WiFi历史中的启示

从WiFi历史中汲取的教训 理查德贝内特 2024年10月 引言 1973年4月3日，MartyCooper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WiFi。4蓝牙、小型物联网网络Zigbee和ZWave。5仅WiFi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，WiFi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WiFi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WiFi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。 1经合组织，OECD通讯展望1999，经合组织出版物，1999，httpwwwoecdilibraryorgscienceandtechnologyoecdcommunicationsoutlook1999commsoutlook1999en 2全球移动电话订阅情况2023，Statista，2024年5月5日访问，httpswwwstatistacomstatistics262950globalmobilesubscriptionssince1993 3授权根据FCC规则和法规第15部分和第90部分的扩频系统（联邦通信委员会，1985年6月18日），httpswebarchiveorgweb20070928054826httpwwwmarcusspectrumcomdocuments81413ROtxt 4在本研究中，“WiFi”一词按照常规用法使用，作为IEEE80211无线网络的同义词。该术语是WiFi联盟的注册商标，该联盟将原始IEEE802111997标准排除在该术语的适用范围之外。 5比较物联网网状网络协议：差异在哪里？TechTarget，《物联网议程》，访问日期：2024年5月5日，httpswwwtechtargetcomiotagendafeatureComparingIoTmeshnetworkprotocolsWhatsthedifference 6WiFibytheNumbersTechnologyMomentumin2023WiFiAlliance，检索日期：2024年5月5日，httpswwwwifiorgbeaconthebeaconwifibythenumberstechnologymomentumin2023 7PointTopic，2023年第一季度全球宽带订阅：光纤订阅数量突破三分之二，PointTopic，2023年7月17日，httpswwwpointtopiccompostglobalbroadbandsubscriptionsq12023 8RichardBennett“行业之声：WiFi无法拯救的一天”2024年3月19日httpswwwfiercenetworkcomtechopedwhenwifidoesntsaveday埃森哲“美国频谱分配” 尽管典型的WiFi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WiFi的做法并不能在实际应用中改善用户体验。我对WiFi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WiFi4（IEEE80211n）被批准时，美国的5GHz频谱池为555MHz。如今，5GHz和6GHz频谱的总共2000MHz的频谱池 ，在现实测试场景中相对于WiFi5仅有适度的性能提升。 这也给WiFi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WiFi行业受益。WiFi（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WiFi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 2022年9月28日，httpswwwctiaorgnewsspectrumallocationintheunitedstates。比较结果因所考虑的频谱范围不同而有所差异。 9迈克达诺，《美国蜂窝基站与小基站：数据解读》阅读轻量访问日期：2024年5月5日，httpswwwlightreadingcomdigitaltransformationuscelltowersandsmallcellsbythenumbers；“美国住房单位数量19752022”，Statista，访问日期：2024年5月5日，httpswwwstatistacomstatistics240267numberofhousingunitsintheunitedstates 10BruceLeichtman“2023年顶级提供商新增约350万宽带用户”Leichtman研究集团2024年3月7日httpsleichtmanresearchcomabout3500000addedbroadbandfromtopprovidersin2023 11《5G技术的新发展和应用IEEE未来网络》，访问日期：2024年5月5日，httpsfuturenetworksieeeorgtopicsnewdevelopmentsandapplicationsin5gtechnologies 122020年：迈向千兆体验的4G及以上无线电演进（诺基亚西门子通信网络，2011年）。 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1500MHz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WiFi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WiFi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WiFi代际跃升体现在WiFi4（80211n）中。WiFi4将下载带宽提高了760，上传带宽提高了588。它通过在24GHz或5GHz频段上运行，将信道宽度加倍，并通过分别采用帧聚合和MIMOOFDM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、IEEE80211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WiFi。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WiFi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 13授权在FCC规则与规章的第15和第90部分下的扩频系统。 IEEE标准协会80211标准直无线电前身，现普遍称为WiFi，NCRWaveLAN，于1990年发布。14WaveLAN利用由扩频指令开放900兆赫和24GHzISM频段，以非常低廉功率输出提供高达2Mbps传输速率。 一年前WaveLAN上市之前，硅谷光子公司发布了可能第一个大众市场WiFi，即名为PhotoLink红外AppleTalk扩展。1989年Macworld展会上，PhotoLink大受欢迎。15 美国NCR公司认可了802标准价值；他们1984年成立，负责重新设计以太网以使其能在双绞线缆上工作低成本局域网（StarLAN）1BASE5任务组积极参与者。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80211，该子组由其雇员VicHayes领导，并由StarLAN老兵组成。17 标准操作流程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规范之前，纠正缺陷并添加增强功能。18 80211标准在发布原始标准802111997之前，花费了七年时间考虑对WaveLAN潜在补充和修改。19该标准支持在24GHz或红外线上12Mbps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。 802111997未获得太多影响力，但它为广泛采用高带宽80211b标准铺平了道路，该标准被 推广者称为WiFi。20 14WaveLAN在维基百科2024年4月25日，httpszhwikipediaorgwindexphptitleWaveLANoldid1220796250 15彼得H刘易斯，《无线联网执行计算机》《纽约时报》1989年8月20日，第Business版，httpswwwnytimescom19890820businesstheexecutivecomputernetworkingwithoutthewireshtml 1680232022：IEEE以太网标准纽约，纽约：IEEE，2022ISBN作者曾任 9781504487252 副组长，此任务组成员。 17802椅子分配非常公正，因此NCR没有从安排一名员工担任委员会主席中获益；相反，海耶斯竭尽全力确保自己不会被看作偏袒其雇主设备。然而，公司确实从其在StarLAN委员会参与中受益。Sta