走近未来网络之WiFi篇

许志坚 谭航

江苏省未来网络创新研究院

0 前言

1 WiFi的现状

随着互联网特别是移动互联网的普及和应用，网络通信技术在人类的生产活动和生活方式的变革中扮演了重要的角色。以网络创新为主要内容的“中国新四大发明”带给国人久违的自信和激情。

同时，在喧嚣中我们应该清醒地认识到，就网络空间核心竞争力而言，虽然我们正在快速追赶，但与美国等发达国家还存在着较大的差距。关于互联网的国际标准中属于中国的仅有1%，2017年中国独角兽企业超90家，仅次于美国，但基本集中在产品和模式创新上，软件、网络安全、数据分析等高门槛、高技术附加值领域没有一家入选。缺少核心技术意味着，互联网经济依赖程度与面临的风险同步增加。

为了争夺网络空间的话语权，美国、欧盟、日本等先后启动了Internet2、PlanetLab、GENI、FIRE、PAWR等一系列试验网络建设项目，有效推进了这些国家和地区网络技术的创新与发展。中国也在积极筹备，“未来网络试验设施项目”是通信行业唯一的国家重大科技基础设施项目，以江苏省未来网络创新研究院为法人建设单位，清华大学、中国科学技术大学、深圳信息通信研究院为共建单位，该项目将建成覆盖全国的未来网络试验装备，支撑“互联网+”国家战略需求，满足“十三五”和“十四五”期间国家关于下一代互联网、网络空间安全、天地一体化网络等重大科技项目的试验验证需求，探索我国未来网络发展的技术路线和发展道路，在国际上争取更大的话语权。

近年来，“未来网络”逐渐成为了一个高频词，其覆盖广泛、内容丰富，本文作为未来网络科普系列的一部分，将从WiFi这个大家最熟悉的网络入手，由浅至深，与大家共同了解网络的过去与现在，共同展望网络的未来。

对WiFi的熟悉，不仅仅是因为使用频次高，与被动地使用运营商通信服务不同，它是具备自主搭建、自主管理特征的为数极少的网络之一，从它入手，可以让更多非通信从业者更容易地走近未来网络。

WiFi以应用场景划分可以分为家用和公共，由于用途不同，技术侧重点也截然不同。

1.1 家用 WiFi网络

家用WiFi的主要目的是家庭上网，自从有了WiFi，人们摆脱了综合布线的烦恼，可以随处上网，还能够支持手机、电视、PAD、电脑、智能电器等同时上网，在家庭局域网内使用联网游戏、视频同传等应用。家庭WiFi以802.11g和802.11n为主，其接入速率完全能够满足正常网络使用，主要的技术挑战是覆盖范围、安全性和干扰。

家庭环境下，电磁强度必须限定在安全的范围里，这与保证各房间都有较好的网络覆盖是矛盾的，较为常用的是采用信号放大器、中继器、电力猫等方式增加信号覆盖范围，这些方法花费很小，简单易学，人人都可以自己动手。

由于无线信号的无边界性，使得家庭成员外的人也可以使用你的家庭WiFi，俗称“蹭网”，网上所谓的“蹭网神器”、“WiFi万能破解”等工具大行其道，如果仅仅是正常上网，对户主的影响很小，但如果采用BT等工具大量下载，则会严重影响户主的上网体验，最明显的是电视卡顿，打开网页速度明显变慢甚至打不开，但更为严重的是，如果蹭网者利用与户主在相同VLAN的便利对户主的信息进行采集和破解，则会带来非常严重的安全后果。目前主要是建议户主加强安全设置，比如采用更安全的加密认证、更复杂的密码、MAC地址过滤等。

WiFi使用开放频段，缺少统一规划，信号干扰的问题在当前体系下很难解决，WiFi的使用频段被限定在一定范围内，随着WiFi数量增加，发射功率越做越大，无线信号不可避免地都重叠在一起，造成相互的干扰，造成卡顿、断网等问题。最常见的缓解建议是，尽量使用5G频段，或者采用信号分析工具先找到信号叠加最少的信道，并手工切换家庭WiFi的工作信道。

