Wi-Fi 6E技术分析

宫 剑，索仕杰

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

FCC于2020年4月23日投票决定开放 6 GHz频段的频谱，供非授权使用。这是自 1989年FCC为 Wi-Fi扫清道路以来最大的一次频谱扩展，预计到 2020年底，设备将开始支持 6 GHz Wi-Fi，品牌名称也将变为“Wi-Fi 6E”。

来自Cisco[2]和爱立信的报告[3]为FCC这一决定做了数据需求方面的支撑。Cisco给出了一份预言报告，从现在到 2022年，移动数据流量将增加一倍以上。根据爱立信的数据，智能手机每月平均使用的数据量将从 2018年的7 G bytes增加到 2024年的 39 G bytes。这些移动数据流量中的很大一部分是通过Wi-Fi、蓝牙和类似协议传输的。事实上，根据 Cisco公司的数据，到 2022年，59%的移动数据流量将通过 Wi-Fi下载。

1 Wi-Fi 6E简介

Wi-Fi 6E中的“E”代表 Extention，是“扩展”的意思，虽然它跟LTE里面的“E”，Evolution代表“演进”的意思不同，但是我们知道Evolution要比Extention的步子大得多，Wi-Fi 6E可以说是“The evolution of next generation wireless access”，即下一代无线接入的Evolution。

为什么这样说呢？ Wi-Fi 6E为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）的新频谱。因此，要明确的是，Wi-Fi 6E并不是 Wi-Fi协议的新版本，而只是将现有的Wi-Fi 6 （802.11ax）移动到一个非常大的新频谱区域，所以它被称为“Extention”而不是“Evolution”，从技术角度讲，它不能算是一个非常大的变革，但它真的有可能改变游戏规则。

图1 2.4GHz、5 GHz、6 GHz频段Wi-Fi频谱分配对比

由图1[4]可知，目前 Wi-Fi在2.4 GHz的频谱只有60 MHz–70 MHz，在5 GHz的频谱只有 400 MHz–500 MHz，不同国家的情况有所不同。因此，在6 GHz中增加 1，200 MHz的额外频谱是一个非常受欢迎的重大跳跃。而且，一旦 Wi-Fi 6E路由器问世，虽然大多数客户端需要很长的时间才能实现 Wi-Fi 6E功能，但可以肯定的是，高端客户端设备将立即全面切换并支持 Wi-Fi 6E。

Wi-Fi 6E允许“14个额外的 80 MHz信道或7个额外的 160 MHz信道”。这些信道不会相互重叠，所以会有助于减少拥堵，特别是在有很多网络运行的地区。为什么这么说，我们来看一下 2.4 GHz的频谱就知道是为什么了，很多信道在整个带宽范围内的频谱是交叠的。对于 11ax的160 MHz带宽，在大多数情况下是有名无实的，比如 5.1 GHz和5.8 GHz频段为 5，150 MHz–5，350 MHz和5，725 MHz–5，850 MHz，也就是说在 5.1 GHz仅够提供一个 160 MHz带宽，而5.8 GHz根本无法提供一个完整的 160 MHz带宽，除此之外，还会受到DFS的限制。

图2 Wi-Fi 2.4G和5G信道划分

所以可以明确的是，Wi-Fi 6E的出现一定可以在吞吐量上比任何其他频段的Wi-Fi都更有优势。

2 设备分类及技术指标

2.1 设备模式分类和功率限值

如表1所示，FCC将AP设备模式分为低功率模式（low power）和标准功率模式（standard power）。

表1 FCC的Wi-Fi 6E设备分类和功率限值

（1）低功率模式（low power）：在“低功率”模式下，允许 AP使用整个1，200 MHz的频谱，没有 AFC限制，但范围较小，而且只能在室内使用。

（2）标准功率模式（standard power）：在标准功率模式下，AP只允许使用850 MHz的频谱（5，925 MHz–6，425 MHz；6，525 MHz–6，875 MHz），但必须使用自动频率协调 AFC（Automated Frequency Coordination），FCC文件广泛讨论了“自动频率协调”（AFC）系统，以避免现有许可设备（点对点微波）和新的非许可设备（AP）之间的冲突。例如：AP必须与 AFC联系，“以获得允许其运行的可用频率范围的列表，以及每个频率范围内的最大允许功率”。但是，AP必须向中央AFC系统报告其地理位置（例如：GPS位置），以及天线离地面的高度。FCC还要求提供AP的“FCC ID”以及接入点的序列号。

