2.4GHz vs 5GHz vs 6GHz：快速了解Wi-Fi頻率的未來

自1997年第一個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建立以來，2.4GHz頻段一直是科技設(shè)備的主要頻段。得益于該頻段的無需授權(quán)許可特性，這個頻段非常有用，而大量使用這個頻段也帶來了許多問題，包括可靠性和帶寬挑戰(zhàn)。

那么，為什么2.4GHz在設(shè)備中如此受歡迎，它又面臨著哪些挑戰(zhàn)，未來工程師可以期待哪些新技術(shù)?

為什么 2.4GHz 如此受歡迎？

無線電頻譜充滿了大量的頻段，從長波無線電到高頻亞毫米微波；然而，在整個無線電頻譜范圍內(nèi)，2.4GHz頻段仍然受到工程師的歡迎。

與普遍的看法相反，微波爐選擇2.4GHz的頻率并不是因?yàn)樗肿釉谶@個頻率上共振。Christopher S. Baird博士是該領(lǐng)域的知名專家，他在一篇名為《Why are the microwaves in a microwave oven tuned to water》的文章中解釋說，微波爐內(nèi)產(chǎn)生的微波不是單色的，這意味著它們不會調(diào)諧到特定的頻率。這有助于揭示人們對微波技術(shù)的普遍誤解。相反，它們是由一種叫做磁控管的設(shè)備產(chǎn)生的，這種設(shè)備能發(fā)射出廣譜頻率，頻率根據(jù)被加熱食物的具體情況而變化。

微波通過介電質(zhì)加熱來加熱食物。電磁波中的電場對食物中的分子施加了一種力，使它們旋轉(zhuǎn)、碰撞，并將它們某種程度上有序的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為熱量。這不僅適用于水分子，還適用于食物中的許多分子。

同時，2.4GHz頻段在幾乎所有國家都是未經(jīng)許可的，這意味著任何人都可以使用該頻率。因此，當(dāng)Wi-Fi在1997年問世時，工程師們轉(zhuǎn)向一個未經(jīng)許可的頻段是有充足的理由的。但是，實(shí)際上也存在許多未經(jīng)許可的頻段，例如433MHz、900MHz、1890MHz和5.8GHz。那么，為什么2.4GHz比其他選項(xiàng)更受歡迎呢?

例如，我們看看無處不在的家用路由器。從 2000 年代初期到今天，大多數(shù)路由器都默認(rèn)使用該頻段，因?yàn)樗哂谐錾母采w范圍和穿墻能力。對于希望確保其設(shè)備在整個家庭中提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)訪問的制造商而言，該頻段是一個明智的選擇。

首先，由于Wi-Fi通常處理大數(shù)據(jù)傳輸(每秒兆字節(jié))，因此對帶寬有很大的要求，這就排除了許多較低頻率(低于1GHz)。其次，這樣的網(wǎng)絡(luò)需要能夠在廣闊的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，雖然較低的頻率具有更好的遠(yuǎn)程傳輸能力，但這是以帶寬為代價(jià)的。然而，使用非常高的頻率(如5GHz及以上)不僅傳輸距離受限，而且通過墻壁等障礙物的穿透能力也較差。

因此，工程師得出結(jié)論，2.4GHz 是 Wi-Fi 的完美頻率，因?yàn)樗哂羞h(yuǎn)距離能力（最遠(yuǎn) 100 米），同時提供顯著的帶寬和在室內(nèi)環(huán)境中傳播的能力。當(dāng)然，除此之外，使用2.4GHz的一個最重要的原因是它是免費(fèi)的，Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)也是如此，這意味著任何人都可以開發(fā)自己的Wi-Fi芯片組。

但受益于2.4GHz頻譜的不僅僅是Wi-Fi；由于缺乏許可和提供的眾多功能，許多其他協(xié)議都使用了這個頻段。例如，藍(lán)牙是一種利用該頻譜的低能耗無線電技術(shù)，Thread和Zigbee也是如此。因此，今天我們在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在開發(fā)和部署方面取得了巨大的進(jìn)步，幾乎所有家庭都擁有某種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

