本文撰寫(xiě)于2024年9月27日

2008年前后，地面數(shù)字電視廣播格式正從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)型，彼時(shí)模擬電視停播后的頻段再分配與再利用成為熱議話題。其中值得關(guān)注的是，在美國(guó)，素來(lái)針?shù)h相對(duì)的谷歌與微軟曾攜手組建“統(tǒng)一戰(zhàn)線”，成功從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）獲得該頻段的免許可公眾使用權(quán)，并將其命名為 “強(qiáng)化版Wi-Fi”、“超級(jí)Wi-Fi”等，大力宣傳其應(yīng)用潛力，相關(guān)話題也受到了IT新聞媒體的廣泛報(bào)道。本次我們就來(lái)探討這一技術(shù)議題。

什么是空白頻譜無(wú)線技術(shù)？

無(wú)線電波通信作為重要的社會(huì)資源，在絕大多數(shù)國(guó)家均由國(guó)家機(jī)關(guān)統(tǒng)一管理，按頻段劃分后分配給公共機(jī)構(gòu)或相關(guān)企業(yè)使用。無(wú)需申請(qǐng)、無(wú)需授權(quán)即可供任何人使用的無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙，是為數(shù)不多的例外情況，其依托被稱(chēng)為ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療，Industrial, Scientific and Medical）的 “開(kāi)放頻段”運(yùn)行。ISM頻段在6MHz～250GHz范圍內(nèi)呈零散分布，如同孤立的島嶼；其中2.4GHz頻段最早于20世紀(jì)90年代后期投入使用。此后（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，部分頻段并不完全符合國(guó)際電信聯(lián)盟ITU對(duì) “ISM頻段”的定義），5GHz、6GHz、900MHz等頻段逐步被納入開(kāi)放頻段范疇。這些頻段雖享有“無(wú)需申請(qǐng)、無(wú)需授權(quán)”的使用自由度，但也受到相應(yīng)限制：需在較窄的頻段范圍內(nèi)，且以較低的功率上限運(yùn)行。

地面電視運(yùn)營(yíng)商需提供覆蓋（幾乎）全國(guó)領(lǐng)土的廣播服務(wù)，但由于相同頻率的電視臺(tái)若處于電波覆蓋范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，因此即便播出內(nèi)容相同（同一頻道），也需按地區(qū)分配不同頻率?；谶@一特性，盡管法律層面已將54～806MHz頻段（以美國(guó)FCC規(guī)定為例）劃歸電視廣播專(zhuān)用，但實(shí)際使用中，因地區(qū)或時(shí)段差異，仍存在大量未被占用的“空白頻段”，這些頻段被稱(chēng)為“空白頻譜（White Spaces）”。

長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界一直存在不應(yīng)將空白頻譜頻段作為 “閑置資源”閑置浪費(fèi)、而應(yīng)進(jìn)行再利用的觀點(diǎn)；而地面電視廣播從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)型，被認(rèn)為是推動(dòng)這一構(gòu)想落地的絕佳契機(jī)。

2008年前后，陸續(xù)成立了多個(gè)推動(dòng)空白頻譜技術(shù)應(yīng)用的組織，但相關(guān)留存信息并不多。前文提及的“谷歌與微軟的統(tǒng)一戰(zhàn)線（※注1）”，其依托的組織名為“空白頻譜聯(lián)盟（The White Spaces Coalition，簡(jiǎn)稱(chēng)WSC）”。據(jù)維基百科記載，該聯(lián)盟成員包括微軟、谷歌、戴爾、惠普、英特爾、飛利浦、Earthlink通信公司、三星等；此外，還有部分企業(yè)及組織以非公開(kāi)形式參與其中。當(dāng)時(shí)另有“無(wú)線創(chuàng)新聯(lián)盟（Wireless Innovation Alliance）”“空白頻譜聯(lián)盟（White Space Alliance）” 等類(lèi)似組織，但目前各方之間的關(guān)聯(lián)已無(wú)從考證。

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

據(jù)維基百科記載，空白頻譜聯(lián)盟（WSC）曾公布過(guò)一組相當(dāng)樂(lè)觀的性能數(shù)據(jù)——“常規(guī)使用場(chǎng)景下速率可達(dá)80Mbps，近距離傳輸時(shí)則為400～800Mbps”。而這一數(shù)據(jù)在日本的IT媒體報(bào)道中，被進(jìn)一步渲染為 “革命性超高速無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)”，演化成了更具夸張色彩的宣傳（※注2）。

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

這些組織（尤其是空白頻譜聯(lián)盟WSC）開(kāi)展的空白頻譜無(wú)線技術(shù)實(shí)證實(shí)驗(yàn)，以及與美國(guó)FCC、美國(guó)全國(guó)廣播協(xié)會(huì)（NAB: National Association of Broadcasters）之間的激烈博弈，在隨后數(shù)年里被IT媒體持續(xù)報(bào)道，但相關(guān)報(bào)道逐漸變得零散，最終從公眾視野中淡出。

