用解决方案

到目前为止,美国联邦通信委员会(FCC)释放的6 GHz频段已经开始使用,随着WLAN通信的不断增加,更多的问题可能会得到解决。然而,6 GHz频段WLAN产品的开发需要考虑挑战以下问题。

6 GHz频段WLAN产品开发的新策略

  • 整合与许可系统共存的功能
  • 支持大规模量产6GHz消费品
  • 在1200 MHz宽度范围内实现同质高射频性能
  • 支持160 MHz信道带宽

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