發布時間：2022-05-12 16:41:48  訪問次數：686

發布人：優洱士電腦維修

為了解決網絡擁塞，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 的信道競爭接入原理。Wi-Fi 設備的接入，核心就在于載波偵聽多路訪問 / 碰撞避免（CSMA / CA）。

這個先聽后說的機制，從 1997 年的第一代 Wi-Fi（802.11）就開始使用。然而，20 多年前的無線網絡設備很少，沒有人會去考慮，當設備增多時，競爭入網帶來的網絡擁塞問題。

Wi-Fi 的真正普及，是從 2008 年的 Wi-Fi 4（802.11n）開始。可以說，從那時起，Wi-Fi 真正成為家庭和企業互聯網接入最常見的方式。支持 Wi-Fi 的設備型號數量，也成指數上升。

如今，Wi-Fi 設備在我們的生活中無處不在。隨便打開家里的無線路由管理界面，可能就有不下 10 個 Wi-Fi 設備同時在線。

設備數量的增加，導致了網絡擁塞、性能下降、延時升高等問題。這些問題在 Wi-Fi 5（802.11 ac）時代變得愈加嚴重。所以，在設計 Wi-Fi 6（802.11 ax）時，專家們專門針對網絡擁塞問題進行了改進和創新。

那么，Wi-Fi 6 是通過哪些新技術來提高無線信道容量的呢？

正交頻分多址 OFDMA

熟悉 Wi-Fi 的朋友們應該知道，Wi-Fi 的空口采用了正交頻分復用（OFDM）的調制方式，即整個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“A”字，可以說是給網絡容量帶來了質變。

如下面左邊圖所示，基于 Wi-Fi 5 的 OFDM 在任意一個時段，頻道中的所有帶寬只能分配給一個用戶，哪怕這個用戶的數據需求并不需要占用到全部帶寬。

而其他用戶接入網絡時，需要等待下一個發送機會窗口（TXOP）。這在信道資源的使用上，是非常低效的，尤其是設備顯著增多時。

▲ 圖 1 OFDM 與 OFDMA 對比

OFDMA 改變了這一點。OFDMA 通過將子載波組成一個個資源單元（RU）的方式，頻道可以把瞬時帶寬動態劃分給不同的用戶。

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

OFDMA 一下子提高了瞬時支持的用戶數量。

以下圖的 20MHz 帶寬為例，經過子載波分配，20MHz 可以最多支持 9 個設備同時接入，40MHz 則可以支持 18 個設備，以此類推。

▲ 圖 2 采用 OFDMA 的 20MHz 下可用的資源單元數量

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

可以說，OFDMA 對 Wi-Fi 信道的容量帶來了質變。

BSS coloring

在過去的 Wi-Fi 技術中，小區間同頻干擾（Co-Channel Interference，CCI）是影響信道容量的另一個重要因素。

上篇文章提到，CSMA / CA 的核心是采用先聽后說（listen before talk，LBT），設備先對無線信道進行監聽，在確保沒有被占用的情況下，發送數據。

在多 AP mesh 組網（AP，Access Point，無線接入點）的情況下，小區內的設備會收聽到臨近同頻道的小區的干擾信號，導致設備會誤認為本小區此時的無線信道正在被占用，于是停止發送。

這種干擾，在網絡沒有優化好或者可用的頻道數量很少的情況下，會顯著降低網絡容量。

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

▲ 圖 3 三頻組網下的同頻道干擾場景

當用戶設備與 AP1 進行通信時，由于設備收到同頻的 AP2 的干擾信號，用戶設備會誤認為 AP1 的小區此時正在被小區內其他設備占用，于是等待下一個時間段發送。這么一來，網絡性能就降低了。

不僅僅是多小區組網，這種干擾問題也會出現在 Wi-Fi AP 很靠近的情況下。比如你家中雖然只有一臺無線 AP，但如果隔壁鄰居也有 AP 跟你部署在一樣的頻道上，CCI 也會導致你的設備接入成功率下降。

可悲的是，大多數廠商在設備出廠時，都將 Wi-Fi AP 的默認頻道放在第一個頻道上。這樣的話，干擾問題就更嚴重了。如果你發現這種問題，不妨更改一下家里 Wi-Fi AP 的頻道，這樣會明顯減少干擾，提升網速。

