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为了解决网络拥塞,Wi-Fi 6采用了哪些黑科技?

在上一期的文章(链接)中,我给大家介绍了Wi-Fi的信道竞争接入原理。Wi-Fi设备的接入,核心就在于载波侦听多路访问/碰撞避免(CSMA/CA)。

这个先听后说的机制,从1997年的第一代Wi-Fi(802.11)就开始使用。然而,20多年前的无线网络设备很少,没有人会去考虑,当设备增多时,竞争入网带来的网络拥塞问题。

Wi-Fi的真正普及,是从2008年的Wi-Fi 4(802.11n)开始。可以说,从那时起,Wi-Fi真正成为家庭和企业互联网接入最常见的方式。支持Wi-Fi的设备型号数量,也成指数上升。

如今,Wi-Fi设备在我们的生活中无处不在。随便打开家里的无线路由管理界面,可能就有不下10个Wi-Fi设备同时在线。

设备数量的增加,导致了网络拥塞、性能下降、延时升高等问题。这些问题在Wi-Fi 5(802.11 ac)时代变得愈加严重。所以,在设计Wi-Fi 6(802.11 ax)时,专家们专门针对网络拥塞问题进行了改进和创新。

那么,Wi-Fi 6是通过哪些新技术来提高无线信道容量的呢?

█ 正交频分多址OFDMA

熟悉Wi-Fi的朋友们应该知道,Wi-Fi的空口采用了正交频分复用(OFDM)的调制方式,即整个带宽由相互正交的子载波组成。

在Wi-Fi 6中,802.11工作小组从LTE上引入了OFDMA的接入方式。就多了这么一个“A”字,可以说是给网络容量带来了质变。

如下面左边图所示,基于Wi-Fi 5的OFDM在任意一个时段,频道中的所有带宽只能分配给一个用户,哪怕这个用户的数据需求并不需要占用到全部带宽。

而其他用户接入网络时,需要等待下一个发送机会窗口(TXOP)。这在信道资源的使用上,是非常低效的,尤其是设备显著增多时。

图 1 OFDM与OFDMA对比

OFDMA改变了这一点。OFDMA通过将子载波组成一个个资源单元(RU)的方式,频道可以把瞬时带宽动态划分给不同的用户。

比如上图右边这张图中,第一个TXOP分配给了用户0和用户1,第二个OP全部分给了用户2,接着第三个TXOP中,资源被平均分配给了四位用户。

OFDMA一下子提高了瞬时支持的用户数量。

以下图的20MHz带宽为例,经过子载波分配,20MHz可以最多支持9个设备同时接入,40MHz则可以支持18个设备,以此类推。

图 2 采用OFDMA的20MHz下可用的资源单元数量

(Wi-Fi 6中每个子载波是78.125khz,20MHz就是256个子载波。6 Edge表示距离边缘有6个子载波作为保护带。)

可以说,OFDMA对Wi-Fi信道的容量带来了质变。

█ BSS coloring

在过去的Wi-Fi技术中,小区间同频干扰(Co-Channel Interference,CCI)是影响信道容量的另一个重要因素。

上篇文章提到,CSMA/CA的核心是采用先听后说(listen before talk,LBT),设备先对无线信道进行监听,在确保没有被占用的情况下,发送数据。

在多AP mesh组网(AP,Access Point,无线接入点)的情况下,小区内的设备会收听到临近同频道的小区的干扰信号,导致设备会误认为本小区此时的无线信道正在被占用,于是停止发送。

这种干扰,在网络没有优化好或者可用的频道数量很少的情况下,会显著降低网络容量。

如下图所示,4个Wi-Fi AP采用了三频道组网。但由于可用的频道只有三个,AP1和AP2不得不都部署在同样的频道Channel 6上,这时AP2的信号对于归属于AP1中的用户设备来说就是干扰——Overlapped Basic Service Set(OBSS,重叠基本服务单元,可以理解为频率相同的重叠小区)

图 3 三频组网下的同频道干扰场景

当用户设备与AP1进行通信时,由于设备收到同频的AP2的干扰信号,用户设备会误认为AP1的小区此时正在被小区内其他设备占用,于是等待下一个时间段发送。这么一来,网络性能就降低了。

不仅仅是多小区组网,这种干扰问题也会出现在Wi-Fi AP很靠近的情况下。比如你家中虽然只有一台无线AP,但如果隔壁邻居也有AP跟你部署在一样的频道上,CCI也会导致你的设备接入成功率下降。

可悲的是,大多数厂商在设备出厂时,都将Wi-Fi AP的默认频道放在第一个频道上。这样的话,干扰问题就更严重了。如果你发现这种问题,不妨更改一下家里Wi-Fi AP的频道,这样会明显减少干扰,提升网速。