針對(duì) “空白頻譜無(wú)線局域網(wǎng)”，業(yè)界曾提出多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案。而作為 “Wi-Fi陣營(yíng)”核心的IEEE 802.11工作組，于2009年成立了af任務(wù)組，正式啟動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。此外，當(dāng)時(shí)還有2004年成立的IEEE 802.22工作組及2011年成立的IEEE 802.15.4m工作組，但這些標(biāo)準(zhǔn)（相較于11af而言）屬于更典型的 “僅存名義的標(biāo)準(zhǔn)”，因此本次暫不展開(kāi)說(shuō)明。

IEEE 802.11af標(biāo)準(zhǔn)被命名為TVHT-PHY（電視超高速吞吐量物理層，Television Very High Throughput PHY）。其規(guī)范制定工作在IEEE 802.11工作組中推進(jìn)速度較快，于2013年12月正式敲定規(guī)范內(nèi)容，形成IEEE 802.11af-2013標(biāo)準(zhǔn)，并于2014年2月對(duì)外公布。自IEEE 802.11-2016及后續(xù)版本起，該標(biāo)準(zhǔn)已被納入綜合規(guī)范（第22節(jié)）。此后，除非另有標(biāo)注，本文所引用的規(guī)范依據(jù)均為IEEE 802.11-2020版本。

IEEE 802.11af技術(shù)規(guī)范

IEEE 802.11af（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“11af”）的技術(shù)規(guī)范，在設(shè)計(jì)上盡可能兼容同期推進(jìn)的IEEE 802.11ac（VHT-PHY，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“11ac”）規(guī)范。11af支持3種信道帶寬配置：6MHz、7MHz、8MHz，且所有模式下的數(shù)據(jù)子載波數(shù)量均固定為96個(gè)。不同帶寬的子載波總數(shù)存在差異：6MHz與8MHz帶寬對(duì)應(yīng)144個(gè)子載波，7MHz帶寬對(duì)應(yīng)168個(gè)子載波；符號(hào)間隔（TDFT）也略有不同：6MHz與7MHz帶寬的符號(hào)間隔為24微秒（子載波頻率41.67KHz），8MHz帶寬為18微秒（子載波頻率55KHz）（詳見(jiàn)表22-5）。之所以設(shè)置3種相似卻又不同的物理層規(guī)范，推測(cè)是為了適配世界各國(guó)/地區(qū)略有差異的電視頻段無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)。作為參考，其“原型”IEEE 802.11ac VHT-PHY的信道帶寬為20MHz、40MHz、80MHz、160MHz，符號(hào)間隔為3.2微秒，子載波頻率為312.5KHz（詳見(jiàn)表21-5）。

在11af標(biāo)準(zhǔn)中，6/7/8MHz信道被定義為BCU（基本信道單元，Basic Channel Units），并規(guī)定了可將多個(gè)信道捆綁使用的信道聚合選項(xiàng)。該選項(xiàng)的表述形式包括“TVHT_2W”“TVHT_W+W”“TVHT_4W”“TVHT_2W+2W” 等。

11af標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制模式（MCS集合）詳見(jiàn)表22-26～22-37。在單信道?單流配置下，MCS0（BPSK調(diào)制+ 1/2碼率前向糾錯(cuò)編碼）的速率為2Mbps（6/7MHz信道）或2.7Mbps（8MHz信道）；MCS9（256QAM調(diào)制+ 5/6碼率前向糾錯(cuò)編碼）的速率為26.7Mbps或35.6Mbps；規(guī)格書(shū)標(biāo)稱(chēng)的最高數(shù)據(jù)速率為4信道聚合?4流配置下的426.7Mbps或568.9Mbps。該規(guī)格相較于空白頻譜聯(lián)盟此前宣稱(chēng)的“常規(guī)使用場(chǎng)景下80Mbps、近距離傳輸時(shí)400～800Mbps”，存在顯著差距。

11af標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包格式基本沿用了Wi-Fi的既有格式，在規(guī)范第22.1.4節(jié) “PPDU格式” 中僅用5行文字進(jìn)行了描述。這與稍晚于11af啟動(dòng)的11ah標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對(duì)比——11ah不僅沿用原有格式，還擴(kuò)展支持PV1幀（9.8節(jié)）及S1G PPDU格式（23.3節(jié)）。

