2025年欧洲数字化转型：通过WiFi实现千兆比特速度连接目标白皮书

内容 执行摘要 3 频谱可用性 4 Wi-Fi标准演进6 详细分析：今日的Wi-Fi通过5 GHz和较低的6 GHz频段提供千兆速度。8 结论18 参考文献 19 作者 21 高管总结 数字十年政策计划（DDPP）为2030年制定了具体的目标和任务，以引导欧洲的数字化转型。数字基础设施是其核心焦点之一，主要致力于提升和发展移动及光纤网络基础设施。目标是为所有人提供千兆网络连接，并在全国实现高速移动网络覆盖（至少5G）”【1]. 委员会设定了针对家庭固定宽带连接的千兆连接目标 [2]. 固定宽带连接通常通过光纤或固定无线接入提供给家庭。然后，它连接到一个Wi-Fi路由器，该路由器将连接分配到家庭/企业内部。Wi-Fi在最大化达到消费者的容量方面发挥着关键作用。 关于如何防止Wi-Fi成为向消费者提供千兆连接的瓶颈，存在不同的观点。一些观点要求在上6 GHz频段增加额外的频谱[3] 而其他人指出效率不足，并主张更高效地利用当前频谱 [4]. 我们分析了公寓楼中的Wi-Fi性能，考虑到欧洲最常用的信道分配，即5 GHz和较低频率的6 GHz频段，针对不同的信道带宽，得出以下结论： • 今天的Wi-Fi技术可以实现比1 Gbps显著更高的速度。• 当结合对可用频道的有效复用与现代Wi-Fi功能时，可以获得最佳性能。• 更大的信道带宽并不总是意味着更好的性能。吞吐量会增加，但接入点（APs）之间的干扰也会增加。 应进一步强调在密集场景中优化操作，使用适当的信道带宽和功能，而非过度分配频谱。 频谱可用性 Wi-Fi标准演变 Wi-Fi 是在“免许可”授权制度下最常部署的技术，而这些频段的运行是底层标准 IEEE 802.11 的核心。 1997年，该标准的第一个版本[11]支持通过2.4 GHz频段的红外或无线电传输，达到高达2 Mb/s的吞吐量。1999年，IEEE 802.11a标准迅速采用了当时新出现的免许可5 GHz频段，支持高达54 Mb/s的数据传输速率。从标准的起始点访问通道基本上基于这样一个原则：用户在开始自己的传输之前首先感知是否有其他人在传输。如果有其他人在传输，则用户会推迟。这种方法被称为载波侦听多址访问和碰撞避免（CSMA/CA）。感知时长是随机的，以避免多个用户同时传输（称为碰撞）。设计上，CSMA/CA完全分布式，消除了中央协调的需求。因此，它与免许可频谱相匹配，在这些频谱中不存在中央权威或所有权。 2009年，当修正案“n”（即Wi-Fi 4）引入多天线传输和信道带宽加倍至40 MHz时，最大原始数据速率增至600 Mb/s，观察到了显著的改善。在此速率下，传输1000 B的数据大约需要126 μs（4个OFDM符号的传输耗时14.4μs，前导码耗时52μs，帧间间隔耗时16μs，确认耗时44μs）。然而，信道访问程序平均将此持续时间翻倍至236 μs。每个帧的大开销显著导致此例中实现的吞吐量仅为33.4 Mb/s——效率约为5％。改进信道访问程序本身会引入公平性问题，因为大量使用该频谱的旧用户。因此，新一代系统增加了将多个小型帧聚合为一个更长传输的能力。通过这种方式，单一信道访问即可传输和确认多个帧，显著降低每个帧的开销。 此原则在随后的标准修订版“ac”（即Wi-Fi 5）中继续存在：通过将最大信道带宽加倍至160 MHz并将更多比特填充到每个传输符号中，将原始数据速率提高，从而实现最大原始数据速率7 Gb/s——但由于传输前的信道访问程序保持不变，导致小帧的效率更低。与之前的修订版一样，这种情况通过为每个信道访问聚合多个帧添加更多选项来缓解。对于Wi-Fi 5，策略是添加多用户多输入多输出（MU-MIMO），使其能够通过一个信道访问为多达四个用户提供服务。 修正案\"ax\"或Wi-Fi 6随后引入了正交频分复用（OFDMA），该技术通过将当前信道带宽的不同频率部分分配给它们，允许同时向或从多达74个用户进行传输。