Wi-Fi和4G/5G蜂窩網絡,是我們上網時最常用的兩種接入方式。

這兩種接入方式,平時在上網時似乎沒感覺到有什么區別。然而,它們卻是完全不同的設計哲學。

蜂窩網絡以基站為小區中心,基站承擔了小區的中央控制、用戶授權和調度。

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

手機在確認同步信號后,通過隨機接入信道PRACH,發送接入前導序列Preamble,以此獲取基站授權接入。不同的用戶,采用不同的ZC正交序列來區分。

在接入后,無線信道分配好上下行時隙(這里特指TDD網絡),基站和所有終端都在固定的時間內進行數據發送或接收。這種設計理念以基站作為小區中心,采用中心規劃的設計哲學。

而Wi-Fi網絡則不同。

Wi-Fi在設計時,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?;?02.11協議的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,在接入網絡時先進行無線信道偵聽。在確保信道沒被占用的情況下,接入網絡。設備之間并不分層級,而是采用自協調競爭接入的模式,訪問網絡。

從某種意義上,Wi-Fi網絡是一種去中心化的設計哲學。

這兩種設計哲學,各有千秋。

蜂窩網絡考慮的側重點,是多設備接入時的容量和效率。而Wi-Fi,由于其使用非授權頻譜以及成本上考量,設計時更加側重于抗干擾、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發布的測試結果可以看出,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5Mbps/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

接入過程與漫游

那么,沒有中心控制的Wi-Fi,具體是怎么協作接入的呢?

首先第一步,是尋找Wi-Fi網絡。

由于Wi-Fi網絡中AP沒有廣播功能,終端是不可能預先知道是否有可用的網絡資源以及AP參數的。

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,發送一系列探針序列,然后等待AP回應。

如果20ms后AP沒有回應的話,終端將切換到下一個20MHz頻道,重復上述動作,直到收到AP的回應,確認AP的工作頻段和接入參數才能接入網絡。

圖 2 手機進行主動掃探針搜尋信道過程

寫到這里,你可能會想到,如果室內有多個Wi-Fi AP,當用戶在移動,終端從一個AP切換到另一個AP時,還要重復上述的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量呢?

現在的辦公室甚至現在很多家庭無線局域網,都會采用多AP mesh組網的方式,來提高網絡覆蓋性能。

如果每次終端切換AP時,都重新做上述的主動探針搜尋信道過程,將是會非常低效的。好在802.11工作組考慮到了小區切換的問題,在802.11k中開發了“鄰居報告”的協議。

設備在接入AP后,該AP會將其附近AP的BSSID和頻道信息發送給用戶。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,一來是極大節省了切換時間,保證通信不出現中斷。二來是給用戶設備省電,設備不再需要發送一個個探針。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終端的請求。

圖 3 AP通過802.11k協議回應終端設備其鄰近AP的信息

自我協調,信道競爭接入,避免沖突

接入網絡后,AP和終端們便開始競爭無線信道的使用。

在Wi-Fi系統中,終端和AP的空口時間統一被分為空閑(Idle)和機會發送(TXOP)時段。沒有數據時,設備屬于空閑期,不會發送任何信息。

當設備收到數據發送請求時,設備開始進入爭奪無線信道的“仲裁”(Arbitration)過程。沒有中央調度器,所有設備按照數據優先級采用“公平競爭”模式來贏得信道仲裁。贏得信道的設備,將會得到6ms的機會發送窗,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,設備判定目前信道沒有其他Wi-Fi設備在使用。

由于Wi-Fi使用的頻段屬于免授權頻段,需要與非802.11設備共享使用,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協議的信號進行監測,還需要對不明通信協議的功率進行檢測。

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設備占用,防止發送的有用Wi-Fi信號被淹沒在噪聲中,通常ED的門限比SD高20dB。

圖 5 思科無線設備的SD,ED設定

細心的用戶可能會發現,在網絡環境不好的情況下,視頻通話時經常有能聽到聲音但圖像被卡住的現象。這其實是Wi-Fi的一種發送優化措施,用于保障最基本的服務。

Wi-Fi將數據分為四種不同的優先級,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,發送優先級越高。

在AIFS時間結束之后,設備便進入了競爭窗口(CW),設備開始偵聽無線信道,同時開始倒計時準備發送。

當CW倒計時結束時,如果設備發現信道正在占用,設備便自動進入下一個仲裁期。如果設備發現信道處于空閑狀態,便開始占用信道,發送數據。

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,獲得了發送權。在IPad數據發送后,一輪新的仲裁開始,手機在CW結束后,發現信道沒有被占用,獲得了發送權。最終,無線AP贏得了第三輪仲裁,獲得發送權。

圖 6 多設備信道競爭過程

讀到這里,你可能會發現,這個競爭過程在設備增多的情況下,效率會明顯降低,每個設備的等待發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設備多的公共環境,比如商場、學校中,經常需要等待很長時間,才能發送或接收數據。

那么,很有可能是網絡還沒有升級到最新的Wi-Fi 6。

Wi-Fi 6可以說是Wi-Fi行業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備下網絡阻塞的問題呢?我會在下一期的文章中給大家一一道來。

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 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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