亦敌亦友的 Wi-Fi
自从3G时代以来,Wi-Fi就是必要的数据通信的补充,其发展速度也非常迅猛,2019年正式投入了Wi-Fi 6的使用。但Wi-Fi产业链与电信产业链的不同之处在于自治,包括专利标准、芯片商、设备商。Wi-Fi没有全国性或者地区性的运营商,只有局域的网络管理者。5G与Wi-Fi 6的核心技术很多是类似或者相同的,在未来的技术发展和业务整合道路上应当是深度融合。
Wi-Fi的前世今生
作为网络数据交互需求的代表,Wi-Fi的主要目的是组建无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)。随着技术的不断发展,WLAN也在不断更新换代,并不可避免地与传统通信代表的蜂窝移动系统相生相克。
目前主流的WLAN技术是IEEE的802.11系列标准。从最基本的红外传输到最先进的OFDM技术,802.11系列一直走在高速率数据传输技术的最前沿。
1997年,IEEE为无线局域网制定了第一个版本标准——IEEE802.11,如果我们从OSI七层网络模型开始考虑,802.11主要定义媒体访问控制层(MAC层)和物理层(PHY层)的相关协议。其中,物理层定义了工作在2.4GHz的工业、科学和医疗(Industry, Science &Medicine,ISM)免费频段上的红外传输方式,总数据传输速率为2Mbps。随后,在物理层和媒体访问控制层协议不断演进的同时,还开发了安全、mesh组网、车联网等诸多协议,形成了针对无线局域网的庞大协议族。
1999年,为了推动IEEE 802.11b的制定,无线以太网相容性联盟(Wireless Ethernet Compatibility Alliance,WECA)成立;
2002年10月,改名为Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)。这是一个商业联盟,拥有Wi-Fi商标,负责Wi-Fi认证和商标授权。
2018年10月4日,Wi-Fi联盟宣布将下一代Wi-Fi技术802.11 ax更名为Wi-Fi 6,并将前两代技术802.11n和802.11ac分别更名为Wi-Fi 4和Wi-Fi 5,并进而回溯到Wi-Fi1(见图2–8)。
IEEE 802.11b—Wi-Fi 1(1999年)
IEEE 802.11a—Wi-Fi 2(1999年)
IEEE 802.11g—Wi-Fi 3(2003年)
IEEE 802.11n—Wi-Fi 4(2009年)
IEEE 802.11ac—Wi-Fi 5(2014年)
这样就避免了烦琐拗口的技术标准名称,使其像2G、3G、4G、5G一样朗朗上口。
2019年9月16日,Wi-Fi联盟正式发布Wi-Fi6。这个与5G同时面世商用的无线技术,采用了当下最先进的OFDMA、8×8MIMO、多用户MU-MIMO、1024QAM调制方式等技术,并且使用了160MHz的信道带宽,可以提供9.6Gbps的传输速率,同时兼顾了密集用户场景和节能省电功能。
5G与Wi-Fi 6的相生相杀
实际上,为了统一全球通信标准以满足用户的国际漫游等需求,自3G技术推出以来,国际电信联盟一直致力于从各地区的工作小组和工作论坛中搜集整理未来通信行业需要解决的问题,并每10年左右发布一次官方建议文件,作为此代通信系统的设计目标。这些标准通常由类似3GPP或者IEEE的组织制定提交,由国际电信联盟验证评估。这些快速迭代的建议目标是符合未来10年的通信需求的。
当然,因为商业和政策问题,当存在互相竞争的标准时,符合这些目标的标准集合在商业上不一定会完全成功,两个非常典型的例子就是TD–SCDMA和WiMax。
第一代移动通信技术是瞄准电信业务移动化来实现的,因此语音业务是其最重要的基础业务,从核心网到接入网,从业务流程到安全认证,都是以电路交换技术为基础的确定性服务为技术基础。在GSM时代,移动通信运营商会致力于提高接通率,如达到99.99%,甚至达到99.999%。对于传统的电信业务而言,不存在丢包率的问题,只存在接通和没有接通两种状态。
