Wi-Fi 6E 6GHz 頻譜 FCC 無線連接

1200MHz連續頻譜駕到　Wi-Fi 6E揭開6GHz頻段新篇章

2022-09-01

Cisco

2020年4月，美國聯邦通訊委員會(FCC)宣布為Wi-Fi和其他未授權裝置開放6GHz頻段。這是件好事，可說是自從Wi-Fi 6和正交分頻多重接取(OFDMA)出現以來，在Wi-Fi領域發生過最好的事情之一。

在進一步分析這成為Wi-Fi里程碑的原因前，得先注意到，自1985年在美國出現至今，Wi-Fi在2.4和5GHz頻段上總共只獲得了583MHz的頻譜，為多次獨立授予頻譜的過程中逐漸累積的結果。Wi-Fi的普及率穩步上升，提供明顯的經濟效益，與此同時，Wi-Fi的性能也不斷提升，導致Wi-Fi在2.4和5GHz頻段的發展已達極限。

2020年4月，在「未授權使用實驗」進行了35年之後，Wi-Fi獲得了1200MHz的頻譜，使美國目前可分配的Wi-Fi頻譜翻了一倍有餘。美國Wi-Fi技術上一次從FCC獲得頻譜，是作為一種共存實驗，改善頻道規畫與其他監管機構的協調性，允許使用未授權國家資訊基礎建設(U-NII)-2c(擴展)5GHz頻段。2003年FCC提供的頻譜，讓美國額外取得可供Wi-Fi使用的240MHz頻譜。當時，存取點(AP)和客戶端設備都需要新的無線電設備來使用這個新的頻率範圍，且存取點須有能力偵測和避開該頻段現有的使用者——固定雷達裝置。要達到此目標，須執行動態頻率選擇(DFS)以確保Wi-Fi安全地接入頻道而不干擾現有服務。

本文詳細介紹新的Wi-Fi 6E頻段和相關規則。

Wi-Fi 6E好處多多

Wi-Fi 6E優點如下所列。

．僅需Wi-Fi 6和OFDMA：無須使用緩慢的過時技術(802.11a/b/g/n/ac)。

．容易規畫：可進行網路區隔並以安全和體驗品質(QoE)為基準實施政策。

．延遲優化：即使在高密度環境下，延遲依舊小於2ms。

．令人難以置信的頻寬：頻道寬更容易支援。

．乾淨的射頻：雜訊低、壅塞少。

Wi-Fi 6E並非一夜之間誕生，其所帶來的解決方案都經過研究，大多數是為了解決特定的挑戰(圖1)。多年來，Wi-Fi取得了許多進展，為其成功做出貢獻。正如Wi-Fi 6是為了解決Wi-Fi 1~5操作中固有的一些問題而創建，Wi-Fi 6E也將實施有助提升運作表現的Wi-Fi頻譜規則。這是自802.11a(Wi-Fi 3)時代以來，美國授予Wi-Fi的第一個新頻譜。Wi-Fi 6E規範設計和實施的目標為消除頻譜障礙，讓使用者不再受阻，可盡情享受Wi-Fi的各種優勢，如80和160MHz頻道。

當然，重頭戲是5.925GHz和7.125GHz之間的1200MHz頻譜，統稱為6GHz頻段，其主要特色為具備「連續」的頻譜。連續頻譜代表6GHz在頻率範圍內從頭到尾沒有中斷或空白。歷年來逐步定義的Wi-Fi運作範圍隨著時間推移、隨著頻譜開放需求增加而擴展。
未使用的頻譜難以取得，但技術確實會隨時間演進而改變或過時。每當這種情況發生，頻譜範圍的主要使用者逐漸減少，一些頻譜最終將會重新分配給其他用途。頻譜是一種寶貴的資源，而Wi-Fi技術日漸成熟，相關技術也隨之進步。例如，DFS的開發讓Wi-Fi和現有的雷達系統有更多的感知共存(Cognitive Coexistence)，因此在2003年能夠增加240MHz(U-NII-2c)供Wi-Fi使用。美國的Wi-Fi可在U-NII-1、U-NII-2a、U-NII-2c和U-NII-3中運行，共有500MHz的5GHz頻寬(圖2)。然而，這些範圍在目前的U-NII範圍之間留下間隙。這些間隙可從分配的頻道編號中看出，U-NII-2a和2c之間從64跳到100，U-NII-2c和3之間也是如此。因此，Wi-Fi一直在一個不連續的範圍內運行。從802.11n通訊協定(Wi-Fi 4)開始，一種叫做頻道捆合(Channel Bonding)的技術允許兩個20MHz的頻道綁在一起，形成一個40MHz的頻道，頻道寬度增加一倍，可發送的數據流通量幾乎增加一倍。就像高速公路拓寬後負載量提高，頻道捆合能夠增加同時間段可發送的數據量。然而，頻道捆合須從一個連續的頻率範圍內創建綁定的頻道，由於5GHz未能覆蓋的間隙存在，這一要求限制了可進行捆合的頻道數量。此外，使用寬敞的頻道會留下像廢料一樣未能合併的頻率範圍，換句話說，這樣會造成頻譜浪費。