令人惊讶的是，这项修正案是首次没有扩大信道带宽的主要修正案。然而，这也是自1999年以来首次大量增加频谱，即6 GHz频段。在市场上，这些产品由Wi-Fi联盟（WFA）认证为Wi-Fi 6E。 最新的Wi-Fi第七代，基于“修正‘是’”，进一步扩大最大信道带宽至320 MHz，从而实现高达23 Gb/s的最大原始数据率。通过同时并行化多个信道访问进程的能力，实现了聚合功能的改进。这使得跨多个信道同时传输和接收成为可能，在标准中被称为“多链路操作”。 本综述对Wi-Fi的各代进行了简要概述，它并没有考虑到自1997年以来所引入的众多其他细小修订。然而，它足以展示发展的总体趋势：更宽的信道带宽（从最初的20 MHz扩大到现在的320 MHz）提高了原始数据速率；采用帧聚合、多用户传输和多链路操作等特性来保持足够的效率，从而提高吞吐量。 尽管每一代产品带来的新功能令人印象深刻，但基于CSMA/CA的基本信道访问机制仍未改变，因此仍然是Wi-Fi的瓶颈。这一瓶颈的影响取决于这些提高效率的功能在实际条件下的表现。 详细分析：今天的Wi-Fi提供千兆服务快速通过5 GHz 和更低频段6 GHz频段 在以下各节中，我们分析今天Wi-Fi可以提供的速度，以及在5 GHz和较低6 GHz频段部署频谱。 模型情景 1213, 3我们在一个多用户、多小区Wi-Fi安装中进行系统级模拟。公寓楼。特别是，我们模拟了住宅场景的一个更小版本。描述于[]，这也在之前的研究中被使用过[]. 住宅场景 该建筑由三层组成，每层有10套公寓，总计该建筑有30套公寓。每套公寓大小为10米×10米，高度为3米。在每套公寓内，随机放置了一个Wi-Fi接入点（AP）和一个用户。我们假设提供给APs的固定连接没有速度限制，而Wi-Fi连接到用户是限制吞吐量的因素。 频道分配 我们假设欧洲两通道频宽（80 MHz 和 160 MHz）最常用的信道分配方式。 • 11个信道，每个信道带宽1x80 MHz：其中五个位于5 GHz，六个位于较低的6 GHz。这相当于总共880 MHz。• 五个信道，每个信道带宽1x160 MHz：其中两个位于5 GHz，三个位于较低的6 GHz。这相当于总共800 MHz。 我们同时还考虑了最新的商用部署技术Wi-Fi 7及其提供的特性，例如根据Wi-Fi联盟（WFA）对Wi-Fi 7的认证要求进行的链路操作（MLO）。例如，来自TP-Link [16], 网件 [17], 华硕 [18]针对家庭环境/终端消费者市场。这也由[ ]所建议。4这意味着单个接入点（AP）可以在每个公寓内同时使用多个信道与用户进行通信： • 五个通道 2x80 MHz：五个80 MHz的通道，每个接入点使用两个链路进行MLO。这相当于总共800 MHz。• 三个通道 3x80 MHz：三个80 MHz的通道，每个接入点使用三个链路进行MLO。这相当于总共720 MHz。 所有考虑的作业大约使用相同数量的频谱，范围从720 MHz到880 MHz；然而，它们在如何将频谱分配给公寓方面的差异。为每个公寓分配更多频谱可以增加潜在容量，但同时也减少了可用信道的数量，从而增加了使用同一信道的两个接入点（AP）之间的距离，这被称为“重用距离”，从而增加了干扰。 对所有通道和多链路配置，我们将在公寓楼中的接入点（APs）间分配可用通道。我们假设采用一个合理良好的信道选择算法。 该方案最大化了两个接入点(AP)之间在同一信道上的距离，从而最小化了AP间的干扰。图4-6简单地展示了在不同数量的信道分配情况下，信道的分布情况。当分别有3个、5个和11个信道可供分享时，红色方框表示公寓共享相同的信道，而灰色方框表示它们使用另一个信道。在下面的场景中，当有3个、5个和11个信道时，分别需要10套、6套和3套公寓共享相同的信道。 