本文撰寫于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，素來針鋒相對的谷歌與微軟曾攜手組建“統(tǒng)一戰(zhàn)線”，成功從美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）獲得該頻段的免許可公眾使用權(quán)，并將其命名為 “強化版Wi-Fi”、“超級Wi-Fi”等，大力宣傳其應(yīng)用潛力，相關(guān)話題也受到了IT新聞媒體的廣泛報道。本次我們就來探討這一技術(shù)議題。

什么是空白頻譜無線技術(shù)？

無線電波通信作為重要的社會資源，在絕大多數(shù)國家均由國家機關(guān)統(tǒng)一管理，按頻段劃分后分配給公共機構(gòu)或相關(guān)企業(yè)使用。無需申請、無需授權(quán)即可供任何人使用的無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙，是為數(shù)不多的例外情況，其依托被稱為ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療，Industrial, Scientific and Medical）的 “開放頻段”運行。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)格來說，部分頻段并不完全符合國際電信聯(lián)盟ITU對 “ISM頻段”的定義），5GHz、6GHz、900MHz等頻段逐步被納入開放頻段范疇。這些頻段雖享有“無需申請、無需授權(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行。

地面電視運營商需提供覆蓋（幾乎）全國領(lǐng)土的廣播服務(wù)，但由于相同頻率的電視臺若處于電波覆蓋范圍內(nèi)會產(chǎn)生信號干擾，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FCC規(guī)定為例）劃歸電視廣播專用，但實際使用中，因地區(qū)或時段差異，仍存在大量未被占用的“空白頻段”，這些頻段被稱為“空白頻譜（White Spaces）”。

長期以來，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、而應(yīng)進行再利用的觀點；而地面電視廣播從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)型，被認(rèn)為是推動這一構(gòu)想落地的絕佳契機。

2008年前后，陸續(xù)成立了多個推動空白頻譜技術(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，簡稱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)及組織以非公開形式參與其中。當(dāng)時另有“無線創(chuàng)新聯(lián)盟（Wireless Innovation Alliance）”“空白頻譜聯(lián)盟（White Space Alliance）” 等類似組織，但目前各方之間的關(guān)聯(lián)已無從考證。

(※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）曾公布過一組相當(dāng)樂觀的性能數(shù)據(jù)——“常規(guī)使用場景下速率可達(dá)80Mbps，近距離傳輸時則為400～800Mbps”。而這一數(shù)據(jù)在日本的IT媒體報道中，被進一步渲染為 “革命性超高速無線互聯(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）開展的空白頻譜無線技術(shù)實證實驗，以及與美國FCC、美國全國廣播協(xié)會（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)報道，但相關(guān)報道逐漸變得零散，最終從公眾視野中淡出。

針對 “空白頻譜無線局域網(wǎng)”，業(yè)界曾提出多項標(biāo)準(zhǔn)提案。而作為 “Wi-Fi陣營”核心的IEEE 802.11工作組，于2009年成立了af任務(wù)組，正式啟動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。此外，當(dāng)時還有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)”，因此本次暫不展開說明。

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（以下簡稱“11af”）的技術(shù)規(guī)范，在設(shè)計上盡可能兼容同期推進的IEEE 802.11ac（VHT-PHY，以下簡稱“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。不同帶寬的子載波總數(shù)存在差異：6MHz與8MHz帶寬對應(yīng)144個子載波，7MHz帶寬對應(yīng)168個子載波；符號間隔（TDFT）也略有不同：6MHz與7MHz帶寬的符號間隔為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，推測是為了適配世界各國/地區(qū)略有差異的電視頻段無線電標(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，符號間隔為3.2微秒，子載波頻率為312.5KHz（詳見表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)定了可將多個信道捆綁使用的信道聚合選項。該選項的表述形式包括“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碼率前向糾錯編碼）的速率為26.7Mbps或35.6Mbps；規(guī)格書標(biāo)稱的最高數(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)盟此前宣稱的“常規(guī)使用場景下80Mbps、近距離傳輸時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行文字進行了描述。這與稍晚于11af啟動的11ah標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對比——11ah不僅沿用原有格式，還擴展支持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)。這一點與11ah標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對比：11ah將單臺AP支持的接入節(jié)點數(shù)從2007臺擴展至8192臺，適配該擴展需求，其信標(biāo)幀格式也進行了大幅優(yōu)化，采用“短信標(biāo)幀”與 “長信標(biāo)幀”混合傳輸機制（詳見9.3.4.3節(jié)）；同時，面向低功耗節(jié)點的流量通知（TIM）機制也得到了極為細(xì)致的擴展（詳見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）實現(xiàn)功能擴展，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)點接入、低功耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)類應(yīng)用為目標(biāo)，對傳統(tǒng)Wi-Fi的技術(shù)規(guī)格進行了大幅擴展；而11af則力求與11ac標(biāo)準(zhǔn)實現(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，以此推動自身早日實現(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度解讀的高期待—— 這便是被譽為 “超級Wi-Fi” 的IEEE 802.11af標(biāo)準(zhǔn)。然而就現(xiàn)狀而言，該標(biāo)準(zhǔn)已淪為無人問津的有名無實之作。歸根結(jié)底，目前尚無任何廠商將支持11af的無線芯片實現(xiàn)產(chǎn)品化。據(jù)筆者所知，僅有2015年12月日本情報通信研究機構(gòu)（NICT，國立研究開發(fā)法人）開發(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17厘米、厚度1.9厘米，相較于普通“適配器” 而言體積著實偏大）完成運行測試的相關(guān)報道（※注3）。