Wi-Fi 6E是1200MHz的連續頻譜(圖3)，可無縫覆蓋U-NII-5、U-NII-6、U-NII-7和U-NII-8。由於大多數存取類型的覆蓋範圍沒有間隙，頻道規畫可有效擴展不受寬度限制，也不會造成浪費。更寬的頻道速度更快，現在最快的Wi-Fi 6數據速率是MCS 11(0.8μs GI)。假設一個客戶端有兩個空間串流(Spatial Stream)，MCS 11的數據如表1。

表1並未考慮多使用者多輸入多輸出(MU-MIMO)和MU-OFDMA等特定情況的改善情形(可增加有效的數據流通量)，但重點應該很清楚了。如果需要1Gbps來滿足使用者的容量需求，便需要一個80MHz的頻道。在今天的5GHz中，美國只有6個80MHz頻道，歐洲只有5個，世界上其他地方的頻道就更少了。由於寬頻道的數量有限，使用更多存取點支援更多使用者會更快地耗盡現有頻道。有了Wi-Fi 6E，達成14個80MHz頻道和7個160MHz頻道不再是空談。

Wi-Fi 6E打破相容性慣例

Wi-Fi首次推出時，只有802.11b通訊協定，而且僅能在2.4GHz頻譜上運作。隨著技術發展，通訊協定和無線電設計都產生變化，Wi-Fi慢慢發展為交雜混合的環境，目前為止可支援Wi-Fi 1~6。可以說，Wi-Fi如此成功的原因之一是內置的向後相容性，確保前一代通訊協定在新協定推出後仍然可以使用。現在，常常能在Wi-Fi網路上發現混合的客戶端類型和功能。

然而，事實證明向後相容不是理想狀態，原因有二。

．較為老舊的客戶端傳輸效率無法和新一代的相比，需要更多的時間來發送相同數量的數據。

．為保持向後相容所需的管理協定，其開銷往往十分可觀，並將進一步導致效率損失。

最終，若要在一個給定的環境中得知網路容量，實際上要看當前(通常是隨機和可變的)共享網路的客戶端能力組合。遺憾的是，對於能實現多少容量的問題，答案往往是「這取決於客戶端的組合」。

Wi-Fi 6E透過限制6GHz頻段內只可存取Wi-Fi 6及以上的通訊協定，擺脫過去多協定相容的複雜問題。將Wi-Fi 6通訊協定與Wi-Fi 6E頻譜相結合，讓Wi-Fi 6能大展身手。Wi-Fi 6提供確定的、已預排的媒體存取控制(Media Access Control, MAC)，並且支援網路區隔、出色的QoE和單程低於2ms的優化延遲。這樣得出的網路容量明顯好於「視情況而定」。隨時間經過，Wi-Fi將通過更新的標準，如Wi-Fi 7便已由IEEE標準機構開始進行相關討論。新一代通訊協定和相容機制之間的差異將比從Wi-Fi 1到Wi-Fi 6經歷的巨大轉變更輕微。這真的像是Wi-Fi的「重生」，打破它的枷鎖，超越它的歷史，煥發出新的光彩。

