自1997年第一个Wi-Fi网络建立以来，2.4GHz频段一直是科技设备的主要频段。得益于该频段的无需授权许可特性，这个频段非常有用，而大量使用这个频段也带来了许多问题，包括可靠性和带宽挑战。

那么，为什么2.4GHz在设备中如此受欢迎，它又面临着哪些挑战，未来工程师可以期待哪些新技术?

为什么 2.4GHz 如此受欢迎？

无线电频谱充满了大量的频段，从长波无线电到高频亚毫米微波；然而，在整个无线电频谱范围内，2.4GHz频段仍然受到工程师的欢迎。与普遍的看法相反，微波炉选择2.4GHz的频率并不是因为水分子在这个频率上共振。Christopher S. Baird博士是该领域的知名专家，他在一篇名为《Why are the microwaves in a microwave oven tuned to water》的文章中解释说，微波炉内产生的微波不是单色的，这意味着它们不会调谐到特定的频率。这有助于揭示人们对微波技术的普遍误解。相反，它们是由一种叫做磁控管的设备产生的，这种设备能发射出广谱频率，频率根据被加热食物的具体情况而变化。

微波通过介电质加热来加热食物。电磁波中的电场对食物中的分子施加了一种力，使它们旋转、碰撞，并将它们某种程度上有序的旋转运动转化为热量。这不仅适用于水分子，还适用于食物中的许多分子。同时，2.4GHz频段在几乎所有国家都是未经许可的，这意味着任何人都可以使用该频率。因此，当Wi-Fi在1997年问世时，工程师们转向一个未经许可的频段是有充足的理由的。但是，实际上也存在许多未经许可的频段，例如433MHz、900MHz、1890MHz和5.8GHz。那么，为什么2.4GHz比其他选项更受欢迎呢?

例如，我们看看无处不在的家用路由器。从 2000 年代初期到今天，大多数路由器都默认使用该频段，因为它具有出色的覆盖范围和穿墙能力。对于希望确保其设备在整个家庭中提供可靠的互联网访问的制造商而言，该频段是一个明智的选择。

首先，由于Wi-Fi通常处理大数据传输(每秒兆字节)，因此对带宽有很大的要求，这就排除了许多较低频率(低于1GHz)。其次，这样的网络需要能够在广阔的区域内运行，虽然较低的频率具有更好的远程传输能力，但这是以带宽为代价的。然而，使用非常高的频率(如5GHz及以上)不仅传输距离受限，而且通过墙壁等障碍物的穿透能力也较差。

因此，工程师得出结论，2.4GHz 是 Wi-Fi 的完美频率，因为它具有远距离能力（最远 100 米），同时提供显着的带宽和在室内环境中传播的能力。当然，除此之外，使用2.4GHz的一个最重要的原因是它是免费的，Wi-Fi 标准也是如此，这意味着任何人都可以开发自己的Wi-Fi芯片组。

但受益于2.4GHz频谱的不仅仅是Wi-Fi；由于缺乏许可和提供的众多功能，许多其他协议都使用了这个频段。例如，蓝牙是一种利用该频谱的低能耗无线电技术，Thread和Zigbee也是如此。因此，今天我们在物联网行业在开发和部署方面取得了巨大的进步，几乎所有家庭都拥有某种物联网设备。

2.4GHz面临哪些挑战？

尽管2.4GHz提供了所有的优势，使其成为令人印象深刻的频段，但另一方面方面它也也有致命弱点。由于该频段未经许可，几乎任何人都可以制造自己的2.4GHz设备，当设备足够多就开始出现拥塞问题。

虽然目前这对普通家庭来说可能不是什么大问题，但在未来十年中，更多物联网设备的加入将很快导致网络速度开始放缓。对于人口密集的地区尤其如此，在这些地区，多个接入点通常非常接近，并且有限数量的频率通道从根本上限制了可以同时连接和传输数据的设备的最大数量。

在人口稠密的公寓楼中可以看到这些挑战的真实示例。在这样的环境中，2.4GHz频段上大量不同的Wi-Fi网络通常会导致信号干扰，从而降低连接质量。

2.4GHz频谱也面临着现代应用和增加带宽需求的挑战。例如，向4K视频的转变已经看到从视频服务流传输的数据量呈指数级增长(4K需要的带宽至少是1080的4倍)，而使用更高帧率的视频进一步增加了带宽需求。通过2.4GHz网络连接的单个设备可以流式传输此类视频，但是当多个客户端同时连接时，所有客户端都请求此类视频内容，传统的2.4GHz可能会开始出现问题。总的来说，在过去的几十年里，2.4GHz已经很好了，但是随着设备带宽需求的增加和设备数量的增加，很明显2.4GHz已经不能胜任这项工作，需要新的解决方案。

工程师有哪些替代解决方案？

值得庆幸的是，世界上许多政府已经发现了2.4GHz的持续问题，并开放了多个频率。5GHz就是这样一个频段，工程师可以求助于增加带宽，并且已经存在多年。由于5GH 物联网设备很少，该频谱上没有拥塞，加上范围更小，使其成为提供超高速互联网服务的室内本地化网络的理想选择。这种低射程也使它有可能用于未来的短距离设备，例如标签、识别芯片，甚至可能是新版本的蓝牙。

根据美国联邦通信委员会(FCC)的一份报告，6GHz频段有望成为Wi-Fi技术的未来，因为它能够支持更高容量的操作和更广泛的应用范围。他们对这一主题的广泛研究和正在进行的研究使他们成为该领域高度可信的来源。虽然仍处于起步阶段，但6GHz能够为设备提供比5GHz更大的带宽，支持8K VR等应用。支持这些频段的设备通常被标记为Wi-Fi 6E，这与Wi-Fi 6不同，后者在传统的2.4GHz和5GHz频段工作。

需要传输少量数据的工程师也可以考虑LoRa和433MHz的优势。这两种频段都是未经许可的，这降低了开发成本，而且它们的长距离特性允许设备消耗很少的能量，传输少量字节，并且可以传输许多公里。

展望未来，2.4GHz 很可能会成为较慢设备的网络，例如智能家居传感器和仅偶尔发送数据的接口。需要更大带宽的设备，例如智能手机和笔记本电脑，将需要转向以更高频率运行的不同网络。这不仅有助于缓解2.4GHz频段的拥堵，而且还为这些设备提供了更大的带宽，从而使它们能够继续使用最新的功能和服务。

从最近推出的最新iPhone型号中可以看到从2.4GHz频段过渡的一个成功例子。Apple已采用5GHz和6GHz 频段，可实现更快的数据传输并减少拥塞。这也得到了用户的积极评价，许多人也反馈互联网连接速度明显加快。