WiFi历史中的启示

引言 1973年4月3日，Marty Cooper在纽约中城希尔顿酒店外进行了世界上第一个公开的手机通话。在此戏剧性的开始之后——他给竞争对手打电话宣布胜利——蜂窝网络成为了全球电子通信的主要形式。尽管有线电信网络在其运营的第一110年后支持了1100万用户，1细胞行业在40年间从零增长到九十亿。2 当蜂窝通信开始兴起时，监管机构创建了一种新型的无许可频谱管理制度。3主要适用于短距离网络，如Wi-Fi。4蓝牙、小型物联网网络Zigbee和Z-Wave。5仅Wi-Fi就连接了近200亿个设备。6在全世界14亿固定宽带用户的家庭和办公室中。7与源自库珀首次通话的移动网络不同，Wi-Fi在覆盖范围、功能、移动性和安全性方面相当有限，即使是对于公共Wi-Fi应用也是如此。 无线网络主要依赖于射频（RF）频谱；因此，随着用户和设备数量的增长，对该资源的需求也在增加。美国对频谱需求的监管反应相当特殊。 我们的联邦通信委员会（FCC）授予非许可Wi-Fi的中频段，比我们极其高效的许可网络多了四到七倍。8相比之下，日本将中频段资源等量分配给授权和非授权用户。从国家到国家，分配策略和用途模式非常多样化。 贝内特 - 从Wi-Fi历史中汲取的教训 尽管典型的Wi-Fi路由器预计可覆盖典型的家庭，每个5G基站可覆盖大约100至250个家庭的区域。9住宅宽带市场中增长最快的部分是通过许可网络提供的固定无线接入，因此许可和不许可之间的不平衡对住宅宽带本身的可行性构成威胁：如果无线ISP无法获得将那些家庭连接到全球网络的频谱，那么家庭内部的超高速网络有何用呢？10 这种将频谱过度分配给Wi-Fi的做法并不能在实际应用中改善用户体验。我对Wi-Fi历代的性能测试发现，吞吐量与信道大小之间的相关性极小。这一点颇具信息量，因为它表明，简单地将频谱倾倒到非授权频谱池中并不一定能改善消费者的状况。在Wi-Fi 4（IEEE 802.11n）被批准时，美国的5 GHz频谱池为555 MHz。如今，5 GHz和6 GHz频谱的总共2000 MHz的频谱池，在现实测试场景中相对于Wi-Fi 5仅有适度的性能提升。 这也给Wi-Fi行业带来了另一项长期风险。当频谱是免费的，且其来源仓库实际上是无限的，行业又有何动力使其服务更加高效？此外，当无效利用开放频谱的最大障碍是旧式设备的存在，用户又有何动力升级到更高效的标准呢？ 与此同时，许可网络面临着不断增长的网络拥堵问题。无线网络拥堵可以通过增加频谱、增设站点或节点或提高效率来解决。面对有限的频谱，蜂窝服务提供商和设备提供商已经学会了用更少的资源做更多的事情。无线电工程技术的进步几乎完全来自蜂窝设备提供商的研发实验室，这一点并不令人意外。11 这项创新也使Wi-Fi行业受益。Wi-Fi（以及更甚的CBRS）的进步主要与，在许多情况下依赖于，来自授权频谱网络工程的创新引擎相并行。12但是这种创新只能做到如此——最终，运营商无法通过工程手段解决严重的频谱稀缺问题。增加小型基站和更高的效率可以在一定程度上有所帮助，但无法替代额外的频谱。 美国必须合理化其在中频段的频谱分配，以保持其在授权和非授权技术领域的领导地位。这要求从过度分配频谱用于Wi-Fi转向，并为面临日益增长的拥堵问题的授权、移动网络提供更多频谱。美国频谱分配机制——主要指联邦通信委员会（FCC）及其公众客户和 贝内特 - 从Wi-Fi历史中汲取的教训 美国国家电信与信息管理局（NTIA）及其政府同事——必须共同努力，寻找并分配额外的1500 MHz频谱，用于拍卖给服务于公众的无线运营商。 这将对我国频谱政策中最为严重的失衡进行纠正，但还需要更多工作来确定理想平衡点。住宅Wi-Fi是住宅宽带服务的补充，而住宅宽带服务越来越依赖固定无线接入。使身体更健康、更有竞争力，最终使得补充部分更加有用，即使有线运营商担心变革。 