1.2 公共 WiFi网络

公共WiFi网络是指在公共场合提供的上网服务，最常见的是商户的免费服务，比如宾馆饭店、机场车站等，同时地方政府为了推进“智慧城市”，也在积极利用WiFi提供社会公益方面的便利。这些WiFi由于服务对象、上网需求、终端品类等差异性很大，设计的难度要远超家庭WiFi，其技术挑战也改变为接入能力、信息安全、移动性方面。

接入能力不足是公共WiFi的痛点，显示为信号满却接不进去，即便接进去也传不了数据。这其中主要的原因就是现有WiFi的空口排队接入方式，连接的用户越多，分配给每个用户的空口时间就越少，上网速率就随着用户数的增加快速下降直至所有人都不可使用。最常见的解决方法就是增加AP的数量，但此法不可避免带来干扰的增加，如需要大面积使用对资金压力很大；还有人为减少低速终端空口时间的方法，提升整个系统的利用率，但会降低这部分用户的使用感知。

信息安全则是公共WiFi的生命线，对使用者的身份无法有效验证所带来的安全问题相当严峻，比如：利用公共WiFi散布危害国家安全、社会稳定的不良信息；通过伪AP获取个人关键信息，或推送克隆页面引诱交易实施诈骗等。为了提升公共WiFi的安全性，制度管理上要求服务提供者必须具备用户上网行为分析能力，具备关键数据的抽取及留存能力，具备危险地址黑名单等主动控制手段，具备对虚假AP的监测与压制手段。即便如此，当前技术对犯罪事前发现和事中处置的及时性方面仍略显不足。

固定区域服务是公众WiFi最初的应用场景，随着移动互联网的爆炸式发展，火车、飞机、汽车上也都配置了公共WiFi，当前，移动WiFi不论连接质量还是上网速度与固定场景反差较大，与三大运营商的移动网络还存在不小的差距。WiFi的移动性早在十年前Wimax时代就有讨论，将来WiFi具有一定的移动性是大势所趋，尤其在低速场景下。

2 WiFi网络的挑战

虽然WiFi是当前互联网技术中当之无愧的“网红”，但是移动通信技术日新月异，类似“WiFi被5G所替代”这样的论点时常被提起，引起各界热烈探讨。

5G又称“第五代移动通信技术”，它的理论下行速率可以达到10Gbps。与前几代移动通信技术强调系统能力相比，5G更加面向应用、面向管理，强调针对不用应用场景切片式的差异化服务定制、强调D2D（Device to Device）和M2M（Machine to Machine）、强调软件定义和自组网管理，是一张能够改变我们对传统通信认知的网络，国家将其作为重要产业突破口，预计在2020年，5G盛宴会徐徐展开。

“5G替代WiFi”的一个论据是，三大运营商都在大力推无限流量套餐，“高带宽+无限流量”不就是当时WiFi赢得成功最有效的武器吗？一张网能解决所有问题岂不更加完美？

笔者认为，WiFi不但不会被替代，将来仍会有非常大的发展。原因很简单，两个技术存在非常多的差异化特征，两张网络都有巨大的拥趸。在技术替代中，技术本身是必要但非充分条件，会受到投资效益、运营成本、用户习惯、需求特异性等因素的影响。

从商业角度考虑，移动通信所使用的无线电频率在全世界任何国家都属于稀缺资源，频率分配的多少直接影响到用户接入数量和通信质量，归根结底影响到运营商的收入。在国外很多国家，移动通信频率采用竞价的方式获得，需要占用企业巨大的资金，在国内，围绕频率的争夺异常激烈，为了给新网络腾出很小的一段频率，运营商甚至忍痛放弃仍在正常使用的低代设备，从3G开始，4G和5G的更新周期非常短，运营商很多的前期投入还没来得及回收，就进入了报废与重建周期，5G的高密布点模式对运营商的资金也是很大的挑战，在通信资费快速下滑的环境下，如此大规模的高风险投入一定会对盈利有所期待。而WiFi采用的是免许频率，免费就是它的优势，企业最大获利与用户最少付出之间的沟壑，绝不可能仅仅靠技术就可以填平。

