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自1997年第一個Wi-Fi網絡建立以來，2.4GHz頻段一直是科技設備的主要頻段。得益于該頻段的無需授權許可特性，這個頻段非常有用，而大量使用這個頻段也帶來了許多問題，包括可靠性和帶寬挑戰。

那么，為什么2.4GHz在設備中如此受歡迎，它又面臨著哪些挑戰，未來工程師可以期待哪些新技術?

【資料圖】

為什么 2.4GHz 如此受歡迎？

無線電頻譜充滿了大量的頻段，從長波無線電到高頻亞毫米微波；然而，在整個無線電頻譜范圍內，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的頻率并不是因為水分子在這個頻率上共振。Christopher S. Baird博士是該領域的知名專家，他在一篇名為《Why are the microwaves in a microwave oven tuned to water》的文章中解釋說，微波爐內產生的微波不是單色的，這意味著它們不會調諧到特定的頻率。這有助于揭示人們對微波技術的普遍誤解。相反，它們是由一種叫做磁控管的設備產生的，這種設備能發射出廣譜頻率，頻率根據被加熱食物的具體情況而變化。

微波通過介電質加熱來加熱食物。電磁波中的電場對食物中的分子施加了一種力，使它們旋轉、碰撞，并將它們某種程度上有序的旋轉運動轉化為熱量。這不僅適用于水分子，還適用于食物中的許多分子。同時，2.4GHz頻段在幾乎所有國家都是未經許可的，這意味著任何人都可以使用該頻率。因此，當Wi-Fi在1997年問世時，工程師們轉向一個未經許可的頻段是有充足的理由的。但是，實際上也存在許多未經許可的頻段，例如433MHz、900MHz、1890MHz和5.8GHz。那么，為什么2.4GHz比其他選項更受歡迎呢?

例如，我們看看無處不在的家用路由器。從 2000 年代初期到今天，大多數路由器都默認使用該頻段，因為它具有出色的覆蓋范圍和穿墻能力。對于希望確保其設備在整個家庭中提供可靠的互聯網訪問的制造商而言，該頻段是一個明智的選擇。

首先，由于Wi-Fi通常處理大數據傳輸(每秒兆字節)，因此對帶寬有很大的要求，這就排除了許多較低頻率(低于1GHz)。其次，這樣的網絡需要能夠在廣闊的區域內運行，雖然較低的頻率具有更好的遠程傳輸能力，但這是以帶寬為代價的。然而，使用非常高的頻率(如5GHz及以上)不僅傳輸距離受限，而且通過墻壁等障礙物的穿透能力也較差。

因此，工程師得出結論，2.4GHz 是 Wi-Fi 的完美頻率，因為它具有遠距離能力（最遠 100 米），同時提供顯著的帶寬和在室內環境中傳播的能力。當然，除此之外，使用2.4GHz的一個最重要的原因是它是免費的，Wi-Fi 標準也是如此，這意味著任何人都可以開發自己的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，許多其他協議都使用了這個頻段。例如，藍牙是一種利用該頻譜的低能耗無線電技術，Thread和Zigbee也是如此。因此，今天我們在物聯網行業在開發和部署方面取得了巨大的進步，幾乎所有家庭都擁有某種物聯網設備。

2.4GHz面臨哪些挑戰？

盡管2.4GHz提供了所有的優勢，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。由于該頻段未經許可，幾乎任何人都可以制造自己的2.4GHz設備，當設備足夠多就開始出現擁塞問題。

雖然目前這對普通家庭來說可能不是什么大問題，但在未來十年中，更多物聯網設備的加入將很快導致網絡速度開始放緩。對于人口密集的地區尤其如此，在這些地區，多個接入點通常非常接近，并且有限數量的頻率通道從根本上限制了可以同時連接和傳輸數據的設備的最大數量。

在人口稠密的公寓樓中可以看到這些挑戰的真實示例。在這樣的環境中，2.4GHz頻段上大量不同的Wi-Fi網絡通常會導致信號干擾，從而降低連接質量。

2.4GHz頻譜也面臨著現代應用和增加帶寬需求的挑戰。例如，向4K視頻的轉變已經看到從視頻服務流傳輸的數據量呈指數級增長(4K需要的帶寬至少是1080的4倍)，而使用更高幀率的視頻進一步增加了帶寬需求。通過2.4GHz網絡連接的單個設備可以流式傳輸此類視頻，但是當多個客戶端同時連接時，所有客戶端都請求此類視頻內容，傳統的2.4GHz可能會開始出現問題。總的來說，在過去的幾十年里，2.4GHz已經很好了，但是隨著設備帶寬需求的增加和設備數量的增加，很明顯2.4GHz已經不能勝任這項工作，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發現了2.4GHz的持續問題，并開放了多個頻率。5GHz就是這樣一個頻段，工程師可以求助于增加帶寬，并且已經存在多年。由于5GH 物聯網設備很少，該頻譜上沒有擁塞，加上范圍更小，使其成為提供超高速互聯網服務的室內本地化網絡的理想選擇。這種低射程也使它有可能用于未來的短距離設備，例如標簽、識別芯片，甚至可能是新版本的藍牙。

根據美國聯邦通信委員會(FCC)的一份報告，6GHz頻段有望成為Wi-Fi技術的未來，因為它能夠支持更高容量的操作和更廣泛的應用范圍。他們對這一主題的廣泛研究和正在進行的研究使他們成為該領域高度可信的來源。雖然仍處于起步階段，但6GHz能夠為設備提供比5GHz更大的帶寬，支持8K VR等應用。支持這些頻段的設備通常被標記為Wi-Fi 6E，這與Wi-Fi 6不同，后者在傳統的2.4GHz和5GHz頻段工作。

需要傳輸少量數據的工程師也可以考慮LoRa和433MHz的優勢。這兩種頻段都是未經許可的，這降低了開發成本，而且它們的長距離特性允許設備消耗很少的能量，傳輸少量字節，并且可以傳輸許多公里。

展望未來，2.4GHz 很可能會成為較慢設備的網絡，例如智能家居傳感器和僅偶爾發送數據的接口。需要更大帶寬的設備，例如智能手機和筆記本電腦，將需要轉向以更高頻率運行的不同網絡。這不僅有助于緩解2.4GHz頻段的擁堵，而且還為這些設備提供了更大的帶寬，從而使它們能夠繼續使用最新的功能和服務。

從最近推出的最新iPhone型號中可以看到從2.4GHz頻段過渡的一個成功例子。Apple已采用5GHz和6GHz 頻段，可實現更快的數據傳輸并減少擁塞。這也得到了用戶的積極評價，許多人也反饋互聯網連接速度明顯加快。

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