自1997年第一個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建立以來(lái)，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(wú)需授權(quán)許可特性，這個(gè)頻段非常有用，而大量使用這個(gè)頻段也帶來(lái)了許多問(wèn)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(lái)工程師可以期待哪些新技術(shù)?

為什么 2.4GHz 如此受歡迎？

無(wú)線電頻譜充滿(mǎn)了大量的頻段，從長(zhǎng)波無(wú)線電到高頻亞毫米微波；然而，在整個(gè)無(wú)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(gè)頻率上共振。Christopher S. Baird博士是該領(lǐng)域的知名專(zhuān)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(shuō)，微波爐內(nèi)產(chǎn)生的微波不是單色的，這意味著它們不會(huì)調(diào)諧到特定的頻率。這有助于揭示人們對(duì)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(guò)介電質(zhì)加熱來(lái)加熱食物。電磁波中的電場(chǎng)對(duì)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(dòng)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(shí)，2.4GHz頻段在幾乎所有國(guó)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(wèn)世時(shí)，工程師們轉(zhuǎn)向一個(gè)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(wú)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(duì)于希望確保其設(shè)備在整個(gè)家庭中提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)的制造商而言，該頻段是一個(gè)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(duì)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(guò)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(shí)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(gè)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(kāi)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(gè)頻段。例如，藍(lán)牙是一種利用該頻譜的低能耗無(wú)線電技術(shù)，Thread和Zigbee也是如此。因此，今天我們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)行業(yè)在開(kāi)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(shì)，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(kāi)始出現(xiàn)擁塞問(wèn)題。

雖然目前這對(duì)普通家庭來(lái)說(shuō)可能不是什么大問(wèn)題，但在未來(lái)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(kāi)始放緩。對(duì)于人口密集的地區(qū)尤其如此，在這些地區(qū)，多個(gè)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(shí)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(jí)增長(zhǎng)(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(guò)2.4GHz網(wǎng)絡(luò)連接的單個(gè)設(shè)備可以流式傳輸此類(lèi)視頻，但是當(dāng)多個(gè)客戶(hù)端同時(shí)連接時(shí)，所有客戶(hù)端都請(qǐng)求此類(lèi)視頻內(nèi)容，傳統(tǒng)的2.4GHz可能會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，在過(guò)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(wèn)題，并開(kāi)放了多個(gè)頻率。5GHz就是這樣一個(gè)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(méi)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(lái)的短距離設(shè)備，例如標(biāo)簽、識(shí)別芯片，甚至可能是新版本的藍(lán)牙。  

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的一份報(bào)告，6GHz頻段有望成為Wi-Fi技術(shù)的未來(lái)，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(duì)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(lái)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(shì)。這兩種頻段都是未經(jīng)許可的，這降低了開(kāi)發(fā)成本，而且它們的長(zhǎng)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(lái)，  2.4GHz 很可能會(huì)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(hào)中可以看到從2.4GHz頻段過(guò)渡的一個(gè)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(hù)的積極評(píng)價(jià)，許多人也反饋互聯(lián)網(wǎng)連接速度明顯加快。