分析 我的分析展示了使用广泛使用的iPerf3测试工具在典型郊区家庭办公室中对第四代至第七代Wi-Fi进行测试所收集到的性能数据。该分析并不全面，但它足以量化各代之间的进步，并提供有关通过增加原始频谱池与提高效率所发挥作用的线索。 最显著的Wi-Fi代际跃升体现在Wi-Fi 4（802.11n）中。Wi-Fi 4将下载带宽提高了760%，上传带宽提高了588%。它通过在2.4 GHz或5 GHz频段上运行，将信道宽度加倍，并通过分别采用帧聚合和MIMO/OFDM技术改进MAC和PHY协议，实现了这一壮举。后续的信道加倍在未进行重大效率改进的情况下，产生了更为温和的增益。 我也分析了用来说服监管机构增加未授权频谱池的建模工作。这些模拟——蒙特卡洛模型——尚未得到真实世界数据的证实，因为它们的参数存在严重缺陷。它们的最大疑点在于未能将最佳信道选择和功率水平算法与广泛使用消费级设备中明显次优的特征进行对比。它们还遭受了不切实际的流量负载评估，以及不愿考虑旧设备造成的全网性能下降。 最后，我讨论了监管挑战、应用背景、IEEE 802.11标准组在可靠性和中频射频频谱替代方案方面的持续工作，以及改善频谱管理的必要性。 联邦通信委员会在2020年第二季度，即隔离时期、经济崩溃和在家工作的时期，分配了1200MHz的新非授权频谱给Wi-Fi。自然地，这些条件促使委员会以奢华但不可持续的方式对危机做出回应。 在详细考察生态系统当前状态之前，让我们先简要回顾一下Wi-Fi的历史。 无线网络如何成为现在的样子 无线网络的演变和历史了解不多。美国联邦通信委员会（FCC）1985年的扩频令经常被视为无线局域网（WLAN）的先决条件，但市场上第一代WLAN使用了未经许可的无线红外（IR）频谱。13 贝内特 - 从Wi-Fi历史中汲取的教训 IEEE 标准协会的 802.11 标准的直接无线电前身，现普遍称为 Wi-Fi，是 NCR 的 WaveLAN，于 1990 年发布。14WaveLAN 利用由扩频指令开放的 900 兆赫和 2.4 GHz ISM 频段，以非常低廉的功率输出提供高达 2 Mbps 的传输速率。 一年前 WaveLAN 上市之前，硅谷的光子公司发布了可能是第一个大众市场 Wi-Fi，即名为 PhotoLink 的红外 AppleTalk 扩展。1989 年的 Macworld 展会上，PhotoLink 大受欢迎。15 美国NCR公司认可了802标准的价值；他们是1984年成立的，负责重新设计以太网以使其能在双绞线缆上工作的低成本局域网（StarLAN）1BASE5任务组的积极参与者。16因此，NCR足够明智地向802提出申请，创建了无线局域网子组，从而产生了802.11，该子组由其雇员Vic Hayes领导，并由StarLAN的老兵组成。17标准操作流程是首先从一种商业产品，例如WaveLAN开始，检查其缺陷和改进机会。然后，在发布一个允许其他公司实现互操作性的规范之前，纠正缺陷并添加增强功能。18 802.11标准在发布原始标准802.11-1997之前，花费了七年时间考虑对WaveLAN的潜在补充和修改。19该标准支持在2.4 GHz或红外线上的1 – 2 Mbps操作。在该标准被批准时，光电子技术已经提升到WaveLAN速度，同时在这个过程中获得了一个竞争对手，Spectrix。红外线和射频都被纳入了该标准。 802.11-1997 未获得太多影响力，但它为广泛采用的高带宽802.11b标准铺平了道路，该标准被推广者称为Wi-Fi。20 贝内特 - 从Wi-Fi历史中汲取的教训 802.11b 仅限于 2.4 GHz 频段，许多人认为该频段的传播效果优于 5.8 GHz ISM 频段。1997年，美国联邦通信委员会（FCC）在其“5 GHz 频段内的无许可 NII 设备”命令中，将 5 GHz 无授权频谱的分配从 300 MHz 提高至 300 MHz，尽管当时没有人使用。