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IEEE 802.11ax 6 GHz 頻段 (Wi-Fi 6E) 的優勢與挑戰

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

開放 6 GHz 頻段

2020 年象徵著無線區域網路 (WLAN) 歷史上的一場革命。美國聯邦通信委員會 (FCC) 於當地時間 2020 年 4 月 23 日決定,釋出 6 GHz 頻段 (5925至7125 MHz) 供非授權裝置使用,預計其他地區和國家很快地也將跟進。新的應用和服務的開發,預計將使用基於 1200 MHz 極寬頻譜資源的高速和大容量數據通訊;而在多項非授權的無線通訊技術中,WLAN 率先支援了 6 GHz 頻段。

WLAN 的頻譜資源

WLAN 所使用的頻譜資源依據地區和國家的不同而異。以美國為例,至今所使用的 2.4 GHz和5 GHz 這兩個頻段總共提供 572 MHz 的頻譜資源,而增加 6 GHz 頻段後,將使現有頻譜資源較先前大幅增加3倍。

  • 2.4 GHz 頻段:共計開放 72 MHz
    2.4 GHz band: 72 MHz total
  • 5 GHz 頻段:共計開放 500 MHz;如不包括動態頻率選擇(DFS)頻道,則開放頻譜資源約 180 MHz
    5 GHz band: 500 MHz total (180 MHz when excluding frequencies for DFS)
  • 6 GHz 頻段:共計開放 1200 MHz
    6 GHz band: 1200 MHz total

WLAN 技術的擴展與歷史

WLAN是一項用於數據通訊的無線技術,通常使用乙太網路 (Ethernet) 透過區域網路傳送。這項技術最初由電池供電的裝置 (例如筆記型電腦) 率先採用,而後隨著智慧型手機應用的出現和成長而快速擴展。

當 1997 年發佈規範 WLAN 技術的第一版 IEEE 802.11 標準時,該技術僅支援 2.4 GHz 頻段,最大傳輸速度為 2 Mbps。隨著 1999 年發佈 IEEE 802.11b 標準 (支援 2.4 GHz頻段,最大傳輸速度為11 Mbps) 和 802.11a 標準 (支援 5 GHz 頻段,最大傳輸速度為 54 Mbps) 後,開啟了 5 GHz 頻段的應用。

儘管隨後在 5 GHz 頻段中進行了一些擴展,但在可用頻譜資源方面並沒有顯著的變化。因此,此次算是在大約 20 年以來首次增加新的頻段分配,引發業界廣泛關注。

在 2.4/5 GHz 頻段中使用 WLAN 的挑戰

當 WLAN 一開始出現之際,支援這項技術的裝置數量並不多,由於數據流量也很小,因此在頻率限制方面並無太大問題。然而,隨著智慧型手機用量的爆炸式增加與發展,以及新的視訊串流分佈式服務成長,提高了對於 WLAN 通訊的需求,也帶來了重大變化。

為了滿足這一不斷成長的需求,WLAN 技術持續發展,並結合了更寬的通道頻寬、高階調變以及空間多工。然而,對於快速成長的 WLAN 通訊而言,其所能使用的頻寬在整個20年來幾乎沒有太大的改變,因此,WLAN 分配到的頻譜資源變得很擁擠,至今仍難以實現穩定的高速數據通訊。

再者,由於新冠肺炎 (COVID-19) 疫情引起的工作型態改變,例如遠端工作和線上學習等,帶來新的通訊需求,更進一步加劇了這些難題。本文接下來將解釋 2.4/5 GHz 頻段的一些問題。

data-trafic

固定頻率範圍難以滿足需求

共計580 MHz的最大頻寬*

  • 2.4 GHz 頻段:開放 80 MHz
  • 5 GHz 頻段:開放 500 MHz*

* 5 GHz 頻段最多只能使用約 180 MHz 的頻寬,具體取決於雷達的使用情況。

與其他系統共用頻譜

由於 2.4 GHz 頻段允許其他無線設備免授權使用,例如微波爐、藍牙、ZigBee 以及特別是各種低功率裝置,但在短距離範圍內同時使用可能引起通訊干擾問題。近來,不只是因為 WLAN 裝置快速成長,藍牙 (真無線藍牙耳機和智慧音箱) 等裝置也迅速增加,因而造成了嚴重的擁塞。

5 GHz 頻段優先將 500 MHz 頻寬中的 320 MHz 優先用於氣象雷達和船艦雷達,而 WLAN 則僅在不至於干擾到這些服務的條件下才獲授權使用。不支援動態頻率選擇 (DFS) 功能的裝置在偵測到雷達波時會自動切換 WLAN 頻率,使其只能使用最多約 180 MHz 的頻寬通訊,而且有些裝置僅支援這一頻譜但並不需要 DFS 功能。