四種存取點類型降低干擾

Wi-Fi從一開始就設計成一個好鄰居，從不干擾在同一頻段運行的其他服務。避免鄰居干擾的功率位準(Power Level)限制一直是監管規則的一部分。

Wi-Fi 6E造成了一些改變，為Wi-Fi定義了四個獨立的存取點類型，每個類型都有自己的規則(圖4)。

．標準功率型(室內/室外)

．低功率型(室內)

．超低功率型/便攜式(室內/室外)

．客戶端(室內/室外)

下面分述四個類型的定義。

標準功率型(室內/室外)

標準功率是唯一支援Wi-Fi 6E存取點在室外操作的存取類型。只要滿足要求，標準功率型存取點也可以在室內使用。此類型功率限制最大為36dB等效全向輻射功率(EIRP)，且存取點必須透過自動頻率協調(AFC)服務進行協調。在美國，標準功率也是唯一僅能在U-NII-5和U-NII-7進行操作的存取類型(圖5)，總共得到850MHz的存取範圍。

6GHz頻段有一些現有的授權使用仍在其中運行，實際上數量還不少。6GHz頻段的現有用途包括：

．固定服務

點對點的微波鏈路(Microwave Link)，用於從公共安全調度系統到基站(Cell Tower)回程的一切回程。很多這樣的服務正在運行中。

．衛星服務

固定的地對空鏈路以及移動的天對地鏈路在6GHz範圍皆十分常見。

．電視廣播服務

這些服務在U-NII-6和U-NII-8中運行，包括用於電子新聞採訪(ENG)和影片傳輸的各種移動技術，諸如電視台的卡車與衛星、電視台之間的微波鏈接。

．現有的未授權使用者

其中包括超寬頻(UWB)使用者，在U-NII-5至U-NII-8範圍內以未經授權的形式運行，並將繼續運行不做改變。

Wi-Fi運行時，必須嚴格避免對這些既存使用造成干擾。U-NII-6和8供行動營運商使用，很難透過AFC進行協調，使用的設備也非常敏感。衛星離得很遠，接收訊號強度指標(Received Signal Strength Indicator, RSSI)也不像在地Wi-Fi訊號那樣強大。限制標準功率存取U-NII-6和8頻段，可避免相關問題發生。

為了進一步減少可對既存使用造成干擾的機會，標準功率型進行存取時，要求存取點通過AFC服務進行協調。FCC的通用授權系統(ULS)是個內含所有授權使用者資料的數據庫，AFC存取這些訊息，並與存取點的地理位置和天線特性等資料整合，創建一個傳播地形圖，模擬存取點的干擾半徑。接著，該地圖將用來協調和分配功率及頻道設置，以避免干擾該頻段的現有使用。AFC協調保護現有使用者，同時為Wi-Fi 6E使用者創造機會，最大限度地利用其他未使用的頻譜。雖然AFC和類似的系統(CBRS SAS)正逐漸成為FCC法規的重要部分，但這其實並不是新概念。一個動態的AFC允許在地層面快速重複使用頻譜，在防止干擾的同時將頻譜使用最大化。

低功率型(室內)

低功率(室內)型存取點，或簡稱為LPI，是大多數Wi-Fi 6存取點最有可能採用的操作模式。這類裝置只在室內運行，干擾現行服務的機率很低。另外，由於裝置在室內運行，良好運行所需的功率位準會比室外點對點鏈路等所需的功率位準低。因此，LPI的存取方式無須使用AFC。以功率譜密度(PSD)表示的LPI存取點功率限制極值為5dBm/MHz。雖然看到以PSD表示的最大功率可能對一些人來說比較陌生，但它實際上是釋放Wi-Fi 6E驚人潛力的關鍵之一。在基於5GHz的Wi-Fi中，5GHz中更寬的(40、80和160MHz)頻道使用依然有限，現今依舊因為下列原因而不太實際。

．頻道捆合需要連續的頻譜來綁定兩個頻道。5GHz頻段有很多空隙，可綁定的頻道數量因而減少。此外，隨著頻道寬度增加，邊界上將產生頻譜浪費。

．更寬的頻道會產生更多的雜訊。頻道寬度每增加一倍，訊噪比(SNR)就減少3dB。一個80MHz的頻道需要6dB的訊噪比支援，最終降低有效流通量。目前的規則替每個網路區隔定義單一最大功率，且不隨頻道寬度而改變。