AP可以在“低功率模式”下运行，然后不受 AFC影响（但信号范围会受到影响），或者 AP可以降低 GPS质量，向 AFC报告更大的一般“区域”，而不是精确的位置（但可以使用的频率和功率等级可能会减少） ，这样的好处是更好地保护了隐私。

2.2 频谱发射模板和带外发射限值

图3为Wi-Fi 6E的带内带外频段划分，表 2和图4分别用表格和图的形式给出了 Wi-Fi 6E的频谱发射模板指标：

图3 Wi-Fi 6E的带内带外频段划分

表2 Wi-Fi 6E频谱发射模板指标

图4 Wi-Fi 6E的频谱模板示意图[5]

以上是对 Wi-Fi 6E带内频谱发射模板的限值定义，与 YD/T 3168-2016[6]中11ac的指标技术要求及ETSI 5 GHz RLAN[7]的技术要求是一致的。

对于U-NII-5和U-NII-8频段以外的带外发射限值：建议 -27 dBm/MHz，适用于所有 6 GHz unlicensed设备在 U-NII-5频段lower （5.925 GHz）和U-NII-8频段 upper（7.125 GHz）频率的带外辐射，但在子频段之间，即U-NII-5和U-NII-6、U-NII-6和U-N II-7、U-N II-7和U-NII-8频段之间不会进行限制。这个限值要松于 ETSI 5 GHz RLAN7中-30 dBm/MHz的绝对限值要求。

3 与Wi-Fi 6E同频的现有业务

虽说大量的数据使用需求给 FCC提供了足够多的驱动力，然而仍然要考虑到诸多同频干扰因素，所以 FCC授权了两种不同类型的操作——标准功率和室内低功率操作：标准功率的AP，使用自动化的频率协调（AFC）系统。这些AP可以作为热点网络的一部分部署在任何地方。农村宽带部署，或在需要时进行网络容量升级。同时还授权室内低功率，在整个6 GHz频段的低功率AP。这些AP将连接家庭和企业中的设备，如智能手机、平板设备、笔记本电脑和物联网（IoT）的设备，如家电、机器、仪表、可穿戴设备和其他消费类电子产品以及用于制造的工业传感器。

表3 与Wi-Fi 6E同频的现有业务使用情况

如表3所示，这1，200 MHz的频谱并非闲置，相反，被“现有服务”大量使用，来看一下美国6 GHz频段在用的授权业务有哪些：一是固定微波服务（FS）例如：Google微波塔，如图5、图6所示。二是固定卫星服务FSS，地面到卫星通信（反之也是如此）。三是射电天文学。四是其他杂项服务，移动服务等。

图5 与Wi-Fi 6E同频的固定微波服务塔

图6 美国固定业务链路分布图

许可证持有者，特别是那些运营支持各种关键的点对点微波中继器的公司，公用事业、商业和私人实体以及公共安全机构提供的服务是最大的，他们大量使用U-NII-5和U-NII-7频段，在 U-NII-8频段也有相对较少的活动，用于为商业无线供应商提供回程服务（如商业无线供应商之间的流量）。如，无线基站和有线网络，以及协调铁路列车运行的链路，天然气和石油管道的控制、电网的管理和长途电话的管理服务。

固定卫星服务（FSS）地球到空间在所有四个子频带中都有分配，除了 U-NII-8频段的 7.075 GHz–7.125 GHz部分，FSS业务在 U-NII-5频段最为繁忙，与 3.7 GHz–4.2 GHz的空对地频段搭配，构成“常规 C频段”。FSS对这些频率的主要用途包括向电视和广播电台分发内容，包括报道新闻和体育活动实况的移动天线、有线电视和小型主天线系统，以及电话和数据传输的回程。7.025 GHz–7.075 GHz的U-NII-8波段也是卫星数字音频无线电服务空间站的馈线上行链路。此外，FSS空间对地站在 U-NII-7和U-NII-8波段的部分区域运行，以满足空间站的需求。

除了上述这些持牌的机构，分配表的注脚还促请采取“所有切实可行的步骤”，以保护在 6.650 GHz–6.6752 GHz內的射电天文服务观察。最后，根据 Part 15中的规定，低功率无牌超宽带系统（UWB）也在 6 GHz频段内运行，他们对 unlicensed的6 GHz设备可能会造成的影响表示担忧。