11af標(biāo)準(zhǔn)的AP-STA工作模式同樣沿用了Wi-Fi的經(jīng)典架構(gòu)。這一點(diǎn)與11ah標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對(duì)比：11ah將單臺(tái)AP支持的接入節(jié)點(diǎn)數(shù)從2007臺(tái)擴(kuò)展至8192臺(tái)，適配該擴(kuò)展需求，其信標(biāo)幀格式也進(jìn)行了大幅優(yōu)化，采用“短信標(biāo)幀”與 “長(zhǎng)信標(biāo)幀”混合傳輸機(jī)制（詳見(jiàn)9.3.4.3節(jié)）；同時(shí)，面向低功耗節(jié)點(diǎn)的流量通知（TIM）機(jī)制也得到了極為細(xì)致的擴(kuò)展（詳見(jiàn)9.4.2.5節(jié)）。而11af的信標(biāo)幀格式則與傳統(tǒng)Wi-Fi完全一致，未做額外修改。在終端能力信息交互方面，11ah通過(guò)新增S1G Capabilities（9.4.2.200節(jié)）、S1G Operations（9.4.2.212節(jié)）等信息元素（IE）實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，11af則直接復(fù)用了與11ac標(biāo)準(zhǔn)兼容的VHT Capability（9.4.2.157節(jié)）信息元素，無(wú)需額外定義。

與11ah標(biāo)準(zhǔn)不同，11ah以大范圍覆蓋、海量節(jié)點(diǎn)接入、低功耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)類(lèi)應(yīng)用為目標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)Wi-Fi的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了大幅擴(kuò)展；而11af則力求與11ac標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)規(guī)格通用，其核心目標(biāo)或許是僅替換11ac芯片組中的物理層與射頻模塊，以此推動(dòng)自身早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

IEEE802.11af的現(xiàn)狀

曾吸引谷歌、微軟等巨頭參與，且如往常一般被IT媒體新聞賦予諸多包含誤解與過(guò)度解讀的高期待—— 這便是被譽(yù)為 “超級(jí)Wi-Fi” 的IEEE 802.11af標(biāo)準(zhǔn)。然而就現(xiàn)狀而言，該標(biāo)準(zhǔn)已淪為無(wú)人問(wèn)津的有名無(wú)實(shí)之作。歸根結(jié)底，目前尚無(wú)任何廠商將支持11af的無(wú)線芯片實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。據(jù)筆者所知，僅有2015年12月日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT，國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人）開(kāi)發(fā)出11af兼容的芯片，并成功搭載該芯片的USB適配器（尺寸為寬5厘米、全長(zhǎng)17厘米、厚度1.9厘米，相較于普通“適配器” 而言體積著實(shí)偏大）完成運(yùn)行測(cè)試的相關(guān)報(bào)道（※注3）。

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

曾在 “空白頻譜無(wú)線熱潮”中推波助瀾的谷歌，早已悄然退出了這一領(lǐng)域。該公司于2018年啟動(dòng)了通過(guò)高空氣球構(gòu)建廣域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的“Loon” 項(xiàng)目，然而這一項(xiàng)目也在2021年宣告終止。

微軟則顯得更為執(zhí)著，仍在持續(xù)推進(jìn)相關(guān)嘗試 —— 我們能找到一些零散新聞報(bào)道，例如該公司曾于2020年前后宣布，將在美國(guó)中西部農(nóng)業(yè)地區(qū)啟動(dòng)基于空白頻譜無(wú)線技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)接入測(cè)試項(xiàng)目（※注4）；2021年又與美國(guó)全國(guó)廣播協(xié)會(huì)（National Association of Broadcasters, NAB）產(chǎn)生了糾紛（※注5）。不過(guò)，這些項(xiàng)目最終的進(jìn)展與結(jié)果目前尚無(wú)明確信息。盡管微軟官網(wǎng)至今仍保留著對(duì)空白頻譜無(wú)線技術(shù)的發(fā)展展望（※注6），但該頁(yè)面鏈接未來(lái)能否持續(xù)存在，同樣無(wú)從知曉。

(※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/

至于事情為何會(huì)演變成這樣，我平時(shí)也并未主動(dòng)追蹤802.11af相關(guān)的動(dòng)態(tài)，所以也不太清楚具體緣由。查閱《IEEE 802.11 - 2020標(biāo)準(zhǔn)》的E.2.5章節(jié)（美國(guó)與加拿大的電視空白頻段，即54 - 698兆赫茲）時(shí)，里面通篇都在講GDD相關(guān)的繁瑣規(guī)定。GDD是“地理定位數(shù)據(jù)庫(kù)依賴(lài)”的縮寫(xiě)，其詳細(xì)內(nèi)容記載于該標(biāo)準(zhǔn)4.3.25章節(jié) “地理定位數(shù)據(jù)庫(kù)管控下的運(yùn)行機(jī)制”中。說(shuō)到底，空白頻譜無(wú)線技術(shù)并非那種“買(mǎi)回來(lái)插上電源誰(shuí)都能直接使用”的設(shè)備，使用者必須向中央地理定位數(shù)據(jù)庫(kù)查詢獲取特定時(shí)段、特定地點(diǎn)可使用的頻段信息后，才能正常使用該技術(shù)。尤其規(guī)定無(wú)線接入點(diǎn)必須參照美國(guó)FCC管理的認(rèn)證注冊(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)運(yùn)行，通篇都是這類(lèi)十分繁瑣的要求?？偠灾?，原本大家期待在模擬電視信號(hào)停播后，能出現(xiàn)一片無(wú)需申請(qǐng)、無(wú)需許可，任何人都可自由使用的廣闊空閑電波資源，最終這一愿景并未成為現(xiàn)實(shí)。

