本文撰寫于2024年9月27日

2008年前后，地面數字電視廣播格式正從模擬向數字轉型，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。其中值得關注的是，在美國，素來針鋒相對的谷歌與微軟曾攜手組建“統一戰線”，成功從美國聯邦通信委員會（FCC）獲得該頻段的免許可公眾使用權，并將其命名為 “強化版Wi-Fi”、“超級Wi-Fi”等，大力宣傳其應用潛力，相關話題也受到了IT新聞媒體的廣泛報道。本次我們就來探討這一技術議題。

什么是空白頻譜無線技術？

無線電波通信作為重要的社會資源，在絕大多數國家均由國家機關統一管理，按頻段劃分后分配給公共機構或相關企業使用。無需申請、無需授權即可供任何人使用的無線局域網和藍牙，是為數不多的例外情況，其依托被稱為ISM（工業、科學、醫療，Industrial, Scientific and Medical）的 “開放頻段”運行。ISM頻段在6MHz～250GHz范圍內呈零散分布，如同孤立的島嶼；其中2.4GHz頻段最早于20世紀90年代后期投入使用。此后（嚴格來說，部分頻段并不完全符合國際電信聯盟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”的使用自由度，但也受到相應限制：需在較窄的頻段范圍內，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）全國領土的廣播服務，但由于相同頻率的電視臺若處于電波覆蓋范圍內會產生信號干擾，因此即便播出內容相同（同一頻道），也需按地區分配不同頻率。基于這一特性，盡管法律層面已將54～806MHz頻段（以美國FCC規定為例）劃歸電視廣播專用，但實際使用中，因地區或時段差異，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，業界一直存在不應將空白頻譜頻段作為 “閑置資源”閑置浪費、而應進行再利用的觀點；而地面電視廣播從模擬向數字的轉型，被認為是推動這一構想落地的絕佳契機。

2008年前后，陸續成立了多個推動空白頻譜技術應用的組織，但相關留存信息并不多。前文提及的“谷歌與微軟的統一戰線（※注1）”，其依托的組織名為“空白頻譜聯盟（The White Spaces Coalition，簡稱WSC）”。據維基百科記載，該聯盟成員包括微軟、谷歌、戴爾、惠普、英特爾、飛利浦、Earthlink通信公司、三星等；此外，還有部分企業及組織以非公開形式參與其中。當時另有“無線創新聯盟（Wireless Innovation Alliance）”“空白頻譜聯盟（White Space Alliance）” 等類似組織，但目前各方之間的關聯已無從考證。

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

據維基百科記載，空白頻譜聯盟（WSC）曾公布過一組相當樂觀的性能數據——“常規使用場景下速率可達80Mbps，近距離傳輸時則為400～800Mbps”。而這一數據在日本的IT媒體報道中，被進一步渲染為 “革命性超高速無線互聯網”，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（尤其是空白頻譜聯盟WSC）開展的空白頻譜無線技術實證實驗，以及與美國FCC、美國全國廣播協會（NAB: National Association of Broadcasters）之間的激烈博弈，在隨后數年里被IT媒體持續報道，但相關報道逐漸變得零散，最終從公眾視野中淡出。

針對 “空白頻譜無線局域網”，業界曾提出多項標準提案。而作為 “Wi-Fi陣營”核心的IEEE 802.11工作組，于2009年成立了af任務組，正式啟動相關標準的制定工作。此外，當時還有2004年成立的IEEE 802.22工作組及2011年成立的IEEE 802.15.4m工作組，但這些標準（相較于11af而言）屬于更典型的 “僅存名義的標準”，因此本次暫不展開說明。

IEEE 802.11af標準被命名為TVHT-PHY（電視超高速吞吐量物理層，Television Very High Throughput PHY）。其規范制定工作在IEEE 802.11工作組中推進速度較快，于2013年12月正式敲定規范內容，形成IEEE 802.11af-2013標準，并于2014年2月對外公布。自IEEE 802.11-2016及后續版本起，該標準已被納入綜合規范（第22節）。此后，除非另有標注，本文所引用的規范依據均為IEEE 802.11-2020版本。

IEEE 802.11af技術規范

IEEE 802.11af（以下簡稱“11af”）的技術規范，在設計上盡可能兼容同期推進的IEEE 802.11ac（VHT-PHY，以下簡稱“11ac”）規范。11af支持3種信道帶寬配置：6MHz、7MHz、8MHz，且所有模式下的數據子載波數量均固定為96個。不同帶寬的子載波總數存在差異：6MHz與8MHz帶寬對應144個子載波，7MHz帶寬對應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）。之所以設置3種相似卻又不同的物理層規范，推測是為了適配世界各國/地區略有差異的電視頻段無線電標準。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標準中，6/7/8MHz信道被定義為BCU（基本信道單元，Basic Channel Units），并規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標準的調制模式（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調制+ 5/6碼率前向糾錯編碼）的速率為26.7Mbps或35.6Mbps；規格書標稱的最高數據速率為4信道聚合?4流配置下的426.7Mbps或568.9Mbps。該規格相較于空白頻譜聯盟此前宣稱的“常規使用場景下80Mbps、近距離傳輸時400～800Mbps”，存在顯著差距。

