發(fā)布時(shí)間：2022-05-12 16:41:48  訪問(wèn)次數(shù)：882

發(fā)布人：優(yōu)洱士電腦維修

 

為了解決網(wǎng)絡(luò)擁塞，Wi-Fi 6 采用了哪些黑科技

在上一期的文章中，我給大家介紹了 Wi-Fi 的信道競(jìng)爭(zhēng)接入原理。Wi-Fi 設(shè)備的接入，核心就在于載波偵聽多路訪問(wèn) / 碰撞避免（CSMA / CA）。

這個(gè)先聽后說(shuō)的機(jī)制，從 1997 年的第一代 Wi-Fi（802.11）就開始使用。然而，20 多年前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很少，沒(méi)有人會(huì)去考慮，當(dāng)設(shè)備增多時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)入網(wǎng)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題。

Wi-Fi 的真正普及，是從 2008 年的 Wi-Fi 4（802.11n）開始。可以說(shuō)，從那時(shí)起，Wi-Fi 真正成為家庭和企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入最常見的方式。支持 Wi-Fi 的設(shè)備型號(hào)數(shù)量，也成指數(shù)上升。

如今，Wi-Fi 設(shè)備在我們的生活中無(wú)處不在。隨便打開家里的無(wú)線路由管理界面，可能就有不下 10 個(gè) Wi-Fi 設(shè)備同時(shí)在線。

設(shè)備數(shù)量的增加，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)擁塞、性能下降、延時(shí)升高等問(wèn)題。這些問(wèn)題在 Wi-Fi 5（802.11 ac）時(shí)代變得愈加嚴(yán)重。所以，在設(shè)計(jì) Wi-Fi 6（802.11 ax）時(shí)，專家們專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。

那么，Wi-Fi 6 是通過(guò)哪些新技術(shù)來(lái)提高無(wú)線信道容量的呢？

正交頻分多址 OFDMA

熟悉 Wi-Fi 的朋友們應(yīng)該知道，Wi-Fi 的空口采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制方式，即整個(gè)帶寬由相互正交的子載波組成。

在 Wi-Fi 6 中，802.11 工作小組從 LTE 上引入了 OFDMA 的接入方式。就多了這么一個(gè)“A”字，可以說(shuō)是給網(wǎng)絡(luò)容量帶來(lái)了質(zhì)變。

如下面左邊圖所示，基于 Wi-Fi 5 的 OFDM 在任意一個(gè)時(shí)段，頻道中的所有帶寬只能分配給一個(gè)用戶，哪怕這個(gè)用戶的數(shù)據(jù)需求并不需要占用到全部帶寬。

而其他用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要等待下一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)窗口（TXOP）。這在信道資源的使用上，是非常低效的，尤其是設(shè)備顯著增多時(shí)。

▲ 圖 1 OFDM 與 OFDMA 對(duì)比

OFDMA 改變了這一點(diǎn)。OFDMA 通過(guò)將子載波組成一個(gè)個(gè)資源單元（RU）的方式，頻道可以把瞬時(shí)帶寬動(dòng)態(tài)劃分給不同的用戶。

比如上圖右邊這張圖中，第一個(gè) TXOP 分配給了用戶 0 和用戶 1，第二個(gè) OP 全部分給了用戶 2，接著第三個(gè) TXOP 中，資源被平均分配給了四位用戶。

OFDMA 一下子提高了瞬時(shí)支持的用戶數(shù)量。

以下圖的 20MHz 帶寬為例，經(jīng)過(guò)子載波分配，20MHz 可以最多支持 9 個(gè)設(shè)備同時(shí)接入，40MHz 則可以支持 18 個(gè)設(shè)備，以此類推。

▲ 圖 2 采用 OFDMA 的 20MHz 下可用的資源單元數(shù)量

（Wi-Fi 6 中每個(gè)子載波是 78.125khz，20MHz 就是 256 個(gè)子載波。6 Edge 表示距離邊緣有 6 個(gè)子載波作為保護(hù)帶。）

可以說(shuō)，OFDMA 對(duì) Wi-Fi 信道的容量帶來(lái)了質(zhì)變。

BSS coloring

在過(guò)去的 Wi-Fi 技術(shù)中，小區(qū)間同頻干擾（Co-Channel Interference，CCI）是影響信道容量的另一個(gè)重要因素。

上篇文章提到，CSMA / CA 的核心是采用先聽后說(shuō)（listen before talk，LBT），設(shè)備先對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行監(jiān)聽，在確保沒(méi)有被占用的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)。