从网络流量角度考虑，竞争压力下运营商都在推各种无限流量套餐，这种无限流量和WiFi的无限流量是一样的吗？每个办过的人都有体会，无限流量套餐中，一种是在特殊资费下真正的无限流量，还有更多的是有条件的无限流量，比如一定流量后开始降速。不要指责国内运营商，国外情况也是一样，“投资需要回收，资源需要流向最高效之处”是基本的商业法则。5G的频率效率和网络能力得到提升，将来流量资费一定会越来越便宜。同时我们也要想到，到那个时候，电视也许普及8K了，交互也许AR/VR了，越来越多的人开始知道“ZB”有多大了，5G的无限流量套餐可否做到真正的无条件值得期待。

至于5G的高宽带，更加不是替代WiFi的理由。早在2010年，从HSPA+开始，无线网络的接入速度已不再是问题，移动终端屏幕小、处理能力差，完全无法享受到如此高速网络的体验，随后DC、4G、4G+连续抛出，将无线网络的接入速度拉升了十多倍，与移动终端处理能力的差距愈发明显。所以说，速度问题不是5G替代WiFi的考虑因素，它和“3G和4G为什么不能替代WiFi”的答案相同。况且，拼速度5G一定拼不过WiFi，WiFi从出生伊始，就一直保持着相对移动通信网1个数量级的速度优势，它短距、非商业化、开放的血液，使它能够更快地使用最新的技术，广域网的技术局域网肯定能用，反过来则不成立。

从用户习惯角度考虑，互联网凭什么将根正苗红的传统数据网挤下舞台，就凭两个字——“自由”。“开放、平等、协作、快速、分享”是互联网的精神所在，它给所有人提供了展示个人魅力的空间，而传统网络的封闭将用户拱手让给了对手。WiFi和5G之争，精神层面的因素必须考虑。

还有产业成熟度、运营成本等此处不一一展开。5G是一项非常优秀的技术，它一定会全方位改变我们的生活，让我们享受到科技的盛宴。但“尺有所长、寸有所短”，能够解决所有问题的万能钥匙至少在5G时代还没有出现，5G一定会接管很多WiFi的功能，但同时，WiFi也会在其他领域里寻找到更多的机会。5G和WiFi不是替代关系，他们亦师亦友，共同提高。当EC等新需求快速涌现的时代，谁能说这两位大佬不会手拉着手站在我们面前呢？

基于开放频段的LTE-U和LiFi，也是经常被说起的能够替代WiFi的技术，如果仔细分析，它们的应用场景、适用广泛性等方面还是有相当明显的局限，业界普遍认为，LTE-U和LiFi在特定应用场景上有超越WiFi的能力，却难以成为整个产业的替代。

3 WiFi网络的未来

根据思科NVI的预测，从2016年到2021年，全球范围内WiFi热点总量将增长6倍。从目前的技术突破中，我们能够看到未来WiFi的雏形，其改变主要体现在以下几个方面：

3.1 速度指数级提升

目前最新的802.11ac wave2，其理论最高速率能够达到6.93Gbps，如此高速仅仅服务于覆盖半径20米左右的区域，从单个终端占用的带宽比较，比5G要快得多。已经公布的，工作于传统2.4G/5G频率下的802.11ax，其单个终端速率还要比802.11ac wave2高4倍，如果和5G一样进入毫米波频段，802.11ay速度可以达到176G，而这些突破仅仅是模仿了LTE的部分设计而实现的，所以业界对WiFi速度的继续提升保持了高度的自信。802.11ax和802.11ay的产品估计会在2020年后，与5G移动网同时推出，将继续保持WiFi在速度上超过移动通信网一个数量级的优势。

3.2 面向应用、面向服务

传统WiFi关注网络指标较多，用户感知关心较少。只强调网络速度，却忽视用户的实际感受与理论值间的落差，未来WiFi的革新会越来越多地围绕着客户感知，从2012年802.11ac正式发布，经过802.11ac wave2到2020年左右产品化的802.11ax，9年时间，WiFi网络理论速率没有改变，真实的用户感知速率在不断提升， 802.11ax喊出的目标就是将用户感知速率比802.11ac wave2提升4倍，从中可以明显感觉到对服务的关注。在2018年的CES上，Wi-Fi联盟宣布了下一代无线安全协议WPA3，它除了比目前广泛使用的WPA2更安全之外，特别强调为公共WiFi下每个用户提供个性化的加密及物联网设备的管理，“面向应用、面向服务”相比当下“面向接入”而言，赋予未来WiFi更强的生命力。