4 其他方面的限制

限制一：第 2章中我们提到了两种设备类型的分类和功率限值，可以使用所有 1，200 MHz频谱的低功率设备仅限在室内使用，距离是大大受限的。可以在室外使用的标准功率设备，则必须通过 AFC的控制，只有U-NII-5和U-NII-7的850 MHz的频率可用。使用AFC的设备必须向集中式 AFC数据库报告地理定位、地理定位精度、天线离地高度、设备 FCC ID和设备序列号，然后由数据库返回可使用的频率和功率水平。设备必须每天至少与 AFC数据库联系一次（失败意味着停止工作；有一天的宽限期）。

限制二：允许 320 MHz带宽的使用，但功率谱密度不能超过 5 dBm/MHz，而且客户端的功率（谱）必须比AP小6 dB，如表 4所示：

表4 与Wi-Fi 6E最大EIRP及其谱密度限值

限制三：不允许标准功率和低功率室内AP在移动环境中运行，如汽车、火车、船舶或小型飞机。但在U-NII-5频段，超过 10，000英尺运行的大型客机可以例外。

限制四：禁止在5.925 GHz–7.125 GHz频段内使用发射机控制无人驾驶飞机系统或与之通信。与其他飞行器存在类似的问题，无人机系统增加了操作的复杂性，无法评估潜在风险及它们所带来的有害干扰问题。基于上述原因，FCC不允许在无人驾驶的交通工具上使用标准功率设备和低功率的室内设备。

限制五：禁止客户端进行热点操作。对于 U-NII-5和U-NII-7频段的标准功率设备，热点操作可以让额外的客户端设备在 AFC无法操作的地方进行传输。对于室内小功率 AP，为了防止小功率 AP在室外使用，也应该将客户端设备放在室内。此外，允许这种便携式 AP会使识别和解决干扰变得困难。

限制六：FCC还就是否应要求将天线集成到设备中，还是允许用户为其应用选择合适的天线进行了征求意见：是否应要求没有集成天线的产品的设备授权受让人为该产品保存一份允许的天线清单？有些集团都支持要求室内设备或所有设备使用集成天线。然而，也有集团反对对集成天线的要求。Cambium认为，允许安装连接器天线将使安装人员有更大的灵活性，以选择适合特定部署的天线，而且专业安装人员可以将天线增益信息输入设备，以便正确计算发射功率，满足 EIRP限值。

FCC的观点是，要求所有低功率设备都必须安装永久连接的集成天线。这样做带来的好处就是，想要用更高增益的天线替换现有设备天线，难度就大大增加了，所以就可以避免设备的 EIRP超过限值，不会增加设备造成有害干扰的可能性。

而对于标准功率设备，FCC不会要求标准功率 AP使用永久连接的天线。FCC认为，如果要求在标准功率AP上使用永久连接的天线，可能限制过多。这些类型的设备通常由学校、企业和 WISP等在户外使用，其配置方式是将天线安装在桅杆或建筑物上，并通过电缆连接到一个单独的发射器。此外，允许这类设备选择合适的天线，还可以提供天线指向的选择，将户外设备发射功率超过 21 dBm EIRP的设备的天线仰角限制在 30度以下，以保护该频段内的卫星运行。还有，由于其他 U-NII频段的设备没有永久连接天线的要求，因此，对 6 GHz频段的设备增加要求，可能会使制造商更难开发能够跨多个频段运行的设备。与现有的 Part15规则一致，标准功率AP设备授权的申请者将被要求列出将与设备一起使用的所有类型的天线，并证明该设备与其授权使用的所有类型的天线都符合 EIRP限值。

5 结束语

为了有助于确保美国在下一代无线通信领域的领先地位，FCC将6 GHz的这一大片频谱供非授权使用，向所有美国人，特别是农村和服务不足地区的人提供宽带连接，而且预计将与新的授权 5G服务协同工作，为消费者提供无处不在的全方位服务连接。

但基于以上的技术分析，Wi-Fi 6E虽然在频谱上有较大的带宽优势，但也并非是“天高任鸟飞，海阔凭鱼跃”，有大量的同频已授权业务和非授权业务存在并使用该段频谱，为了能与这些现有业务和谐共存，FCC也不得不在诸多方面对它进行限制考虑。

Wi-Fi 6E将会为 Wi-Fi产业带来哪些影响和改变，让我们拭目以待！