160 MHz 通道頻寬利用率低

為了使用較寬的 5 GHz 頻段實現高速數據通訊,IEEE 802.11ac/ax 規定使用高達 160 MHz 的通道頻寬。然而,當排除雷達優先使用的頻率範圍後,幾乎無法確保任何一個通道可用。即使是在通常沒有雷達波的地方,由於使用 160 MHz 只能確保兩個通道可用,因而可連接的客戶端裝置更少。由於可能會有客戶端無法順利進行通訊,一般來說,其所支援的運作方式是將通道頻寬限制於 40 MHz 之內以及增加通道數。另一方面也因為預期到這一問題,許多裝置並不支援超過 80 MHz 的通道頻寬。

與舊標準互通導致網路容量低

當一個基地台中存在支援舊標準的客戶端裝置時,除非設定一些限制,否則無線存取點 (AP) 將會按照舊標準進行操作以維持連線。此時,支援最新標準的客戶端裝置通訊能力將會下降,因為這些新裝置在該基地台時只能以舊標準來通訊。

建置空間多工技術

為了提高傳輸速度,WLAN 標準最多支援 8 個傳輸串流。為了容納多支內建天線,天線之間的距離必須不超過一定的距離;此外,其功率消耗也會根據串流的數量而增加。

由於諸如智慧型手機等行動裝置的尺寸大小限制,內建天線的數量和電池容量也會受到限制,因此有許多裝置僅支援 1 個傳輸串流,通常最多也就僅支援 2 個串流。

WLAN 6 GHz 頻段的優點

FCC 開放 6 GHz 頻段作為未授權頻段,解決了 2.4/5 GHz 頻段的許多問題。

  • 支援達 1.2 GHz 的較寬頻段,解決了擁塞問題
  • 最終落實以 160 MHz 通道進行操作
  • 支援僅由 IEEE 802.11ax 裝置配置的高速、高效率網路
  • 支援以最新 WPA3 技術保護的安全網路

使用 6 GHz 頻段的挑戰

如上所述,6 GHz 頻段具有許多明顯的優勢。然而直到現在,這一頻段還無法自由地用作 WLAN 資源,因為先前已將優先權分配給獲授權的系統了。以下列出使用 6 GHz 頻段的一些挑戰:

保護現有系統的規定

為了確保高可靠性的通訊而不至於對其他服務造成干擾等問題,支援 6 GHz 頻段的裝置必須內建自動頻率協調 (Automated Frequency Coordination;AFC) 功能,以便限制發射 (Tx) 功率和抑制干擾。由於允許的可用頻率、Tx 功率和功率密度根據裝置的角色 (AP/基地台) 和位置 (室內/戶外) 不同而有差異,因此,開發 6 GHz 頻段的 WLAN 產品必須依據其產品分類,充份評估產品是否符合以下規定。

主要的授權服務

Predominant Licensed Services

未授權使用

Unlicensed Use

*自動頻率協調(Automated Frequency Coordination;AFC)

當操作戶外 WLAN AP 時,將會從 AFC 系統中擷取不會在該位置干擾授權系統的相關頻率資訊。

射頻元件不夠成熟

6 GHz 頻段先前一直用於無線通訊,但只有特定的通訊業務才能獲得授權,而且無線產品的數量也受到限制。大多數裝置在移動中無法進行通訊,但由於使用在兩個固定點之間進行通訊,因此無線設備較大且使用穩定的電源。此外,該配對通訊裝置之一雖使用了部份頻譜,但並未佔用整個 1200 MHz 頻段。

由於智慧型手機在尺寸大小、品質、電源及其他特性等方面存在很大差異,因此在受限制的 6 GHz 區域所使用的零組件無法轉移。儘管需要縮減尺寸、減輕重量和節省功率,但授權系統必須在整個 1200 MHz 範圍內實現同等的通訊性能,這以往從未做到的。此外,還必須以同樣可接受的價格將此性能提供給消費者。

解決此問題的過程才剛剛開始,許多開發人員可能還面對其他未知的挑戰。

為 6 GHz 頻段 WLAN 產品開發新應用的解決方案

到目前為止,美國 FCC 釋出免授權使用的 6 GHz 頻段現在已經可以開始使用,隨著 WLAN 通訊持續增加,許多挑戰可望獲得解決。然而,開發 6 GHz 頻段的 WLAN 產品仍將需要考慮以下因素:

開發 6 GHz 頻段 WLAN 產品的新策略

  • 結合能與授權系統共存的新功能
  • 支援 6 GHz 消費產品的大規模量產
  • 在 1200 MHz 頻寬上實現同質的高 RF 性能
  • 支援 160 MHz 通道頻寬

Anritsu 安立知的無線連接測試儀 MT8862A 是專為開發 WLAN 設備打造的測量儀器,同時也為開發 6 GHz 頻段產品的工程師提供了穩定且可信賴的測試解決方案。憑藉其測量 RF TRx 特性的功能,MT8862A 現可支援 6 GHz 頻段。

如有任何支援 6 GHz 頻段與相關測試需求,請聯繫我們

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