Wi-Fi 6 的解決方案，是通過在 MAC 層引入了 BSS Coloring（小區顏色編碼）技術，來區分本小區和干擾小區。也就是說，在同頻道工作，存在相互干擾的 AP，會附上不同的顏色碼，加以區分。

當用戶設備收到 AP 信號后，會對比其收到的顏色與目前關聯的 AP 顏色是否一致。顏色一致時，用戶才會認為信號是本小區內信號。

如果收到的信號的顏色與關聯的 AP 顏色不同，用戶判定該信號屬于干擾信號。如下圖所示，由于采用了不同顏色碼，綠色小區的頻道 1 不再受到臨近小區頻道 1（藍色和紅色）的干擾。

▲ 圖 4 Wi-Fi 6 中的 BSS Coloring 技術

看到這里你可能要問，就算標了色，但干擾信號還是會收到啊，怎么解決干擾呢？

上篇文章我們說過，Wi-Fi 中的先聽后說，分兩個檢測門限，分別檢測信號功率（SD）和信道能量（ED）。這兩個門限在以往的 Wi-Fi 技術標準和設備中，是固定的，無法有效區分是本小區的信號還是臨近小區的信號（下圖左邊）。

▲ 圖 5 差異化信號檢測門限和動態調整

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

具體的方法是，將使用同頻道的干擾小區信號檢測門限升高，同時把同色的本小區內信號檢測門限降低。通常周邊小區的干擾信號由于傳播衰減，信號強度會較低，不會超過相對較高幅度的檢測門限。而本小區內信號用較低的檢測，有助于提高檢測靈敏度。

通過這種差異化的門限檢測，信道就不會被誤判為被占用，從而提高了信道容量。

信號檢測門限同時可以隨著網絡環境進行動態調整，可以說是一種自感知網絡的實現形式。

多用戶協調，多進多出（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發送和接收，多路天線使用同頻但彼此正交的信號來提高信道使用率。

手機一般會用兩根 Wi-Fi 天線，支持 2x2 MIMO—— 兩路發送和接收。

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 AP 使用同樣的信道來服務多個不同用戶，每路用戶分配 1-2 根天線，每根天線之間信號正交，互不干擾。

▲ 圖 6 AP 使用 MU-MIMO 來復用信道

Wi-Fi 5 雖然在 wave 2 的標準更新中增加了下行 MU-MIMO，但大多數廠商并沒有在設備上去實現 MU-MIMO 功能。

在 Wi-Fi 6 時代，MU-MIMO 終于得到了應用，并被擴展到了上行，即多終端設備不僅可以同時接收，也可以利用相同信道同時向 AP 發送數據。

有了 MU-MIMO 和 OFDMA，那么自然就會想到：如果 AP 能夠協調其服務的多用戶同時對信道進行訪問，而不是一個個獨立來競爭請求的話，信道使用率還會提高。

如下圖所示，AP 通過發送一個觸發信號，來同步需要接入的 4 位用戶的開始發送和結束時間。四位用戶不再相互競爭信道資源，而是采用 MU-MIMO 或者 OFDMA 的方式，與 AP 進行通信。

▲ 圖 7 Wi-Fi 6 的多路收發協調功能

結語

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 Wi-Fi 6 的主要特性進行一些加強。

Wi-Fi 6 的更新還有很多，比如 1024QAM 調制，目標設備喚醒時間（Target  Wake Time）等等，今天我們只介紹了跟網絡容量相關的特性。

網絡容量上的提升，是我認為 Wi-Fi 6 眾多更新中最有用的功能，同時也是企業和個人用戶升級 Wi-Fi 網絡和終端的重要原因。

為了提高系統容量，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極限。

要進一步從根本上增加網絡容量，只能從增加頻譜的角度來解決。尤其是現有的 2.4GHz，由于大量藍牙、遙控器等無線設備的使用，已經變得擁擠不堪。而 5GHz，又存在諸多訪問限制。

頻譜資源對于 Wi-Fi 系統來說，變得非常有限。這就促進了 Wi-Fi 6E 的誕生。

Wi-Fi 6E，是將現有的 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，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？我會在下一期文章給大家一一道來。