頻段管理問(wèn)題及與既得利益方（美國(guó)全國(guó)廣播協(xié)會(huì)NAB）的沖突始終存在，導(dǎo)致免許可、免申請(qǐng)的商用產(chǎn)品能否落地始終處于模糊狀態(tài)。

隨著智能手機(jī)的普及，4G乃至5G數(shù)字移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以前所未有的勢(shì)頭快速拓展并實(shí)現(xiàn)廣泛覆蓋。

2020年前后，可免許可、免申請(qǐng)使用的800～900MHz頻段競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)（IEEE 802.11ah）已完成產(chǎn)品化落地。

基于上述種種原因，包括11af在內(nèi)的 “空白頻譜無(wú)線技術(shù)（超級(jí)Wi-Fi）” 自2008年前后的熱潮過(guò)后便勢(shì)頭不再，如今已淪為門(mén)可羅雀的技術(shù)領(lǐng)域。

總結(jié)

新電波利用法規(guī)的制定、伴隨對(duì)相關(guān)通信技術(shù)的誤解而產(chǎn)生的過(guò)高期待、最終在一番喧囂過(guò)后淪為徒勞 —— 這一發(fā)展歷程，我此前在“超寬帶（UWB）相關(guān)介紹”中也提及過(guò)。雖說(shuō)這類(lèi)“常見(jiàn)戲碼”本應(yīng)令人警惕，但在無(wú)線通信行業(yè)中卻早已屢見(jiàn)不鮮。之所以用“屢見(jiàn)不鮮”這一過(guò)去式表述，是因?yàn)檫^(guò)去十年左右，提及新興無(wú)線技術(shù)話題，幾乎都集中在“5G移動(dòng)通信”及其周邊領(lǐng)域，再也聽(tīng)不到那些不切實(shí)際卻充滿想象力的新技術(shù)傳聞了。作為工程師，雖不必再被各類(lèi)離譜概念折騰，省去了不少麻煩，但另一方面，也不禁讓人略感寂寥：這或許正是數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)走向成熟并趨于商品化的佐證吧。

超寬帶（UWB）技術(shù)近年來(lái)摒棄了“近距離限定?超高速無(wú)線”的定位，回歸至脈沖式技術(shù)路線，并以蘋(píng)果Apple Airtag為代表，開(kāi)始作為近距離精密定位設(shè)備投入應(yīng)用。盡管UWB實(shí)現(xiàn)了這樣的復(fù)蘇，但坦率地說(shuō)，11af乃至空白頻譜無(wú)線技術(shù)是否擁有未來(lái)，目前尚無(wú)法斷言。不過(guò)就當(dāng)前現(xiàn)狀來(lái)看，其發(fā)展前景似乎并不樂(lè)觀。

模擬電視信號(hào)停播已逾十年，但空白頻譜仍持續(xù)受政治意圖左右，目前完全看不到會(huì)很快實(shí)現(xiàn) “無(wú)需申請(qǐng)、無(wú)需許可、人人可用”的跡象。另一方面，競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)除了5G和11ah之外，以Starlink為代表的低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也已應(yīng)運(yùn)而生—— 用戶只需簽訂服務(wù)協(xié)議、購(gòu)置相關(guān)設(shè)備，即可實(shí)際使用這些技術(shù)。

曾被譽(yù)為 “媒體之王” 的電視廣播，其影響力與重要性已大幅下滑。如今不少年輕人都會(huì)表示“電視沒(méi)什么意思，根本不看，有互聯(lián)網(wǎng)就夠了”。盡管如此，在未來(lái)十年左右的時(shí)間里，完全看不到地面數(shù)字電視廣播會(huì)被全面廢止的跡象。即便未來(lái)真的迎來(lái)地面電視停播，屆時(shí)或許能釋放出廣闊的頻譜資源并實(shí)現(xiàn)再利用，但這恐怕也是數(shù)十年后的事情了。

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審核編輯 黃宇