IEEE 802.11af 与空白频谱无线技术的话题

本文撰写于2024年9月27日

2008年前后，地面数字电视广播格式正从模拟向数字转型，彼时模拟电视停播后的频段再分配与再利用成为热议话题。其中值得关注的是，在美国，素来针锋相对的谷歌与微软曾携手组建“统一战线”，成功从美国联邦通信委员会（FCC）获得该频段的免许可公众使用权，并将其命名为 “强化版Wi-Fi”、“超级Wi-Fi”等，大力宣传其应用潜力，相关话题也受到了IT新闻媒体的广泛报道。本次我们就来探讨这一技术议题。

什么是空白频谱无线技术？

无线电波通信作为重要的社会资源，在绝大多数国家均由国家机关统一管理，按频段划分后分配给公共机构或相关企业使用。无需申请、无需授权即可供任何人使用的无线局域网和蓝牙，是为数不多的例外情况，其依托被称为ISM（工业、科学、医疗，Industrial, Scientific and Medical）的 “开放频段”运行。ISM频段在6MHz～250GHz范围内呈零散分布，如同孤立的岛屿；其中2.4GHz频段最早于20世纪90年代后期投入使用。此后（严格来说，部分频段并不完全符合国际电信联盟ITU对 “ISM频段”的定义），5GHz、6GHz、900MHz等频段逐步被纳入开放频段范畴。这些频段虽享有“无需申请、无需授权”的使用自由度，但也受到相应限制：需在较窄的频段范围内，且以较低的功率上限运行。

地面电视运营商需提供覆盖（几乎）全国领土的广播服务，但由于相同频率的电视台若处于电波覆盖范围内会产生信号干扰，因此即便播出内容相同（同一频道），也需按地区分配不同频率。基于这一特性，尽管法律层面已将54～806MHz频段（以美国FCC规定为例）划归电视广播专用，但实际使用中，因地区或时段差异，仍存在大量未被占用的“空白频段”，这些频段被称为“空白频谱（White Spaces）”。

长期以来，业界一直存在不应将空白频谱频段作为 “闲置资源”闲置浪费、而应进行再利用的观点；而地面电视广播从模拟向数字的转型，被认为是推动这一构想落地的绝佳契机。

2008年前后，陆续成立了多个推动空白频谱技术应用的组织，但相关留存信息并不多。前文提及的“谷歌与微软的统一战线（※注1）”，其依托的组织名为“空白频谱联盟（The White Spaces Coalition，简称WSC）”。据维基百科记载，该联盟成员包括微软、谷歌、戴尔、惠普、英特尔、飞利浦、Earthlink通信公司、三星等；此外，还有部分企业及组织以非公开形式参与其中。当时另有“无线创新联盟（Wireless Innovation Alliance）”“空白频谱联盟（White Space Alliance）” 等类似组织，但目前各方之间的关联已无从考证。

(※注１) https://arstechnica.com/gadgets/2007/04/white-space/

据维基百科记载，空白频谱联盟（WSC）曾公布过一组相当乐观的性能数据——“常规使用场景下速率可达80Mbps，近距离传输时则为400～800Mbps”。而这一数据在日本的IT媒体报道中，被进一步渲染为 “革命性超高速无线互联网”，演化成了更具夸张色彩的宣传（※注2）。

(※注２) https://www.nikkei-science.com/?p=17310

这些组织（尤其是空白频谱联盟WSC）开展的空白频谱无线技术实证实验，以及与美国FCC、美国全国广播协会（NAB: National Association of Broadcasters）之间的激烈博弈，在随后数年里被IT媒体持续报道，但相关报道逐渐变得零散，最终从公众视野中淡出。

针对 “空白频谱无线局域网”，业界曾提出多项标准提案。而作为 “Wi-Fi阵营”核心的IEEE 802.11工作组，于2009年成立了af任务组，正式启动相关标准的制定工作。此外，当时还有2004年成立的IEEE 802.22工作组及2011年成立的IEEE 802.15.4m工作组，但这些标准（相较于11af而言）属于更典型的 “仅存名义的标准”，因此本次暂不展开说明。

IEEE 802.11af标准被命名为TVHT-PHY（电视超高速吞吐量物理层，Television Very High Throughput PHY）。其规范制定工作在IEEE 802.11工作组中推进速度较快，于2013年12月正式敲定规范内容，形成IEEE 802.11af-2013标准，并于2014年2月对外公布。自IEEE 802.11-2016及后续版本起，该标准已被纳入综合规范（第22节）。此后，除非另有标注，本文所引用的规范依据均为IEEE 802.11-2020版本。