21 5 GHz的实用化得益于OFDM技术的应用，该技术将多径失真从负面影响转变为正面影响。22在OFDM之后，Wi-Fi信令的其他改进包括采用MIMO。23在802.11n中，24OFDMA在Wi-Fi 6中的集成25并且采用了一种载波聚合的版本26被称为Wi-Fi 7中的多链路操作（MLO）。27Wi-Fi Medium Access Control (MAC)协议在802.11n中的帧聚合改进也在使其相对于先前标准实现四到八倍性能提升方面发挥了重要作用。28 随时间推移的Wi-Fi性能 研究不同信道大小下的各种Wi-Fi协议的性能，可以看出，在目前阶段，额外未经许可的频谱并不为Wi-Fi性能提供实际效益。只有在非常近的距离，额外的频谱才能真正提升性能。此外，现有Wi-Fi版本所能实现的数据速率，已经超出了现实无线应用的需求，也不再是端到端吞吐量的限制。 美国联邦通信委员会通过1985年的扩展频谱命令，实际上创建高速无线局域网，并且继续通过定期发放额外的无线电频率许可来为它提供支持。29无线工程提供了尽可能有效和高效地使用可用频谱的手段。应用开发者创造需求，消费者通过实际购买来验证整个过程。链条中的薄弱环节是那些未能正确实施标准的设备制造商以及缺乏技术专业知识甚至无法理解Wi-Fi技术特性的消费者，更不用说管理它们了。 尽管在许多场景中，帧聚合、OFDM、MIMO、OFDMA和MLO可以带来显著的理论效益，但历史上提高Wi-Fi速度最常用的路径仅仅是使用更多的…… 贝内特 - 从Wi-Fi历史中汲取的教训 频谱以更宽（“更厚”）的信道形式存在。原始标准在2.4 GHz频段提供了三个20 MHz的信道，这在当今标准下是微不足道的数量。 802.11n将信道大小加倍至40 MHz，并在同等基础上集成了2.4 GHz和5.8 GHz。Wi-Fi 5、6和7各自再次加倍信道大小，使当前最大信道大小达到320 MHz。MLO通过允许同时使用两个这样的信道，有效地加倍了可用带宽。使用MLO，Wi-Fi可以实现有效信道大小为480 MHz。30 简单地将信道大小翻倍并没有导致吞吐量接近翻倍，尤其是在客户端设备距离接入点超过15英尺时。 为了确定通道加倍在四次迭代中工作得如何，我在近（10英尺）、典型（25英尺）和远（50英尺）的配置中对从Wi-Fi 4到Wi-Fi 7的每个版本的Wi-Fi进行了测试。我使用iPerf3 v. 1.6作为测量工具，并配备了一套三台路由器、四台计算机、三个Wi-Fi 7适配器和两个版本的Windows 11。31测试是在一个拥有六个可见外部网络的城市郊区进行的。 以下图表展示了不同代Wi-Fi中各种设备组合的最高分和最低分。速度的变动并不仅仅反映了Wi-Fi本身的性质；一些路由器的速度比其他路由器快，仅仅是因为它们拥有更快的处理器或更多的内存。某些接口芯片比其他芯片更快，仅仅是因为它们的逻辑更好或软件更成熟，而操作系统在第一次发布时很少能达到最佳状态。 在第一张图中，使用高性能台式计算机拍摄，实现了最佳性能。 显著发现包括： • Wi-Fi 7在站点和接入点相距不超过10英尺时，能够实现极高的下载吞吐量——3 Gbps。当两者相距25至50英尺时，吞吐量大约减半。•前几代Wi-Fi的吞吐量随着距离的增加也会有所下降，但下降幅度较小。Wi-Fi 6在25英尺处保持稳定，在50英尺处下降33%，而Wi-Fi 4在10至50英尺的距离范围内基本保持不变。•在50英尺处，使用80 MHz频道的Wi-Fi 5达到Wi-Fi 7使用320 MHz频道时的80%吞吐量。•在购买价格或频谱机会成本方面，很难证明Wi-Fi 7路由器和接入点相较于前几代产品的额外支出是合理的。Wi-Fi 7目前显然在内部或网络之间不受频谱限制。•这些发现也对未来一段时间内额外非授权频谱的需求提出了质疑，特别是削弱了对较低7 GHz频段Wi-Fi频谱的需求呼吁。 来自Costco购买的Wi-Fi 7