在多 AP mesh 組網(wǎng)（AP，Access Point，無(wú)線接入點(diǎn)）的情況下，小區(qū)內(nèi)的設(shè)備會(huì)收聽到臨近同頻道的小區(qū)的干擾信號(hào)，導(dǎo)致設(shè)備會(huì)誤認(rèn)為本小區(qū)此時(shí)的無(wú)線信道正在被占用，于是停止發(fā)送。

這種干擾，在網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有優(yōu)化好或者可用的頻道數(shù)量很少的情況下，會(huì)顯著降低網(wǎng)絡(luò)容量。

如下圖所示，4 個(gè) Wi-Fi AP 采用了三頻道組網(wǎng)。但由于可用的頻道只有三個(gè)，AP1 和 AP2 不得不都部署在同樣的頻道 Channel 6 上，這時(shí) AP2 的信號(hào)對(duì)于歸屬于 AP1 中的用戶設(shè)備來(lái)說(shuō)就是干擾 ——Overlapped Basic Service Set（OBSS，重疊基本服務(wù)單元，可以理解為頻率相同的重疊小區(qū)）。

▲ 圖 3 三頻組網(wǎng)下的同頻道干擾場(chǎng)景

當(dāng)用戶設(shè)備與 AP1 進(jìn)行通信時(shí)，由于設(shè)備收到同頻的 AP2 的干擾信號(hào)，用戶設(shè)備會(huì)誤認(rèn)為 AP1 的小區(qū)此時(shí)正在被小區(qū)內(nèi)其他設(shè)備占用，于是等待下一個(gè)時(shí)間段發(fā)送。這么一來(lái)，網(wǎng)絡(luò)性能就降低了。

不僅僅是多小區(qū)組網(wǎng)，這種干擾問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)在 Wi-Fi AP 很靠近的情況下。比如你家中雖然只有一臺(tái)無(wú)線 AP，但如果隔壁鄰居也有 AP 跟你部署在一樣的頻道上，CCI 也會(huì)導(dǎo)致你的設(shè)備接入成功率下降。

可悲的是，大多數(shù)廠商在設(shè)備出廠時(shí)，都將 Wi-Fi AP 的默認(rèn)頻道放在第一個(gè)頻道上。這樣的話，干擾問(wèn)題就更嚴(yán)重了。如果你發(fā)現(xiàn)這種問(wèn)題，不妨更改一下家里 Wi-Fi AP 的頻道，這樣會(huì)明顯減少干擾，提升網(wǎng)速。

Wi-Fi 6 的解決方案，是通過(guò)在 MAC 層引入了 BSS Coloring（小區(qū)顏色編碼）技術(shù)，來(lái)區(qū)分本小區(qū)和干擾小區(qū)。也就是說(shuō)，在同頻道工作，存在相互干擾的 AP，會(huì)附上不同的顏色碼，加以區(qū)分。

當(dāng)用戶設(shè)備收到 AP 信號(hào)后，會(huì)對(duì)比其收到的顏色與目前關(guān)聯(lián)的 AP 顏色是否一致。顏色一致時(shí)，用戶才會(huì)認(rèn)為信號(hào)是本小區(qū)內(nèi)信號(hào)。

如果收到的信號(hào)的顏色與關(guān)聯(lián)的 AP 顏色不同，用戶判定該信號(hào)屬于干擾信號(hào)。如下圖所示，由于采用了不同顏色碼，綠色小區(qū)的頻道 1 不再受到臨近小區(qū)頻道 1（藍(lán)色和紅色）的干擾。

▲ 圖 4 Wi-Fi 6 中的 BSS Coloring 技術(shù)

看到這里你可能要問(wèn)，就算標(biāo)了色，但干擾信號(hào)還是會(huì)收到啊，怎么解決干擾呢？

上篇文章我們說(shuō)過(guò)，Wi-Fi 中的先聽后說(shuō)，分兩個(gè)檢測(cè)門限，分別檢測(cè)信號(hào)功率（SD）和信道能量（ED）。這兩個(gè)門限在以往的 Wi-Fi 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備中，是固定的，無(wú)法有效區(qū)分是本小區(qū)的信號(hào)還是臨近小區(qū)的信號(hào)（下圖左邊）。

▲ 圖 5 差異化信號(hào)檢測(cè)門限和動(dòng)態(tài)調(diào)整

Wi-Fi 6 采用了差異化檢測(cè)門限，給不同顏色碼的小區(qū)分配不同的檢測(cè)門限（上圖右邊）。

具體的方法是，將使用同頻道的干擾小區(qū)信號(hào)檢測(cè)門限升高，同時(shí)把同色的本小區(qū)內(nèi)信號(hào)檢測(cè)門限降低。通常周邊小區(qū)的干擾信號(hào)由于傳播衰減，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)較低，不會(huì)超過(guò)相對(duì)較高幅度的檢測(cè)門限。而本小區(qū)內(nèi)信號(hào)用較低的檢測(cè)，有助于提高檢測(cè)靈敏度。