IEEE 802.11af技术规范

IEEE 802.11af（以下简称“11af”）的技术规范，在设计上尽可能兼容同期推进的IEEE 802.11ac（VHT-PHY，以下简称“11ac”）规范。11af支持3种信道带宽配置：6MHz、7MHz、8MHz，且所有模式下的数据子载波数量均固定为96个。不同带宽的子载波总数存在差异：6MHz与8MHz带宽对应144个子载波，7MHz带宽对应168个子载波；符号间隔（TDFT）也略有不同：6MHz与7MHz带宽的符号间隔为24微秒（子载波频率41.67KHz），8MHz带宽为18微秒（子载波频率55KHz）（详见表22-5）。之所以设置3种相似却又不同的物理层规范，推测是为了适配世界各国/地区略有差异的电视频段无线电标准。作为参考，其“原型”IEEE 802.11ac VHT-PHY的信道带宽为20MHz、40MHz、80MHz、160MHz，符号间隔为3.2微秒，子载波频率为312.5KHz（详见表21-5）。

在11af标准中，6/7/8MHz信道被定义为BCU（基本信道单元，Basic Channel Units），并规定了可将多个信道捆绑使用的信道聚合选项。该选项的表述形式包括“TVHT_2W”“TVHT_W+W”“TVHT_4W”“TVHT_2W+2W” 等。

11af标准的调制模式（MCS集合）详见表22-26～22-37。在单信道・单流配置下，MCS0（BPSK调制+ 1/2码率前向纠错编码）的速率为2Mbps（6/7MHz信道）或2.7Mbps（8MHz信道）；MCS9（256QAM调制+ 5/6码率前向纠错编码）的速率为26.7Mbps或35.6Mbps；规格书标称的最高数据速率为4信道聚合・4流配置下的426.7Mbps或568.9Mbps。该规格相较于空白频谱联盟此前宣称的“常规使用场景下80Mbps、近距离传输时400～800Mbps”，存在显著差距。

11af标准的数据包格式基本沿用了Wi-Fi的既有格式，在规范第22.1.4节 “PPDU格式” 中仅用5行文字进行了描述。这与稍晚于11af启动的11ah标准形成鲜明对比——11ah不仅沿用原有格式，还扩展支持PV1帧（9.8节）及S1G PPDU格式（23.3节）。

11af标准的AP-STA工作模式同样沿用了Wi-Fi的经典架构。这一点与11ah标准形成鲜明对比：11ah将单台AP支持的接入节点数从2007台扩展至8192台，适配该扩展需求，其信标帧格式也进行了大幅优化，采用“短信标帧”与 “长信标帧”混合传输机制（详见9.3.4.3节）；同时，面向低功耗节点的流量通知（TIM）机制也得到了极为细致的扩展（详见9.4.2.5节）。而11af的信标帧格式则与传统Wi-Fi完全一致，未做额外修改。在终端能力信息交互方面，11ah通过新增S1G Capabilities（9.4.2.200节）、S1G Operations（9.4.2.212节）等信息元素（IE）实现功能扩展，11af则直接复用了与11ac标准兼容的VHT Capability（9.4.2.157节）信息元素，无需额外定义。

与11ah标准不同，11ah以大范围覆盖、海量节点接入、低功耗的传感器网络类应用为目标，对传统Wi-Fi的技术规格进行了大幅扩展；而11af则力求与11ac标准实现规格通用，其核心目标或许是仅替换11ac芯片组中的物理层与射频模块，以此推动自身早日实现产品化。

IEEE802.11af的现状

曾吸引谷歌、微软等巨头参与，且如往常一般被IT媒体新闻赋予诸多包含误解与过度解读的高期待—— 这便是被誉为 “超级Wi-Fi” 的IEEE 802.11af标准。然而就现状而言，该标准已沦为无人问津的有名无实之作。归根结底，目前尚无任何厂商将支持11af的无线芯片实现产品化。据笔者所知，仅有2015年12月日本情报通信研究机构（NICT，国立研究开发法人）开发出11af兼容的芯片，并成功搭载该芯片的USB适配器（尺寸为宽5厘米、全长17厘米、厚度1.9厘米，相较于普通“适配器” 而言体积着实偏大）完成运行测试的相关报道（※注3）。

(※注３) https://www.nict.go.jp/press/2015/12/16-1.html

曾在 “空白频谱无线热潮”中推波助澜的谷歌，早已悄然退出了这一领域。该公司于2018年启动了通过高空气球构建广域无线网络的“Loon” 项目，然而这一项目也在2021年宣告终止。