雖然在5GHz頻段使用更寬的頻道的時候，如果處理不當，實際上有可能降低可流通量，但大部分情況下只要擁有更多頻譜就能夠緩解負載情況。Wi-Fi 6E為須擺脫這些限制的LPI使用者解決了這些問題，如下列所述。

．1200MHz的連續頻譜解決了上面所列的、限制寬頻道使用的第一個原因，即缺乏連續的頻譜。在FCC的5GHz頻段，最多可以打造6個80MHz頻道；在6GHz中，則可打造14個80MHz頻道。

．Wi-Fi 6E LPI的最大功率是5dBm/MHz PSD。這意味著頻道寬度每增加一倍，就會增加3dB的最大功率。

快速瀏覽一下PSD的計算方式，看看5dB/MHz到底代表什麼。如下列所示，5dB轉換為mW，接著乘以頻道寬度(例如20MHz)。算出來的結果可以再轉換回dBm。

．以頻寬20MHz為例

5dBm=3.162278mW×20MHz =63.24556mW或18dBm

．以頻寬40MHz為例：

5dBm=3.162278mW×40MHz =126.4911mW或21dBm

以PSD表示的功率限制消除了長期以來與頻道捆合同進同出的訊噪比問題。隨著頻道越來越寬，EIRP最大值增加以抵消額外的雜訊(表2)，並保持相同的訊噪比。除此之外，頻道的增加(14個80MHz)也鼓勵和獎勵更寬頻道的使用。現在，要提高傳輸速率變得比以前更容易。

客戶端(室內/室外)

客戶端也得到了新的規則和自己的存取類型。客戶端可存取整個1200MHz；功率則受限，必須始終比客戶端所連接存取點的EIRP最大值低6dB。因此，若存取點作為LPI裝置運行，當存取點為20MHz，客戶端的最大功率將從12dBm開始；當存取點為160MHz則可達21dBm。無論存取點的存取類型為何(標準或低功率)，該規則對客戶端都是一樣的。

超低功率型(室內/室外)

截至本文撰寫時，第四個存取類型仍在討論中。超低功率/便攜式(室內/室外)類型，或稱VLP，其PSD限制極低，為-8dBm/MHz，即20MHz頻道裝置的最大EIRP為5dBm。VLP頻道寬度每增加一倍還能獲得3dB的增益，就像在LPI類型的操作中一樣。超低功率設備可以自由地在室內和室外運作，不會造成明顯的干擾。

6GHz/5GHz頻段比較

有些人可能會想：「Wi-Fi 6E看起來的確挺不錯，但高頻沒有低頻走得遠，而6GHz頻率比5GHz高。」雖然更高的頻率確實不能走的跟低頻一樣遠，但這根本不是什麼大問題。這種影響很小，而且很容易處理。對5GHz和6GHz傳播距離差距進行建模的結果可以看出差異實際上很小(圖6)。

在距離存取點10公尺處，假設兩者發射功率相同，客戶端從運作於36頻道上的存取點看到的RSSI將比運作於157頻道上的存取點高1.05dB。在整個範圍內，傳播損失的距離差只有1.05dB。真的比較起來，6GHz提供1200MHz頻寬(相較於5GHz的500MHz)，因此在U-NII-5底部和U-NII-8頂部的損失更大一些，在整個範圍內損失為1.6dB。事實上，從U-NII-1開始到U-NII-8結束，總降幅不到3dB。從比較角度來看，在美國，U-NII-2c和U-NII-3之間的最大允許功率便已超過3dB。

這對覆蓋範圍來說到底象徵著什麼？與5GHz網路相比，6GHz網路有多大？答案是「幾乎一樣」。圖7為兩個模擬存取點的建模結果，兩個存取點都在EIRP最大值和80MHz頻寬下運作。左邊的存取點在5GHz運作，右邊的則是在6GHz運作。為了準確模擬傳播情形，功率減少了1dB，以補償6GHz的傳播損失。