11af標準的數據包格式基本沿用了Wi-Fi的既有格式，在規范第22.1.4節 “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標準形成鮮明對比——11ah不僅沿用原有格式，還擴展支持PV1幀（9.8節）及S1G PPDU格式（23.3節）。

11af標準的AP-STA工作模式同樣沿用了Wi-Fi的經典架構。這一點與11ah標準形成鮮明對比：11ah將單臺AP支持的接入節點數從2007臺擴展至8192臺，適配該擴展需求，其信標幀格式也進行了大幅優化，采用“短信標幀”與 “長信標幀”混合傳輸機制（詳見9.3.4.3節）；同時，面向低功耗節點的流量通知（TIM）機制也得到了極為細致的擴展（詳見9.4.2.5節）。而11af的信標幀格式則與傳統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）、S1G Operations（9.4.2.212節）等信息元素（IE）實現功能擴展，11af則直接復用了與11ac標準兼容的VHT Capability（9.4.2.157節）信息元素，無需額外定義。

與11ah標準不同，11ah以大范圍覆蓋、海量節點接入、低功耗的傳感器網絡類應用為目標，對傳統Wi-Fi的技術規格進行了大幅擴展；而11af則力求與11ac標準實現規格通用，其核心目標或許是僅替換11ac芯片組中的物理層與射頻模塊，以此推動自身早日實現產品化。

IEEE802.11af的現狀

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標準。然而就現狀而言，該標準已淪為無人問津的有名無實之作。歸根結底，目前尚無任何廠商將支持11af的無線芯片實現產品化。據筆者所知，僅有2015年12月日本情報通信研究機構（NICT，國立研究開發法人）開發出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域。該公司于2018年啟動了通過高空氣球構建廣域無線網絡的“Loon” 項目，然而這一項目也在2021年宣告終止。

微軟則顯得更為執著，仍在持續推進相關嘗試 —— 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，將在美國中西部農業地區啟動基于空白頻譜無線技術的互聯網接入測試項目（※注4）；2021年又與美國全國廣播協會（National Association of Broadcasters, NAB）產生了糾紛（※注5）。不過，這些項目最終的進展與結果目前尚無明確信息。盡管微軟官網至今仍保留著對空白頻譜無線技術的發展展望（※注6），但該頁面鏈接未來能否持續存在，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相關的動態，所以也不太清楚具體緣由。查閱《IEEE 802.11 - 2020標準》的E.2.5章節（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相關的繁瑣規定。GDD是“地理定位數據庫依賴”的縮寫，其詳細內容記載于該標準4.3.25章節 “地理定位數據庫管控下的運行機制”中。說到底，空白頻譜無線技術并非那種“買回來插上電源誰都能直接使用”的設備，使用者必須向中央地理定位數據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。尤其規定無線接入點必須參照美國FCC管理的認證注冊數據庫來運行，通篇都是這類十分繁瑣的要求。總而言之，原本大家期待在模擬電視信號停播后，能出現一片無需申請、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實。

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

隨著智能手機的普及，4G乃至5G數字移動網絡以前所未有的勢頭快速拓展并實現廣泛覆蓋。

2020年前后，可免許可、免申請使用的800～900MHz頻段競爭技術（IEEE 802.11ah）已完成產品化落地。

基于上述種種原因，包括11af在內的 “空白頻譜無線技術（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領域。

總結

新電波利用法規的制定、伴隨對相關通信技術的誤解而產生的過高期待、最終在一番喧囂過后淪為徒勞 —— 這一發展歷程，我此前在“超寬帶（UWB）相關介紹”中也提及過。雖說這類“常見戲碼”本應令人警惕，但在無線通信行業中卻早已屢見不鮮。之所以用“屢見不鮮”這一過去式表述，是因為過去十年左右，提及新興無線技術話題，幾乎都集中在“5G移動通信”及其周邊領域，再也聽不到那些不切實際卻充滿想象力的新技術傳聞了。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：這或許正是數字無線通信技術走向成熟并趨于商品化的佐證吧。

超寬帶（UWB）技術近年來摒棄了“近距離限定?超高速無線”的定位，回歸至脈沖式技術路線，并以蘋果Apple Airtag為代表，開始作為近距離精密定位設備投入應用。盡管UWB實現了這樣的復蘇，但坦率地說，11af乃至空白頻譜無線技術是否擁有未來，目前尚無法斷言。不過就當前現狀來看，其發展前景似乎并不樂觀。

模擬電視信號停播已逾十年，但空白頻譜仍持續受政治意圖左右，目前完全看不到會很快實現 “無需申請、無需許可、人人可用”的跡象。另一方面，競爭技術除了5G和11ah之外，以Starlink為代表的低地球軌道衛星網絡也已應運而生—— 用戶只需簽訂服務協議、購置相關設備，即可實際使用這些技術。

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，有互聯網就夠了”。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再利用，但這恐怕也是數十年后的事情了。

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摘自SILEX希來科技：

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審核編輯 黃宇