Wi-Fi 6的解决方案,是通过在MAC层引入了BSS Coloring(小区颜色编码)技术,来区分本小区和干扰小区。也就是说,在同频道工作,存在相互干扰的AP,会附上不同的颜色码,加以区分。

当用户设备收到AP信号后,会对比其收到的颜色与目前关联的AP颜色是否一致。颜色一致时,用户才会认为信号是本小区内信号。

如果收到的信号的颜色与关联的AP颜色不同,用户判定该信号属于干扰信号。如下图所示,由于采用了不同颜色码,绿色小区的频道1不再受到临近小区频道1(蓝色和红色)的干扰。

图 4 Wi-Fi 6中的BSS Coloring技术

看到这里你可能要问,就算标了色,但干扰信号还是会收到啊,怎么解决干扰呢?

上篇文章我们说过,Wi-Fi中的先听后说,分两个检测门限,分别检测信号功率(SD)和信道能量(ED)。这两个门限在以往的Wi-Fi技术标准和设备中,是固定的,无法有效区分是本小区的信号还是临近小区的信号(下图左边)。

图 5 差异化信号检测门限和动态调整

Wi-Fi 6采用了差异化检测门限,给不同颜色码的小区分配不同的检测门限(上图右边)。

具体的方法是,将使用同频道的干扰小区信号检测门限升高,同时把同色的本小区内信号检测门限降低。通常周边小区的干扰信号由于传播衰减,信号强度会较低,不会超过相对较高幅度的检测门限。而本小区内信号用较低的检测,有助于提高检测灵敏度。

通过这种差异化的门限检测,信道就不会被误判为被占用,从而提高了信道容量。

信号检测门限同时可以随着网络环境进行动态调整,可以说是一种自感知网络的实现形式。

█ 多用户协调,多进多出(MU-MIMO)

单用户多路输入输出(SU-MIMO),从Wi-Fi 5开始被引入。AP和终端使用多路天线来发送和接收,多路天线使用同频但彼此正交的信号来提高信道使用率。

手机一般会用两根Wi-Fi天线,支持2x2 MIMO——两路发送和接收。

AP由于不受体积和电源限制,可以做到4甚至8根天线。MU-MIMO中的MU指的是多用户(Multiple Users),一个AP使用同样的信道来服务多个不同用户,每路用户分配1-2根天线,每根天线之间信号正交,互不干扰。

图 6 AP使用MU-MIMO来复用信道

Wi-Fi 5虽然在wave 2的标准更新中增加了下行MU-MIMO,但大多数厂商并没有在设备上去实现MU-MIMO功能。

在Wi-Fi 6时代,MU-MIMO终于得到了应用,并被扩展到了上行,即多终端设备不仅可以同时接收,也可以利用相同信道同时向AP发送数据。

有了MU-MIMO和OFDMA,那么自然就会想到:如果AP能够协调其服务的多用户同时对信道进行访问,而不是一个个独立来竞争请求的话,信道使用率还会提高。

如下图所示,AP通过发送一个触发信号,来同步需要接入的4位用户的开始发送和结束时间。四位用户不再相互竞争信道资源,而是采用MU-MIMO或者OFDMA的方式,与AP进行通信。

图 7 Wi-Fi 6的多路收发协调功能

█ 结语

Wi-Fi 6,是Wi-Fi历史上最重要的一次更新。

即使是目前最新的Wi-Fi 7,也仅仅是对Wi-Fi 6的主要特性进行一些加强。

Wi-Fi 6的更新还有很多,比如1024QAM调制,目标设备唤醒时间(Target Wake Time)等等,今天我们只介绍了跟网络容量相关的特性。

网络容量上的提升,是我认为Wi-Fi 6众多更新中最有用的功能,同时也是企业和个人用户升级Wi-Fi网络和终端的重要原因。

为了提高系统容量,Wi-Fi工程师们想尽了一切物理层和MAC层的方法。但是,最终容量还是受限于香农极限。

要进一步从根本上增加网络容量,只能从增加频谱的角度来解决。尤其是现有的2.4GHz,由于大量蓝牙、遥控器等无线设备的使用,已经变得拥挤不堪。而5GHz,又存在诸多访问限制。

频谱资源对于Wi-Fi系统来说,变得非常有限。这就促进了Wi-Fi 6E的诞生。

Wi-Fi 6E,是将现有的Wi-Fi 6拓展到6GHz(5925-7125 MHz)上,一下子将频谱的容量增加了三倍。同时,6GHz也是802.11组织为Wi-Fi 7(IEEE802.11 be)做的前期铺垫。

那么,Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7具体如何提升性能呢?我会在下一期文章给大家一一道来。

(全文完)

本文作者唐欣博士,目前担任Spectrum Lab技术总监。

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作者:唐欣
原始发表时间:2022-05-12
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