当时数据网络的移动化要求分组交换技术追求高速率、低时延、低丢包率,这个任务就交给了WLAN。IEEE在制定WLAN核心标准后,由Wi-Fi联盟授权给各设备商制造。其数据传输速率始终比同时期的蜂窝移动通信速率要高很多。一个负责语音,一个负责数据,相得益彰,二者和平共处地使用着同一个用户终端。
早在2000年前后,以IP为代表的分组交换技术在全面替代电路交换技术的过程中不断完善,从仅仅勉强传输网络数据,到可以顺畅地传输语音、视频等多媒体数据,越来越显得游刃有余。IP电话由于资费低甚至免费,迅速赢得了用户。语音,这个传统电信的基础业务被动摇了。
作为数据通信技术,Wi-Fi和其构建的WLAN一直是高速接入的首选。语音业务用固话/移动电话的电信网络系统,数据业务用Wi-Fi的计算机网络系统,双方共享一个用户,互为补充,倒也相安无事。但在4G技术之后,电信系统进行了革命,不再将语音业务作为自己的基础业务,而是将全部火力集中在高速数据通信上,这就导致WLAN逐渐丧失优势;而WLAN自诞生之初就在进军语音业务,挑战电信的固有领地。在4G之前,大家可以共用一个信息终端来分享一个用户,但到了5G时代,双方旗鼓相当,从“友军”变成了“敌军”。
从之前的“友军”变成了竞争对手,5G与WLAN正式开始了争夺用户终端之战。事情在近20年发生了根本性变化。2000年前后成立的BAT(百度、阿里巴巴、腾讯)等互联网公司,培养了用户的网络习惯,孕育了互联网思维,进而影响了人们的信息交互方式,从过去仅有的电话语音沟通,扩展到邮件、社交软件等;而2013年前后成立的今日头条、美团、滴滴出行等移动互联网公司,将这种互联网化进一步移动化,从PC(个人计算机)端扩展到移动终端,这让用户对语音交互的依赖越来越小了。
互联网数据交换理应是以Wi-Fi为基础的WLAN网络的优势所在,但蜂窝移动通信网络的飞速发展,正在逐渐蚕食Wi-Fi的领地。还有最致命的一点,从4G时代开始,蜂窝移动通信的数据传输速率已经明显接近同时期WLAN的数据传输速率。中国持续多年的“提速降费”使得WLAN的成本优势不断下降,而其移动性差、安全隐患大等问题慢慢得到重视。因此,人们开始越来越多地直接使用更加安全、资费不是太高的4G来完成业务。这种趋势,在5G时代可能会更加明显。
技术路线的选择贯穿了整个技术发展史。早在20世纪90年代末期,数据传输技术就有IP和ATM(Asynehronous TransferMode,异步传输模式)之争。当时作为在技术上更加先进的ATM首先在局域网上落败,随后几年在城域网上渐渐失守,直到被IP技术彻底替换掉。
2019年,5G标准并没有完全制定完,但很多国家已经迫不及待地将其投入商用。也是在2019年,WLAN发布了最新的Wi-Fi 6标准,两者的数据传输速率对用户来说相差不多,而且彼此都想进入各自的领域,这一点在物联网市场争夺中表现得最为激烈。长久来看,5G虽然有高安全性的优势,但WLAN有低成本的优势,两者对应用场景的适配不同,未来应当走向融合。
5G与Wi-Fi 6的区别
看到这里很多人可能会有一些疑问,Wi-Fi是否会被取代?这个问题也许可以用以下问题回答:移动通信系统(xG,x=1,2,3,4,5)与我们现在日常使用的Wi-Fi有什么区别?(本书主要针对的是私人家庭Wi-Fi,而非工业级Wi-Fi)
用户最直观的体验是Wi-Fi比xG要便宜很多,然而在大部分情况下,价格只能反映一部分因素。如果把一个小小的家庭网络扩展到全国和世界范围,就是xG。不过这个大范围和小范围之间还有很大的区别。我们需要先从需求说起。
需求区别
1.竞争性
就Wi-Fi和xG来说,它们在技术上的区别有点类似区域自治和中央集权,这种思路导致了大部分Wi-Fi节点都是私人(或者公司,或者城市)建设,而xG基站是运营商在全国建设。
换句话说,在无线信号传输过程中,因为各个私人路由器之间没有交流且都使用相同频谱,所以Wi-Fi的数据传输是竞争性的,同一区域内Wi-Fi频道是有限的,且在同一Wi-Fi接入点下如果接入过多用户也会受到带宽限制;而xG的数据传输是非竞争的,有中心化资源调度,除非极个别突发情况导致使用爆发或基础设施损坏,否则很少出现单个用户资源受限的情况。
这就像公路和铁路的区别。开车出门上路,我们不知道下一个路口会不会突然出现一长串闪着红色尾灯的汽车堵在前面;而铁路就不会有这种困扰,前方多远有车,最高速度可以跑多快,都有中心调度系统告诉司机。
