走近未來網絡之WiFi篇

許志堅 譚航

江蘇省未來網絡創新研究院

0 前言

1 WiFi的現狀

隨著互聯網特別是移動互聯網的普及和應用，網絡通信技術在人類的生產活動和生活方式的變革中扮演了重要的角色。以網絡創新為主要內容的“中國新四大發明”帶給國人久違的自信和激情。

同時，在喧囂中我們應該清醒地認識到，就網絡空間核心競爭力而言，雖然我們正在快速追趕，但與美國等發達國家還存在著較大的差距。關于互聯網的國際標準中屬于中國的僅有1%，2017年中國獨角獸企業超90家，僅次于美國，但基本集中在產品和模式創新上，軟件、網絡安全、數據分析等高門檻、高技術附加值領域沒有一家入選。缺少核心技術意味著，互聯網經濟依賴程度與面臨的風險同步增加。

為了爭奪網絡空間的話語權，美國、歐盟、日本等先后啟動了Internet2、PlanetLab、GENI、FIRE、PAWR等一系列試驗網絡建設項目，有效推進了這些國家和地區網絡技術的創新與發展。中國也在積極籌備，“未來網絡試驗設施項目”是通信行業唯一的國家重大科技基礎設施項目，以江蘇省未來網絡創新研究院為法人建設單位，清華大學、中國科學技術大學、深圳信息通信研究院為共建單位，該項目將建成覆蓋全國的未來網絡試驗裝備，支撐“互聯網+”國家戰略需求，滿足“十三五”和“十四五”期間國家關于下一代互聯網、網絡空間安全、天地一體化網絡等重大科技項目的試驗驗證需求，探索我國未來網絡發展的技術路線和發展道路，在國際上爭取更大的話語權。

近年來，“未來網絡”逐漸成為了一個高頻詞，其覆蓋廣泛、內容豐富，本文作為未來網絡科普系列的一部分，將從WiFi這個大家最熟悉的網絡入手，由淺至深，與大家共同了解網絡的過去與現在，共同展望網絡的未來。

對WiFi的熟悉，不僅僅是因為使用頻次高，與被動地使用運營商通信服務不同，它是具備自主搭建、自主管理特征的為數極少的網絡之一，從它入手，可以讓更多非通信從業者更容易地走近未來網絡。

WiFi以應用場景劃分可以分為家用和公共，由于用途不同，技術側重點也截然不同。

1.1 家用 WiFi網絡

家用WiFi的主要目的是家庭上網，自從有了WiFi，人們擺脫了綜合布線的煩惱，可以隨處上網，還能夠支持手機、電視、PAD、電腦、智能電器等同時上網，在家庭局域網內使用聯網游戲、視頻同傳等應用。家庭WiFi以802.11g和802.11n為主，其接入速率完全能夠滿足正常網絡使用，主要的技術挑戰是覆蓋范圍、安全性和干擾。

家庭環境下，電磁強度必須限定在安全的范圍里，這與保證各房間都有較好的網絡覆蓋是矛盾的，較為常用的是采用信號放大器、中繼器、電力貓等方式增加信號覆蓋范圍，這些方法花費很小，簡單易學，人人都可以自己動手。

由于無線信號的無邊界性，使得家庭成員外的人也可以使用你的家庭WiFi，俗稱“蹭網”，網上所謂的“蹭網神器”、“WiFi萬能破解”等工具大行其道，如果僅僅是正常上網，對戶主的影響很小，但如果采用BT等工具大量下載，則會嚴重影響戶主的上網體驗，最明顯的是電視卡頓，打開網頁速度明顯變慢甚至打不開，但更為嚴重的是，如果蹭網者利用與戶主在相同VLAN的便利對戶主的信息進行采集和破解，則會帶來非常嚴重的安全后果。目前主要是建議戶主加強安全設置，比如采用更安全的加密認證、更復雜的密碼、MAC地址過濾等。

WiFi使用開放頻段，缺少統一規劃，信號干擾的問題在當前體系下很難解決，WiFi的使用頻段被限定在一定范圍內，隨著WiFi數量增加，發射功率越做越大，無線信號不可避免地都重疊在一起，造成相互的干擾，造成卡頓、斷網等問題。最常見的緩解建議是，盡量使用5G頻段，或者采用信號分析工具先找到信號疊加最少的信道，并手工切換家庭WiFi的工作信道。

