在上一期的文章(??鏈接??)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?？梢哉f，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。
本文作者唐欣博士，目前擔任Spectrum Lab技術總監。
參考文獻
[1] Aruba Networks White Paper – 802.11ax.
[2] Cisco White Paper- IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi.
[3] National Instruments - Introduction to 802.11ax High-Efficiency Wireless
X 關閉
X 關閉