2.私密性
一般意义上,Wi-Fi连接的是私人有线宽带,而xG的基站连接的是运营商的骨干网,因此,Wi-Fi普遍会有私密性要求,未经许可不能随意接入。Wi-Fi一般没有电信级认证机制,而且计费系统不够成熟,如对认证和计费有较高要求,则需在一定程度上对Wi-Fi网络自行定制和加强;而xG则有非常完善成熟的认证与计费体系。
3.移动性
Wi-Fi连接的是私人有线宽带,接入点固定,同时宽带是有线的。
这意味着Wi-Fi对移动性需求很低,覆盖范围有限,一般只用考虑步行速度对信号传输的影响,不用考虑小区切换;而xG的基站存在很高的移动性和小区切换需求,需要考虑如汽车、火车等高速物体。
目前虽然Wi-Fi有WDS(Wireless Distribution System,无线分布式系统)等无线中继和无线网桥模式,能够在大型公寓内扩展Wi-Fi覆盖,但还是不如运营商的小区切换成熟。
这样的竞争/非竞争、私密性和移动性要求,会带来一系列从功能、技术到覆盖、接入、频谱、速度等的不同。
技术区别
1.频谱/接入
Wi-Fi使用的频谱(2.4GHz/5GHz)是非授权频谱,也就是说这段频谱并未分配或拍卖给个人或公司,任何人和任何企业都可以用自己的Wi-Fi设备随意接入。xG使用的频谱是授权频谱,除了获得该频谱的运营商,其他人无权使用此频谱。现在大家一打开手机Wi-Fi,就会立即看到很长的无线列表,大部分都是Wi-Fi路由器,这意味着此频段非常拥堵,可能存在非常多的干扰。
如果其他技术相同,此频段Wi-Fi信噪比会比较低,这会导致Wi-Fi信号覆盖范围缩小,传输速率较慢。因此,目前Wi-Fi协议都在扩展5GHz、60GHz等高频率、干扰较低的频段。Wi-Fi设备很多,但频段是有限的,一定会产生信道资源竞争,这时就要依赖Wi-Fi最核心的空口协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)进行干预(见图2–9)。它的具体做法是发送前对该频段做占用检测,如果信道忙碌,那么等一个随机时间再发送。但是这种检测不是实时的,所以依然有可能存在两个路由一起检测到空闲频谱,同时发送数据,这时就产生了信号碰撞问题导致数据包丢失,需要采取重传的方式再次传输。
而在xG中,因为接入信道是由基站分配的,而且在分配算法中会考虑干扰因素,所以相比较之下,基站覆盖范围会大。同时,xG在信号传输之前已经被基站分配了专属“线路”,所以不需要发送前信道检测,对碰撞重传的要求也就很低。
另外一个有关接入的显著不同是,因为运营商需要全地点接入,所以xG是不存在密码的,它们采用SIM卡中的身份识别,通过收费网关收费;而Wi-Fi通常需要密码作为认证手段,也很难进行计费。
2.覆盖
Wi-Fi的覆盖范围一般会很小,相比较之下基站因为布站位置好,频段干扰低,所以覆盖范围大得多。因为网络速度可能会受太多因素影响,所以这里不讨论Wi-Fi和xG的速度问题,实际上今天这两者谁比谁快都是有可能的。
比如在一座大楼中,如果想方便地服务楼内人员,扩大Wi-Fi覆盖范围,靠单个无线路由器肯定是不行的,覆盖大楼的单个无线路由器一定会超过国家规定的无线电发射功率,所以需要多个路由器联合组网,比如一个无线路由器负责一个房间,同时其他路由器采用同样的名称,并相互协作,从而组成覆盖整个大楼的无线网络。我们知道,单节点决策的系统是最高效的系统。也就是说,如果无线网络中存在多节点协作,最有效率的方式是有一个全网络的控制器,来帮助各个路由器调度和分配时/空/频谱资源。
在大规模Wi-Fi网络里,就是把家庭路由器中集合一体的接入点(Access Point,AP)和控制器(Access Controller,AC)分离。用控制器控制全网,并分配资源。
那么如果范围再扩大一点呢?上升到全国范围,单个控制器的数据处理速度显然是不够的,那么每一个区域需要一个类似的控制器,并且各个控制器之间也需要协同工作,互通有无,这就形成了核心网。而各个接入点就形成了无线接入网(Radio Access Network,RAN)。
运营商的移动通信网络,主要由核心网和接入网两部分组成,如图2–10所示。从单路由到公司级的多路由组网,再到全国级的基站覆盖,这大概就是Wi-Fi和xG之间的鸿沟。