1.2 公共 WiFi網絡

公共WiFi網絡是指在公共場合提供的上網服務，最常見的是商戶的免費服務，比如賓館飯店、機場車站等，同時地方政府為了推進“智慧城市”，也在積極利用WiFi提供社會公益方面的便利。這些WiFi由于服務對象、上網需求、終端品類等差異性很大，設計的難度要遠超家庭WiFi，其技術挑戰也改變為接入能力、信息安全、移動性方面。

接入能力不足是公共WiFi的痛點，顯示為信號滿卻接不進去，即便接進去也傳不了數據。這其中主要的原因就是現有WiFi的空口排隊接入方式，連接的用戶越多，分配給每個用戶的空口時間就越少，上網速率就隨著用戶數的增加快速下降直至所有人都不可使用。最常見的解決方法就是增加AP的數量，但此法不可避免帶來干擾的增加，如需要大面積使用對資金壓力很大；還有人為減少低速終端空口時間的方法，提升整個系統的利用率，但會降低這部分用戶的使用感知。

信息安全則是公共WiFi的生命線，對使用者的身份無法有效驗證所帶來的安全問題相當嚴峻，比如：利用公共WiFi散布危害國家安全、社會穩定的不良信息；通過偽AP獲取個人關鍵信息，或推送克隆頁面引誘交易實施詐騙等。為了提升公共WiFi的安全性，制度管理上要求服務提供者必須具備用戶上網行為分析能力，具備關鍵數據的抽取及留存能力，具備危險地址黑名單等主動控制手段，具備對虛假AP的監測與壓制手段。即便如此，當前技術對犯罪事前發現和事中處置的及時性方面仍略顯不足。

固定區域服務是公眾WiFi最初的應用場景，隨著移動互聯網的爆炸式發展，火車、飛機、汽車上也都配置了公共WiFi，當前，移動WiFi不論連接質量還是上網速度與固定場景反差較大，與三大運營商的移動網絡還存在不小的差距。WiFi的移動性早在十年前Wimax時代就有討論，將來WiFi具有一定的移動性是大勢所趨，尤其在低速場景下。

2 WiFi網絡的挑戰

雖然WiFi是當前互聯網技術中當之無愧的“網紅”，但是移動通信技術日新月異，類似“WiFi被5G所替代”這樣的論點時常被提起，引起各界熱烈探討。

5G又稱“第五代移動通信技術”，它的理論下行速率可以達到10Gbps。與前幾代移動通信技術強調系統能力相比，5G更加面向應用、面向管理，強調針對不用應用場景切片式的差異化服務定制、強調D2D（Device to Device）和M2M（Machine to Machine）、強調軟件定義和自組網管理，是一張能夠改變我們對傳統通信認知的網絡，國家將其作為重要產業突破口，預計在2020年，5G盛宴會徐徐展開。

“5G替代WiFi”的一個論據是，三大運營商都在大力推無限流量套餐，“高帶寬+無限流量”不就是當時WiFi贏得成功最有效的武器嗎？一張網能解決所有問題豈不更加完美？

筆者認為，WiFi不但不會被替代，將來仍會有非常大的發展。原因很簡單，兩個技術存在非常多的差異化特征，兩張網絡都有巨大的擁躉。在技術替代中，技術本身是必要但非充分條件，會受到投資效益、運營成本、用戶習慣、需求特異性等因素的影響。

從商業角度考慮，移動通信所使用的無線電頻率在全世界任何國家都屬于稀缺資源，頻率分配的多少直接影響到用戶接入數量和通信質量，歸根結底影響到運營商的收入。在國外很多國家，移動通信頻率采用競價的方式獲得，需要占用企業巨大的資金，在國內，圍繞頻率的爭奪異常激烈，為了給新網絡騰出很小的一段頻率，運營商甚至忍痛放棄仍在正常使用的低代設備，從3G開始，4G和5G的更新周期非常短，運營商很多的前期投入還沒來得及回收，就進入了報廢與重建周期，5G的高密布點模式對運營商的資金也是很大的挑戰，在通信資費快速下滑的環境下，如此大規模的高風險投入一定會對盈利有所期待。而WiFi采用的是免許頻率，免費就是它的優勢，企業最大獲利與用戶最少付出之間的溝壑，絕不可能僅僅靠技術就可以填平。