通過(guò)這種差異化的門限檢測(cè)，信道就不會(huì)被誤判為被占用，從而提高了信道容量。

信號(hào)檢測(cè)門限同時(shí)可以隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以說(shuō)是一種自感知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)形式。

多用戶協(xié)調(diào)，多進(jìn)多出（MU-MIMO）

單用戶多路輸入輸出（SU-MIMO），從 Wi-Fi 5 開始被引入。AP 和終端使用多路天線來(lái)發(fā)送和接收，多路天線使用同頻但彼此正交的信號(hào)來(lái)提高信道使用率。

手機(jī)一般會(huì)用兩根 Wi-Fi 天線，支持 2x2 MIMO—— 兩路發(fā)送和接收。

AP 由于不受體積和電源限制，可以做到 4 甚至 8 根天線。MU-MIMO 中的 MU 指的是多用戶（Multiple Users），一個(gè) AP 使用同樣的信道來(lái)服務(wù)多個(gè)不同用戶，每路用戶分配 1-2 根天線，每根天線之間信號(hào)正交，互不干擾。

▲ 圖 6 AP 使用 MU-MIMO 來(lái)復(fù)用信道

Wi-Fi 5 雖然在 wave 2 的標(biāo)準(zhǔn)更新中增加了下行 MU-MIMO，但大多數(shù)廠商并沒(méi)有在設(shè)備上去實(shí)現(xiàn) MU-MIMO 功能。

在 Wi-Fi 6 時(shí)代，MU-MIMO 終于得到了應(yīng)用，并被擴(kuò)展到了上行，即多終端設(shè)備不僅可以同時(shí)接收，也可以利用相同信道同時(shí)向 AP 發(fā)送數(shù)據(jù)。

有了 MU-MIMO 和 OFDMA，那么自然就會(huì)想到：如果 AP 能夠協(xié)調(diào)其服務(wù)的多用戶同時(shí)對(duì)信道進(jìn)行訪問(wèn)，而不是一個(gè)個(gè)獨(dú)立來(lái)競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求的話，信道使用率還會(huì)提高。

如下圖所示，AP 通過(guò)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，來(lái)同步需要接入的 4 位用戶的開始發(fā)送和結(jié)束時(shí)間。四位用戶不再相互競(jìng)爭(zhēng)信道資源，而是采用 MU-MIMO 或者 OFDMA 的方式，與 AP 進(jìn)行通信。

▲ 圖 7 Wi-Fi 6 的多路收發(fā)協(xié)調(diào)功能

結(jié)語(yǔ)

Wi-Fi 6，是 Wi-Fi 歷史上最重要的一次更新。

即使是目前最新的 Wi-Fi 7，也僅僅是對(duì) Wi-Fi 6 的主要特性進(jìn)行一些加強(qiáng)。

Wi-Fi 6 的更新還有很多，比如 1024QAM 調(diào)制，目標(biāo)設(shè)備喚醒時(shí)間（Target  Wake Time）等等，今天我們只介紹了跟網(wǎng)絡(luò)容量相關(guān)的特性。

網(wǎng)絡(luò)容量上的提升，是我認(rèn)為 Wi-Fi 6 眾多更新中最有用的功能，同時(shí)也是企業(yè)和個(gè)人用戶升級(jí) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)和終端的重要原因。

為了提高系統(tǒng)容量，Wi-Fi 工程師們想盡了一切物理層和 MAC 層的方法。但是，最終容量還是受限于香農(nóng)極限。

要進(jìn)一步從根本上增加網(wǎng)絡(luò)容量，只能從增加頻譜的角度來(lái)解決。尤其是現(xiàn)有的 2.4GHz，由于大量藍(lán)牙、遙控器等無(wú)線設(shè)備的使用，已經(jīng)變得擁擠不堪。而 5GHz，又存在諸多訪問(wèn)限制。

頻譜資源對(duì)于 Wi-Fi 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，變得非常有限。這就促進(jìn)了 Wi-Fi 6E 的誕生。

Wi-Fi 6E，是將現(xiàn)有的 Wi-Fi 6 拓展到 6GHz（5925-7125 MHz）上，一下子將頻譜的容量增加了三倍。同時(shí)，6GHz 也是 802.11 組織為 Wi-Fi 7（IEEE802.11 be）做的前期鋪墊。

那么，Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7 具體如何提升性能呢？我會(huì)在下一期文章給大家一一道來(lái)。