微软则显得更为执着，仍在持续推进相关尝试 —— 我们能找到一些零散新闻报道，例如该公司曾于2020年前后宣布，将在美国中西部农业地区启动基于空白频谱无线技术的互联网接入测试项目（※注4）；2021年又与美国全国广播协会（National Association of Broadcasters, NAB）产生了纠纷（※注5）。不过，这些项目最终的进展与结果目前尚无明确信息。尽管微软官网至今仍保留着对空白频谱无线技术的发展展望（※注6），但该页面链接未来能否持续存在，同样无从知晓。

(※注４) https://www.govtech.com/network/white-space-internet-could-connect-the-uss-isolated-places.html

(※注５) https://www.nexttv.com/news/nab-on-tv-white-spaces-no-more-microsoft-hand-outs-for-failing-experiment

(※注６https://www.microsoft.com/en-us/research/project/dynamic-spectrum-and-tv-white-spaces/

至于事情为何会演变成这样，我平时也并未主动追踪802.11af相关的动态，所以也不太清楚具体缘由。查阅《IEEE 802.11 - 2020标准》的E.2.5章节（美国与加拿大的电视空白频段，即54 - 698兆赫兹）时，里面通篇都在讲GDD相关的繁琐规定。GDD是“地理定位数据库依赖”的缩写，其详细内容记载于该标准4.3.25章节 “地理定位数据库管控下的运行机制”中。说到底，空白频谱无线技术并非那种“买回来插上电源谁都能直接使用”的设备，使用者必须向中央地理定位数据库查询获取特定时段、特定地点可使用的频段信息后，才能正常使用该技术。尤其规定无线接入点必须参照美国FCC管理的认证注册数据库来运行，通篇都是这类十分繁琐的要求。总而言之，原本大家期待在模拟电视信号停播后，能出现一片无需申请、无需许可，任何人都可自由使用的广阔空闲电波资源，最终这一愿景并未成为现实。

频段管理问题及与既得利益方（美国全国广播协会NAB）的冲突始终存在，导致免许可、免申请的商用产品能否落地始终处于模糊状态。

随着智能手机的普及，4G乃至5G数字移动网络以前所未有的势头快速拓展并实现广泛覆盖。

2020年前后，可免许可、免申请使用的800～900MHz频段竞争技术（IEEE 802.11ah）已完成产品化落地。

基于上述种种原因，包括11af在内的 “空白频谱无线技术（超级Wi-Fi）” 自2008年前后的热潮过后便势头不再，如今已沦为门可罗雀的技术领域。

总结

新电波利用法规的制定、伴随对相关通信技术的误解而产生的过高期待、最终在一番喧嚣过后沦为徒劳 —— 这一发展历程，我此前在“超宽带（UWB）相关介绍”中也提及过。虽说这类“常见戏码”本应令人警惕，但在无线通信行业中却早已屡见不鲜。之所以用“屡见不鲜”这一过去式表述，是因为过去十年左右，提及新兴无线技术话题，几乎都集中在“5G移动通信”及其周边领域，再也听不到那些不切实际却充满想象力的新技术传闻了。作为工程师，虽不必再被各类离谱概念折腾，省去了不少麻烦，但另一方面，也不禁让人略感寂寥：这或许正是数字无线通信技术走向成熟并趋于商品化的佐证吧。

超宽带（UWB）技术近年来摒弃了“近距离限定・超高速无线”的定位，回归至脉冲式技术路线，并以苹果Apple Airtag为代表，开始作为近距离精密定位设备投入应用。尽管UWB实现了这样的复苏，但坦率地说，11af乃至空白频谱无线技术是否拥有未来，目前尚无法断言。不过就当前现状来看，其发展前景似乎并不乐观。

模拟电视信号停播已逾十年，但空白频谱仍持续受政治意图左右，目前完全看不到会很快实现 “无需申请、无需许可、人人可用”的迹象。另一方面，竞争技术除了5G和11ah之外，以Starlink为代表的低地球轨道卫星网络也已应运而生—— 用户只需签订服务协议、购置相关设备，即可实际使用这些技术。

曾被誉为 “媒体之王” 的电视广播，其影响力与重要性已大幅下滑。如今不少年轻人都会表示“电视没什么意思，根本不看，有互联网就够了”。尽管如此，在未来十年左右的时间里，完全看不到地面数字电视广播会被全面废止的迹象。即便未来真的迎来地面电视停播，届时或许能释放出广阔的频谱资源并实现再利用，但这恐怕也是数十年后的事情了。

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摘自SILEX希来科技：

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