• 漲知識了！Wi-Fi背后的原理揭秘！

  2022-05-09 17:20:21
  Wi-Fi和4G/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是我們上網(wǎng)時最常用的兩種接入方式。

   

  這兩種接入方式，平時在上網(wǎng)時似乎沒感覺到有什么區(qū)別。然而，它們卻是完全不同的設(shè)計哲學(xué)。

   

  蜂窩網(wǎng)絡(luò)以基站為小區(qū)中心，基站承擔(dān)了小區(qū)的中央控制、用戶授權(quán)和調(diào)度。

  
  以5G為例，基站在每個幀中廣播同步信號塊SSB。SSB包含了小區(qū)的PCI（物理小區(qū)標(biāo)識）、基站的同步時間信息、空口信息、接入控制等參數(shù)。

   

  手機在確認同步信號后，通過隨機接入信道PRACH，發(fā)送接入前導(dǎo)序列Preamble，以此獲取基站授權(quán)接入。不同的用戶，采用不同的ZC正交序列來區(qū)分。

   

  在接入后，無線信道分配好上下行時隙（這里特指TDD網(wǎng)絡(luò)），基站和所有終端都在固定的時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這種設(shè)計理念以基站作為小區(qū)中心，采用中心規(guī)劃的設(shè)計哲學(xué)。

   

  而Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則不同。

   

  Wi-Fi在設(shè)計時，將AP接入點（這里AP的功能等同于5G中的基站）和用戶終端放在同等的位置考慮。基于802.11協(xié)議的AP和終端，采用了載波偵聽多路訪問/碰撞避免（CSMA/CA）的方式，來平等競爭占用無線信道。

   

  AP和終端、終端與終端之間，在接入網(wǎng)絡(luò)時先進行無線信道偵聽。在確保信道沒被占用的情況下，接入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備之間并不分層級，而是采用自協(xié)調(diào)競爭接入的模式，訪問網(wǎng)絡(luò)。

   

  從某種意義上，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是一種去中心化的設(shè)計哲學(xué)。

   

  這兩種設(shè)計哲學(xué)，各有千秋。

  
  蜂窩網(wǎng)絡(luò)考慮的側(cè)重點，是多設(shè)備接入時的容量和效率。而Wi-Fi，由于其使用非授權(quán)頻譜以及成本上考量，設(shè)計時更加側(cè)重于抗干擾、低成本等特性。

   

  兩種方案都能讓信道得到充分的利用。參考Aruba Networks發(fā)布的測試結(jié)果可以看出，LTE和Wi-Fi 6在MAC層面的頻譜使用效率非常接近，單流、256QAM的情況下，都能到5bps/Hz以上的頻譜使用效率。

   

  

  圖 1 LTE與Wi-Fi在頻譜使用效率上的對比（勘誤：圖中Mbps應(yīng)為bps）

   

  接入過程與漫游

   

  那么，沒有中心控制的Wi-Fi，具體是怎么協(xié)作接入的呢？

   

  首先第一步，是尋找Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。

   

  由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中AP沒有廣播功能，終端是不可能預(yù)先知道是否有可用的網(wǎng)絡(luò)資源以及AP參數(shù)的。

   

  這里，終端采用了一種主動探針的方式來進行請求。

   

  終端會在Wi-Fi的第一個20MHz頻道上，發(fā)送一系列探針序列，然后等待AP回應(yīng)。

   

  如果20ms后AP沒有回應(yīng)的話，終端將切換到下一個20MHz頻道，重復(fù)上述動作，直到收到AP的回應(yīng)，確認AP的工作頻段和接入?yún)?shù)才能接入網(wǎng)絡(luò)。

   

  

  圖 2 手機進行主動掃探針?biāo)褜ば诺肋^程

   

  寫到這里，你可能會想到，如果室內(nèi)有多個Wi-Fi AP，當(dāng)用戶在移動，終端從一個AP切換到另一個AP時，還要重復(fù)上述的AP搜尋過程嗎？

   

  每個頻道20ms，搜索一圈信道下來，需要較長時間，連接豈不是會中斷？那還怎么確保視頻會議或者微信語音的通信質(zhì)量呢？

   

  現(xiàn)在的辦公室甚至現(xiàn)在很多家庭無線局域網(wǎng)，都會采用多AP mesh組網(wǎng)的方式，來提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

   

  如果每次終端切換AP時，都重新做上述的主動探針?biāo)褜ば诺肋^程，將是會非常低效的。好在802.11工作組考慮到了小區(qū)切換的問題，在802.11k中開發(fā)了“鄰居報告”的協(xié)議。

   

  設(shè)備在接入AP后，該AP會將其附近AP的BSSID和頻道信息發(fā)送給用戶。這樣一來，用戶在需要切換到另一個AP時，就不用再掃描一遍頻道了。

   