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

曾在 “空白頻譜無線熱潮”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年啟動了通過高空氣球構(gòu)建廣域無線網(wǎng)絡(luò)的“Loon” 項目，然而這一項目也在2021年宣告終止。

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

(※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/

至于事情為何會演變成這樣，我平時也并未主動追蹤802.11af相關(guān)的動態(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)（美國與加拿大的電視空白頻段，即54 - 698兆赫茲）時，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)庫依賴”的縮寫，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)庫管控下的運行機制”中。說到底，空白頻譜無線技術(shù)并非那種“買回來插上電源誰都能直接使用”的設(shè)備，使用者必須向中央地理定位數(shù)據(jù)庫查詢獲取特定時段、特定地點可使用的頻段信息后，才能正常使用該技術(shù)。尤其規(guī)定無線接入點必須參照美國FCC管理的認(rèn)證注冊數(shù)據(jù)庫來運行，通篇都是這類十分繁瑣的要求?？偠灾?，原本大家期待在模擬電視信號停播后，能出現(xiàn)一片無需申請、無需許可，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。

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

隨著智能手機的普及，4G乃至5G數(shù)字移動網(wǎng)絡(luò)以前所未有的勢頭快速拓展并實現(xiàn)廣泛覆蓋。

2020年前后，可免許可、免申請使用的800～900MHz頻段競爭技術(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 “空白頻譜無線技術(shù)（超級Wi-Fi）” 自2008年前后的熱潮過后便勢頭不再，如今已淪為門可羅雀的技術(shù)領(lǐng)域。

總結(jié)

新電波利用法規(guī)的制定、伴隨對相關(guān)通信技術(shù)的誤解而產(chǎn)生的過高期待、最終在一番喧囂過后淪為徒勞 —— 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。雖說這類“常見戲碼”本應(yīng)令人警惕，但在無線通信行業(yè)中卻早已屢見不鮮。之所以用“屢見不鮮”這一過去式表述，是因為過去十年左右，提及新興無線技術(shù)話題，幾乎都集中在“5G移動通信”及其周邊領(lǐng)域，再也聽不到那些不切實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)近年來摒棄了“近距離限定?超高速無線”的定位，回歸至脈沖式技術(shù)路線，并以蘋果Apple Airtag為代表，開始作為近距離精密定位設(shè)備投入應(yīng)用。盡管UWB實現(xiàn)了這樣的復(fù)蘇，但坦率地說，11af乃至空白頻譜無線技術(shù)是否擁有未來，目前尚無法斷言。不過就當(dāng)前現(xiàn)狀來看，其發(fā)展前景似乎并不樂觀。

模擬電視信號停播已逾十年，但空白頻譜仍持續(xù)受政治意圖左右，目前完全看不到會很快實現(xiàn) “無需申請、無需許可、人人可用”的跡象。另一方面，競爭技術(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)運而生—— 用戶只需簽訂服務(wù)協(xié)議、購置相關(guān)設(shè)備，即可實際使用這些技術(shù)。

曾被譽為 “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表示“電視沒什么意思，根本不看，有互聯(lián)網(wǎng)就夠了”。盡管如此，在未來十年左右的時間里，完全看不到地面數(shù)字電視廣播會被全面廢止的跡象。即便未來真的迎來地面電視停播，屆時或許能釋放出廣闊的頻譜資源并實現(xiàn)再利用，但這恐怕也是數(shù)十年后的事情了。

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摘自SILEX希來科技：

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審核編輯 黃宇