当前,电信网络已发展到5G,而Wi-Fi也已演化到第六代。在较早期,电信网络的数据流量较贵,且尚未达到较高的速率,而Wi-Fi往往与家庭和互联网的连接绑定,不限制流量,且能够保障一定带宽,因而Wi-Fi在互联网连接方面具备相当的优势。
而近年来,随着电信网络提速降费,Wi-Fi虽然在技术方面也有相应的改进,但对于普通用户来说代际性不强,以往的优势正在消失。
然而,由于Wi-Fi方便配置且不需额外付费,当前的智能家居等移动性较低的设备选择将其作为接入互联网的首选。对于追求性价比的普通用户而言,在更远的未来,选择将更具个性化;抑或二者会呈现融合之势,借由更加方便的网络接入所激发的创新技术与应用,也非常值得我们期待。
5G与Wi-Fi的辐射
每一代通信系统的商用,都有很多人关注其对健康的影响,现在人们也很关注5G或者Wi-Fi 6的辐射是否对人体有影响。很多人希望科学家能够给出一个确定的答案,但对于这种老生常谈的问题,科学共同体的回答却是:不知道,因为存在争论。
更字斟句酌的回答是:迄今为止,没有任何研究表明存在一致的证据,证明接触射频场强度低于造成组织发热的限值,会产生不良健康后果。
1996年,世界卫生组织(WHO)建立了“国际电磁场计划”,以调查人体长期暴露在极低频电场和磁场中是否会危害健康,我国也曾经加入其中。
最终该项目于2008年发布了评估结果与建议,上述回答就来自相关结论。对于这个结论,我们可能要详细解释一下才能让大家感受到这些科学语言的严谨之美。
电磁辐射与射频标准
电是我们日常生活中不可缺少的一部分,只要电在传输或使用,输电线附近和用电设备周围就会存在电场和磁场,包括但不限于基站、手机等电子产品。这些常用电子产品会产生电磁辐射,把能量以电磁波的形式发送到空间。一般而言,电磁波的频率和强度越高,电磁辐射的能量就越大。
当电磁辐射作用于人体时,可能会对人体产生热效应和非热效应两种影响。
1.热效应
热效应已经被研究得很透彻了,并一直应用于我们的日常生活中,比如微波炉、太阳能热水器就是热效应的经典应用之一。通常热效应需要通过提升人体组织温度来加热组织,从而影响人体健康。
热效应过高会对人体产生负面作用。如果我们要减弱热效应,就可以反向操作,限制功率指标。这也是目前各国政府和国际组织正在做的事情。当前世界上所有国家关于电磁功率的标准都是为降低热效应对人类的影响而制定的。
单从现行国家标准来看,我国的电磁辐射防护标准堪称世界上最严的电磁标准之一,远远低于欧洲和美国现行标准。根据中国国家标准GB8702–88《电磁辐射防护规定》,对于30~3000MHz频率范围,公众在一天24小时内环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6分钟内的平均值应满足:按全身平均的比吸收率SAR应小于0.02W/kg。与之对比,目前大多数欧洲国家采用的ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)标准和美国采用的FCC(联邦通信委员会)标准分别为2W/kg和
1.6W/kg。
很多学者认为,我国和欧盟、美国的电磁防护标准差异来自制定标准时的考量。FCC和ICNIRP标准是为了防止热效应而制定的,但是俄罗斯和中国制定的标准数字如此之低,是考虑到了电磁场的非热效应影响所做出的科学推定。
5G的占用频段包含sub 6G和毫米波频段两种,而Wi-Fi 6只占用sub 6G频段。在科学研究中,sub 6G频段的热效应已经被研究得很透彻了,如果满足国家标准,不会对健康产生由热效应带来的影响。根据科学推断,毫米波频段可能会带来新的热效应挑战,比如对眼睛、皮肤等密度不均匀且暴露在外的身体部分影响会更加显著。
不过,基于现行标准的研究表明,目前依然不需要过分担心热效应的影响。科学实验表明,在10mW/cm2下持续8小时的60GHz毫米波辐射没有表现出眼部损伤;同时,在相似条件下的皮肤实验表明,皮肤温度上升可能为0.1度~0.5度,考虑到血液流动和热量散失,这一温度并不会对人体造成严重的影响。
所以,只要遵循现有标准,5G所造成的热效应并没有严重的负面影响。我们之所以说这个结论无法评价,主要是因为下面会具体提到的非热效应。
2.非热效应
