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為了解決網(wǎng)絡(luò)擁塞,Wi-Fi 6采用了哪些黑科技?

2022-05-17 17:24 物聯(lián)傳媒
關(guān)鍵詞:Wi-Fi6

導(dǎo)讀:在上一期的文章(鏈接)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(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞避免(CSMA/CA)。

在上一期的文章(鏈接)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(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞避免(CSMA/CA)。

這個(gè)先聽(tīng)后說(shuō)的機(jī)制,從1997年的第一代Wi-Fi(802.11)就開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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)。

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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。

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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(tīng)后說(shuō)(listen before talk,LBT),設(shè)備先對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng),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(tīng)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))

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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。

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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(tīng)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)。

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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(kāi)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。

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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(kāi)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。

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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)。

本文作者唐欣博士,目前擔(dān)任Spectrum Lab技術(shù)總監(jiān)。

參考文獻(xiàn):

[1] Aruba Networks White Paper – 802.11ax.

[2] Cisco WhitePaper- IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi.

[3] National Instruments - Introduction to 802.11ax High-Efficiency Wireless