  這樣做的好處，一來是極大節(jié)省了切換時間，保證通信不出現(xiàn)中斷。二來是給用戶設(shè)備省電，設(shè)備不再需要發(fā)送一個個探針。第三，就是無線信道也得到了更加有效的利用，AP不需要頻繁占用無線信道來不斷回應(yīng)終端的請求。

  

  圖 3 AP通過802.11k協(xié)議回應(yīng)終端設(shè)備其鄰近AP的信息

   

  自我協(xié)調(diào)，信道競爭接入，避免沖突

   

   

  接入網(wǎng)絡(luò)后，AP和終端們便開始競爭無線信道的使用。

   

  在Wi-Fi系統(tǒng)中，終端和AP的空口時間統(tǒng)一被分為空閑（Idle）和機會發(fā)送（TXOP）時段。沒有數(shù)據(jù)時，設(shè)備屬于空閑期，不會發(fā)送任何信息。

   

  當(dāng)設(shè)備收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，設(shè)備開始進入爭奪無線信道的“仲裁”（Arbitration）過程。沒有中央調(diào)度器，所有設(shè)備按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級采用“公平競爭”模式來贏得信道仲裁。贏得信道的設(shè)備，將會得到6ms的機會發(fā)送窗，然后進入下一個仲裁期。

   

  

  圖 4 802.11中的空口時間分配

   

  進入仲裁過程的Wi-Fi設(shè)備，首先開啟信道偵聽模式，RF接收機對無線信道中的802.11信號進行監(jiān)測（Signal Detection）。如果偵聽到的信號強度低于其SD閾值（以下圖思科的方案為例，閾值為-82dBm）時，設(shè)備判定目前信道沒有其他Wi-Fi設(shè)備在使用。

   

  由于Wi-Fi使用的頻段屬于免授權(quán)頻段，需要與非802.11設(shè)備共享使用，比如藍牙，遙控器，微波爐等等。那么，在判斷信道占用情況時，不僅僅需要能對自身802.11協(xié)議的信號進行監(jiān)測，還需要對不明通信協(xié)議的功率進行檢測。

   

  這里就引出了第二個檢測機制——能量檢測（Energy Detection）。

   

  ED的作用，是判斷無線信道沒有被其他非Wi-Fi設(shè)備占用，防止發(fā)送的有用Wi-Fi信號被淹沒在噪聲中，通常ED的門限比SD高20dB。

  

  圖 5 思科無線設(shè)備的SD，ED設(shè)定

   

  細心的用戶可能會發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下，視頻通話時經(jīng)常有能聽到聲音但圖像被卡住的現(xiàn)象。這其實是Wi-Fi的一種發(fā)送優(yōu)化措施，用于保障最基本的服務(wù)。

   

  Wi-Fi將數(shù)據(jù)分為四種不同的優(yōu)先級，從上到下分別為語音（VO），視頻（VI），最大努力（BE）和背景（BK）。每一個級別，都會附上不同的AIFS值。AIFS值越低，發(fā)送優(yōu)先級越高。

   

  在AIFS時間結(jié)束之后，設(shè)備便進入了競爭窗口（CW），設(shè)備開始偵聽無線信道，同時開始倒計時準(zhǔn)備發(fā)送。

   

  當(dāng)CW倒計時結(jié)束時，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正在占用，設(shè)備便自動進入下一個仲裁期。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道處于空閑狀態(tài)，便開始占用信道，發(fā)送數(shù)據(jù)。

   

  下圖這個例子，在第一個仲裁期中，IPad的CW時間最短，競爭信道成功，獲得了發(fā)送權(quán)。在IPad數(shù)據(jù)發(fā)送后，一輪新的仲裁開始，手機在CW結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)信道沒有被占用，獲得了發(fā)送權(quán)。最終，無線AP贏得了第三輪仲裁，獲得發(fā)送權(quán)。

  

  圖 6 多設(shè)備信道競爭過程

   

  讀到這里，你可能會發(fā)現(xiàn)，這個競爭過程在設(shè)備增多的情況下，效率會明顯降低，每個設(shè)備的等待發(fā)送時間將會變長很多。

   

  實際體驗中，你可能也注意到了，在Wi-Fi設(shè)備多的公共環(huán)境，比如商場、學(xué)校中，經(jīng)常需要等待很長時間，才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

   

  那么，很有可能是網(wǎng)絡(luò)還沒有升級到最新的Wi-Fi 6。

   

  Wi-Fi 6可以說是Wi-Fi行業(yè)過去十多年中最大的一次革新。具體Wi-Fi 6是通過哪些新特性來解決多設(shè)備下網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題呢？我會在下一期的文章中給大家一一道來。

   

  （全文完）

   

  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

  [1] Aruba Networks Blog – Understanding 802.11 medium contention.

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

  [3] Extreme Networks – The Road to AP discovery

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