既然国家可以通过限制发射功率来避免热效应,保护民众健康,那么是不是说这样做就不会对人体造成伤害呢?那倒不是,因为生物长时间暴露在低于热效应限值的电磁环境里,虽然不会受到组织发热等影响,但是可能会有其他生理影响,这些影响被统称为非热效应。
科学意义上,非热效应通常包括对细胞生长和增殖速率、酶活性、组织修复和再生速率以及其他生物效应的影响,而且这些影响通常与温度变化没有直接明显关系。
针对电磁场非热效应的影响,科学家众说纷纭,甚至可以说是争议遍地,已经持续了数十年。国际电磁安全委员会曾经发表声明,表明这些争议可以解释为非热效应可能不存在,FCC和ICNIRP制定的电磁防护规范也遵循这一原则。
不过目前的一些现象值得讨论。
我们从积极方面说起。自从20世纪70年代以来,在东欧地区存在一种毫米波疗法:通过每天在42.2GHz、53.6GHz或者61.2Ghz的毫米波照射中暴露15~30分钟,持续5~15天,可以治疗胃溃疡、心脑血管疾病、呼吸道疾病、皮肤病等。在东欧地区使用这种疗法的患者人数众多,但是它的治疗机制并不清楚,这种疗法也尚未被西方医生和科学家接受。不过这种现象揭示了一些科学意义,电磁波的非热效应可能确实会对生物体本身造成一定影响。出于对科学严谨的态度,这种疗法导致对电磁波非热效应的研究日渐增加。
美国天普大学(Temple University)的Radzievsky等人发现,61.22GHz毫米波(13.3 mW/cm2)能够抑制皮下肿瘤生长,并且50~80GHz的电磁辐射有助于组织肿瘤细胞增殖。另外的一些研究表明,毫米波可以增强人体免疫系统。早期的一些实验表明,对比无毫米波照射的对照组,有毫米波照射的兔子、老鼠等表面伤口愈合速度要快两倍。实际上因为毫米波可以促进伤口愈合,并且不留伤疤,它也已经在俄罗斯的一些美容诊所中用于医疗美容。
同样有一些研究结果表明,毫米波会对生物组织产生未知影响,比如生物膜。这里的生物膜是对生物体内所有膜结构的统称,细胞膜是生物膜中我们最耳熟能详的一种。在60GHz毫米波电磁辐射(0.9mW/cm2)中生物膜的侧向压力会增加,在53.3或130GHz的(7.3mW/cm2)毫米波中,生物膜的渗透性会发生改变。
我们并不能确定毫米波与生物膜的作用机理,但是如果这种改变影响了神经膜的渗透性,那么它就会影响神经系统中电信号的传输,从而改变人类对环境的感知能力,比如疼痛感。
更有趣的是,在以往的研究结果中,我们也能找到一些针对非热效应非常负面的研究。2018年3月,美国国家环境科学研究所(NIEHS)国际毒理学计划(NTP)公布了一份NTP关于大鼠小鼠手机电磁辐射致癌的报告草案。
该报告表示,14人同行评审小组经过彻底审查后认为,基于GSM和CDMA调制的射频辐射具有“统计学意义”和“明确证据”,会导致雄性大鼠(Harlan-Sprague-Dawley株)心脏中出现恶性神经鞘瘤(一种罕见的肿瘤形式)。此外,对于雌性大鼠中相同的神经鞘瘤风险存在“模棱两可的证据”。
美国使用五类致癌活动证据对其报告中观察到的证据强度进行分类:“明确证据”和“一些证据”表明阳性结果,不确定的结果称为“模棱两可的证据”,“没有证据”表示没有可观察到的影响,由于主要实验缺陷而无法评估的结果称为“不充分研究”。
报告同时提到,这项研究虽然是同类研究中规模最大的,但是它依然不够完善,实验中变量控制不够充分等问题依然存在,导致我们无法百分百确信结论的正确性。具体到5G,目前我们也没有类似的毫米波频段来验证实验结果。
虽然目前对非热效应科学界众说纷纭,但是我想为了防止答案被歪曲解读,在最后必须强调一下,本节中关于非热效应的很多研究都未得到重复确认,这些只是目前研究人员观察到的现象,由于这些现象众说纷纭甚至有些相互矛盾,因此我们暂时无法基于这些研究得出有公信力的结论。
关于公共政策和医疗保健的重大决策,通常不应该基于这些单独未经验证的研究结果。因此,迄今为止,还无法证明接触射频场强度低于造成组织发热的限值会产生不良健康后果。同样,目前也没有任何研究表明存在一致的证据,证明符合国家电磁防护规范的设备会对人体产生不良健康后果,不论2G、3G、4G、5G时代,还是Wi-Fi设备。
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