3.3 组网方式更加灵活

现代通信网规模越来越大、网元设备越来越复杂，组网方式向自主管理转变，“自主规划、自主配置、自主优化、自主愈合”成为大势所趋。传统WiFi由于其商业定位的原因，缺少大规模协同组网方面的标准和规范。不论运营商大规模的AC+AP模式，还是家庭WDS模式，对技术的要求都太高，配置复杂，优化与维护难度大。MESH自主网技术提供了比较好的解决思路，你可以想象，在一望无际的无人区，从飞机上播撒网球大小的通信设备，这些设备落地后能够自动搜索周围的伙伴，自动搭建一张通信网，自动形成并维护通信质量最优的路由，自动选择主通道与卫星相连，这该是多么让人激动的场景。未来WiFi中的MESH不需要像事例中那么复杂，一旦发现单台无线路由器覆盖不足或接入终端太多，只要在合适的地方新增一台设备，开电就可以和原来的设备自主组网，不需要任何配置就可以扩展覆盖范围、增加接入能力。MESH网络还可以实现自主优化，实时计算最优路由、调整流量规划，以及单台设备中断后的网络重构，所有的操作对用户而言都是无缝透明的。目前已有少量的MESH功能设备出现，但与未来WiFi的要求还有一段较长的路去走。

3.4 网络更加智能化

未来是大数据的时代、是AI的时代，谁拥有最新最全的数据，谁就占据了未来竞争的优势。WiFi的节点数量巨大，作为一种廉价的、开放的网络设备，它具有强大的自我生长能力，“增长快、成本低”的优势使传统通信网不能望其项背，它天然具备数据采集的三大要素：全面性、多维性和高效性。如果仅仅作为哑终端设备，那是对资源的巨大浪费，同时，免费WiFi模式是否能够持续取决于投资方的获取是否达到预期，未来对数据资源的激烈争夺恰好符合投资方的需要，可以预见，智能化的WiFi设备将在未来网络中扮演更加重要的角色。WiFi设备的智能化体现在如下几个方面：

（1）设备具有数据处理的能力。未来网络的流量会指数级增长，通过集中化流量分析、行为分析的方式进行数据采集将会无谓耗费巨大的网络资源，将来的终端必须具备基本的流量分析和行为分析能力，只需要将有价值数据传递给云端。

（2）设备具有服务定制的能力。面向上网是WiFi的初级阶段，面向应用才是WiFi的提升阶段，不同的WiFi提供者对服务要求千差万别，有的希望定位导购，有的希望差异化营销，有的希望分群控制，等等。即便同样是定位导购，不同的提供者的判断逻辑和操作手段也千差万别。未来的WiFi智能终端必须具备定制加载能力，采用NFV等未来网络技术，不同的需求可以加载不同的功能，可以在网上选用通用模块，也可以定制特定功能模块；可以长期加载，也可以按需临时加载。

（3）网络具有广泛的包容性和持续增长能力。传统WiFi的运营者有两大痛点，第一设备兼容性差，AC、AP及其他工具强耦合，对设备厂商依赖性大。第二扩容困难，AC等核心设备价格昂贵，网络流量的增速远超过收入的增速，运营压力大。未来的智能WiFi网络通过SDN/NFV等技术，支持可编程接口，设备具有通用性，运营者可灵活选择。同时，扩容从更换昂贵的专用设备，变更为在价格便宜的通用设备上加处理器、加内存、加集群数量等方式，实现线性升级，最大限度保护投资效益。

4 结束语

虽然WiFi是最简单的通信设备之一，但是从它的演进路径中，我们能够感受到未来网络的发展方向，兼顾使用者和运营者的感知，围绕智能化、云化、可编程化、虚拟化等新技术，将网络能力、服务能力和应用支撑能力推向极致。江苏省未来网络创新研究院正在建设的“未来网络试验设施”，将与科研院所、高等院校和通信企业等各界朋友一起，共同探索中国的未来网络发展之路，相信中国的通信业即将迎来更精彩的春天。