從網絡流量角度考慮，競爭壓力下運營商都在推各種無限流量套餐，這種無限流量和WiFi的無限流量是一樣的嗎？每個辦過的人都有體會，無限流量套餐中，一種是在特殊資費下真正的無限流量，還有更多的是有條件的無限流量，比如一定流量后開始降速。不要指責國內運營商，國外情況也是一樣，“投資需要回收，資源需要流向最高效之處”是基本的商業法則。5G的頻率效率和網絡能力得到提升，將來流量資費一定會越來越便宜。同時我們也要想到，到那個時候，電視也許普及8K了，交互也許AR/VR了，越來越多的人開始知道“ZB”有多大了，5G的無限流量套餐可否做到真正的無條件值得期待。

至于5G的高寬帶，更加不是替代WiFi的理由。早在2010年，從HSPA+開始，無線網絡的接入速度已不再是問題，移動終端屏幕小、處理能力差，完全無法享受到如此高速網絡的體驗，隨后DC、4G、4G+連續拋出，將無線網絡的接入速度拉升了十多倍，與移動終端處理能力的差距愈發明顯。所以說，速度問題不是5G替代WiFi的考慮因素，它和“3G和4G為什么不能替代WiFi”的答案相同。況且，拼速度5G一定拼不過WiFi，WiFi從出生伊始，就一直保持著相對移動通信網1個數量級的速度優勢，它短距、非商業化、開放的血液，使它能夠更快地使用最新的技術，廣域網的技術局域網肯定能用，反過來則不成立。

從用戶習慣角度考慮，互聯網憑什么將根正苗紅的傳統數據網擠下舞臺，就憑兩個字——“自由”。“開放、平等、協作、快速、分享”是互聯網的精神所在，它給所有人提供了展示個人魅力的空間，而傳統網絡的封閉將用戶拱手讓給了對手。WiFi和5G之爭，精神層面的因素必須考慮。

還有產業成熟度、運營成本等此處不一一展開。5G是一項非常優秀的技術，它一定會全方位改變我們的生活，讓我們享受到科技的盛宴。但“尺有所長、寸有所短”，能夠解決所有問題的萬能鑰匙至少在5G時代還沒有出現，5G一定會接管很多WiFi的功能，但同時，WiFi也會在其他領域里尋找到更多的機會。5G和WiFi不是替代關系，他們亦師亦友，共同提高。當EC等新需求快速涌現的時代，誰能說這兩位大佬不會手拉著手站在我們面前呢？

基于開放頻段的LTE-U和LiFi，也是經常被說起的能夠替代WiFi的技術，如果仔細分析，它們的應用場景、適用廣泛性等方面還是有相當明顯的局限，業界普遍認為，LTE-U和LiFi在特定應用場景上有超越WiFi的能力，卻難以成為整個產業的替代。

3 WiFi網絡的未來

根據思科NVI的預測，從2016年到2021年，全球范圍內WiFi熱點總量將增長6倍。從目前的技術突破中，我們能夠看到未來WiFi的雛形，其改變主要體現在以下幾個方面：

3.1 速度指數級提升

目前最新的802.11ac wave2，其理論最高速率能夠達到6.93Gbps，如此高速僅僅服務于覆蓋半徑20米左右的區域，從單個終端占用的帶寬比較，比5G要快得多。已經公布的，工作于傳統2.4G/5G頻率下的802.11ax，其單個終端速率還要比802.11ac wave2高4倍，如果和5G一樣進入毫米波頻段，802.11ay速度可以達到176G，而這些突破僅僅是模仿了LTE的部分設計而實現的，所以業界對WiFi速度的繼續提升保持了高度的自信。802.11ax和802.11ay的產品估計會在2020年后，與5G移動網同時推出，將繼續保持WiFi在速度上超過移動通信網一個數量級的優勢。

3.2 面向應用、面向服務

傳統WiFi關注網絡指標較多，用戶感知關心較少。只強調網絡速度，卻忽視用戶的實際感受與理論值間的落差，未來WiFi的革新會越來越多地圍繞著客戶感知，從2012年802.11ac正式發布，經過802.11ac wave2到2020年左右產品化的802.11ax，9年時間，WiFi網絡理論速率沒有改變，真實的用戶感知速率在不斷提升， 802.11ax喊出的目標就是將用戶感知速率比802.11ac wave2提升4倍，從中可以明顯感覺到對服務的關注。在2018年的CES上，Wi-Fi聯盟宣布了下一代無線安全協議WPA3，它除了比目前廣泛使用的WPA2更安全之外，特別強調為公共WiFi下每個用戶提供個性化的加密及物聯網設備的管理，“面向應用、面向服務”相比當下“面向接入”而言，賦予未來WiFi更強的生命力。