仿真方法 在本研究中使用的模拟器是一个完整的系统模拟器，它包含了Wi-Fi物理层和中继接入控制（MAC）层的详细模型。 该模拟器采用事件驱动方法，这意味着它不仅模拟了模拟时间内每次传输的开始和结束，还包括了基于Wi-Fi的载波侦听多路访问并避免冲突（CSMA/CA）信道访问过程的全部细节。这意味着在每次传输之前，节点（接入点或用户）将使用前导码和能量检测来确定信道是否被占用。它将传输延迟，直到信道空闲。 实施信道接入程序在干扰受限场景中变得至关重要，因为它与仅考虑物理层和位置差异的模拟相比，导致显著不同的频谱使用，如[13,3]. 此外，每个节点使用Minstrel链路自适应算法选择每次传输的链路速率[14基于最近的分组误码率统计。在接收端，当前的信噪比（SNR）被映射到一个错误概率，该概率取决于选择的数据速率，速率越高需要更高的SNR。错误概率设定了介于0和1之间的随机数阈值，以确定数据包是否成功接收或必须重传。 我们假设两种不同类型的流量作为系统提供的负载：下行全缓冲和文件传输协议（FTP）下载。正如其名所示，在完全缓冲的情况下，每个接入点（AP）的传输缓冲区始终保持满载。因此，在仿真期间，AP要么正在传输，要么正在等待信道可用以开始传输。由于负载最大化，没有空闲时段。尽管全缓冲假设提供了对极端情况的见解，但它经常因不切实际而受到批评，因为它允许不合理的聚合长度，从而扭曲了后续Wi-Fi代的结果。因此，我们在Wi-Fi协议栈之上添加了一个完整的FTP/TCP/IP（文件传输协议/传输控制协议/互联网协议）实现来模拟FTP文件下载。在这里，传输缓冲区级别由TCP控制，而不是任意大。与之前一样，没有空闲时间发生，因为一个FTP文件下载完成和下一个下载开始之间没有间隔。 一个最终值得注意的假设是接入点（AP）和用户的天线配置。为了达到最新一代Wi-Fi宣传的最大数据速率，使用多个天线并行发送多个数据流。Wi-Fi 7允许最多八个数据流，这要求AP和用户设备各自拥有八个天线，并在80 MHz信道上实现最大原始数据速率约为5.6 Gb/s，在160 MHz信道上实现约为10.4 Gb/s。然而，由于尺寸和复杂性的限制，市场上的Wi-Fi 7 AP在每个频段上最多配备四个天线。同样，只有少数用户设备拥有超过两个天线。因此，我们的模拟分别假设AP和用户各自拥有四个和两个天线。这限制了在80MHz信道上的最大原始数据速率为约1.4 Gb/s，在160 MHz信道上的最大原始数据速率为约2.8 Gb/s。 模拟所必需的参数总结于表1中。 结果 图7显示了所有模拟用户的全链路平均吞吐量。我们改变由每个墙壁引起的路径损耗：低值表示石膏板，而高值表示混凝土墙。这使得我们能够模拟不同类型的建筑，例如现代和旧建筑。不同的线条对应于前面描述的信道配置。 我们可以看到，所有配置的平均吞吐量都能达到超过1 Gb/s。 总的来说，随着墙壁衰减的增加，可达到的吞吐量也随之增加。这是因为墙壁在阻止公寓之间干扰方面变得更加有效，从而提供了更好的空间复用。这种效果在11个通道1x80MHz配置的情况下并不明显，因为使用相同信道的AP之间的距离足以限制AP间的干扰，即使对于5 dB的墙壁损耗。因此，对于任何现实的墙壁损耗（例如，[中公寓墙的11 dB损耗）也是如此。3]) 我们可以推断出这项任务不是受干扰限制的，并且没有有效地利用可用频谱，因为它使用了比必要更多的信道来提供大的复用距离。 比较1x80 MHz的11个信道和1x160 MHz的5个信道的案例，我们观察到： • 较少的更宽的频道会增加AP之间的干扰，从而降低可达到的吞吐量，但 • 同时，它也为每个公寓提供了更多的带宽，这增加了可达到的吞吐量。 第二种效应占主导地位，将吞吐量从1.3 Gb/s增加到2.2 Gb/s，对于更高墙损失的增益更为显著。这表明Wi-Fi可以利用增加衰减提供的空间复用机会。 如果我们考虑在Wi-Fi 7中启用多链路操作并允许每个接入点使用2 x 80 MHz，我们将观察到与使用