2.4GHz面臨哪些挑戰(zhàn)？

盡管2.4GHz提供了所有的優(yōu)勢，使其成為令人印象深刻的頻段，但另一方面方面它也也有致命弱點(diǎn)。由于該頻段未經(jīng)許可，幾乎任何人都可以制造自己的2.4GHz設(shè)備，當(dāng)設(shè)備足夠多就開始出現(xiàn)擁塞問題。

雖然目前這對普通家庭來說可能不是什么大問題，但在未來十年中，更多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的加入將很快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度開始放緩。對于人口密集的地區(qū)尤其如此，在這些地區(qū)，多個接入點(diǎn)通常非常接近，并且有限數(shù)量的頻率通道從根本上限制了可以同時連接和傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備的最大數(shù)量。

在人口稠密的公寓樓中可以看到這些挑戰(zhàn)的真實(shí)示例。在這樣的環(huán)境中，2.4GHz頻段上大量不同的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通常會導(dǎo)致信號干擾，從而降低連接質(zhì)量。

2.4GHz頻譜也面臨著現(xiàn)代應(yīng)用和增加帶寬需求的挑戰(zhàn)。例如，向4K視頻的轉(zhuǎn)變已經(jīng)看到從視頻服務(wù)流傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長(4K需要的帶寬至少是1080的4倍)，而使用更高幀率的視頻進(jìn)一步增加了帶寬需求。通過2.4GHz網(wǎng)絡(luò)連接的單個設(shè)備可以流式傳輸此類視頻，但是當(dāng)多個客戶端同時連接時，所有客戶端都請求此類視頻內(nèi)容，傳統(tǒng)的2.4GHz可能會開始出現(xiàn)問題。

總的來說，在過去的幾十年里，2.4GHz已經(jīng)很好了，但是隨著設(shè)備帶寬需求的增加和設(shè)備數(shù)量的增加，很明顯2.4GHz已經(jīng)不能勝任這項(xiàng)工作，需要新的解決方案。

工程師有哪些替代解決方案？

值得慶幸的是，世界上許多政府已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2.4GHz的持續(xù)問題，并開放了多個頻率。5GHz就是這樣一個頻段，工程師可以求助于增加帶寬，并且已經(jīng)存在多年。由于5GH 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備很少，該頻譜上沒有擁塞，加上范圍更小，使其成為提供超高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的室內(nèi)本地化網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。這種低射程也使它有可能用于未來的短距離設(shè)備，例如標(biāo)簽、識別芯片，甚至可能是新版本的藍(lán)牙。

根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的一份報(bào)告，6GHz頻段有望成為Wi-Fi技術(shù)的未來，因?yàn)樗軌蛑С指呷萘康牟僮骱透鼜V泛的應(yīng)用范圍。他們對這一主題的廣泛研究和正在進(jìn)行的研究使他們成為該領(lǐng)域高度可信的來源。雖然仍處于起步階段，但6GHz能夠?yàn)樵O(shè)備提供比5GHz更大的帶寬，支持8K VR等應(yīng)用。支持這些頻段的設(shè)備通常被標(biāo)記為Wi-Fi 6E，這與Wi-Fi 6不同，后者在傳統(tǒng)的2.4GHz和5GHz頻段工作。

需要傳輸少量數(shù)據(jù)的工程師也可以考慮LoRa和433MHz的優(yōu)勢。這兩種頻段都是未經(jīng)許可的，這降低了開發(fā)成本，而且它們的長距離特性允許設(shè)備消耗很少的能量，傳輸少量字節(jié)，并且可以傳輸許多公里。

展望未來，2.4GHz 很可能會成為較慢設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，例如智能家居傳感器和僅偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)的接口。需要更大帶寬的設(shè)備，例如智能手機(jī)和筆記本電腦，將需要轉(zhuǎn)向以更高頻率運(yùn)行的不同網(wǎng)絡(luò)。這不僅有助于緩解2.4GHz頻段的擁堵，而且還為這些設(shè)備提供了更大的帶寬，從而使它們能夠繼續(xù)使用最新的功能和服務(wù)。

從最近推出的最新iPhone型號中可以看到從2.4GHz頻段過渡的一個成功例子。Apple已采用5GHz和6GHz 頻段，可實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸并減少擁塞。這也得到了用戶的積極評價(jià)，許多人也反饋互聯(lián)網(wǎng)連接速度明顯加快。

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