3.3 組網方式更加靈活

現代通信網規模越來越大、網元設備越來越復雜，組網方式向自主管理轉變，“自主規劃、自主配置、自主優化、自主愈合”成為大勢所趨。傳統WiFi由于其商業定位的原因，缺少大規模協同組網方面的標準和規范。不論運營商大規模的AC+AP模式，還是家庭WDS模式，對技術的要求都太高，配置復雜，優化與維護難度大。MESH自主網技術提供了比較好的解決思路，你可以想象，在一望無際的無人區，從飛機上播撒網球大小的通信設備，這些設備落地后能夠自動搜索周圍的伙伴，自動搭建一張通信網，自動形成并維護通信質量最優的路由，自動選擇主通道與衛星相連，這該是多么讓人激動的場景。未來WiFi中的MESH不需要像事例中那么復雜，一旦發現單臺無線路由器覆蓋不足或接入終端太多，只要在合適的地方新增一臺設備，開電就可以和原來的設備自主組網，不需要任何配置就可以擴展覆蓋范圍、增加接入能力。MESH網絡還可以實現自主優化，實時計算最優路由、調整流量規劃，以及單臺設備中斷后的網絡重構，所有的操作對用戶而言都是無縫透明的。目前已有少量的MESH功能設備出現，但與未來WiFi的要求還有一段較長的路去走。

3.4 網絡更加智能化

未來是大數據的時代、是AI的時代，誰擁有最新最全的數據，誰就占據了未來競爭的優勢。WiFi的節點數量巨大，作為一種廉價的、開放的網絡設備，它具有強大的自我生長能力，“增長快、成本低”的優勢使傳統通信網不能望其項背，它天然具備數據采集的三大要素：全面性、多維性和高效性。如果僅僅作為啞終端設備，那是對資源的巨大浪費，同時，免費WiFi模式是否能夠持續取決于投資方的獲取是否達到預期，未來對數據資源的激烈爭奪恰好符合投資方的需要，可以預見，智能化的WiFi設備將在未來網絡中扮演更加重要的角色。WiFi設備的智能化體現在如下幾個方面：

（1）設備具有數據處理的能力。未來網絡的流量會指數級增長，通過集中化流量分析、行為分析的方式進行數據采集將會無謂耗費巨大的網絡資源，將來的終端必須具備基本的流量分析和行為分析能力，只需要將有價值數據傳遞給云端。

（2）設備具有服務定制的能力。面向上網是WiFi的初級階段，面向應用才是WiFi的提升階段，不同的WiFi提供者對服務要求千差萬別，有的希望定位導購，有的希望差異化營銷，有的希望分群控制，等等。即便同樣是定位導購，不同的提供者的判斷邏輯和操作手段也千差萬別。未來的WiFi智能終端必須具備定制加載能力，采用NFV等未來網絡技術，不同的需求可以加載不同的功能，可以在網上選用通用模塊，也可以定制特定功能模塊；可以長期加載，也可以按需臨時加載。

（3）網絡具有廣泛的包容性和持續增長能力。傳統WiFi的運營者有兩大痛點，第一設備兼容性差，AC、AP及其他工具強耦合，對設備廠商依賴性大。第二擴容困難，AC等核心設備價格昂貴，網絡流量的增速遠超過收入的增速，運營壓力大。未來的智能WiFi網絡通過SDN/NFV等技術，支持可編程接口，設備具有通用性，運營者可靈活選擇。同時，擴容從更換昂貴的專用設備，變更為在價格便宜的通用設備上加處理器、加內存、加集群數量等方式，實現線性升級，最大限度保護投資效益。

4 結束語

雖然WiFi是最簡單的通信設備之一，但是從它的演進路徑中，我們能夠感受到未來網絡的發展方向，兼顧使用者和運營者的感知，圍繞智能化、云化、可編程化、虛擬化等新技術，將網絡能力、服務能力和應用支撐能力推向極致。江蘇省未來網絡創新研究院正在建設的“未來網絡試驗設施”，將與科研院所、高等院校和通信企業等各界朋友一起，共同探索中國的未來網絡發展之路，相信中國的通信業即將迎來更精彩的春天。