• 漲知識(shí)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(shí)最常用的兩種接入方式。

   

  這兩種接入方式，平時(shí)在上網(wǎng)時(shí)似乎沒(méi)感覺(jué)到有什么區(qū)別。然而，它們卻是完全不同的設(shè)計(jì)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(gè)幀中廣播同步信號(hào)塊SSB。SSB包含了小區(qū)的PCI（物理小區(qū)標(biāo)識(shí)）、基站的同步時(shí)間信息、空口信息、接入控制等參數(shù)。

   

  手機(jī)在確認(rèn)同步信號(hào)后，通過(guò)隨機(jī)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(lái)區(qū)分。

   

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

   

  而Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則不同。

   

  Wi-Fi在設(shè)計(jì)時(shí)，將AP接入點(diǎn)（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(tīng)多路訪問(wèn)/碰撞避免（CSMA/CA）的方式，來(lái)平等競(jìng)爭(zhēng)占用無(wú)線信道。

   

  AP和終端、終端與終端之間，在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)先進(jìn)行無(wú)線信道偵聽(tīng)。在確保信道沒(méi)被占用的情況下，接入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備之間并不分層級(jí)，而是采用自協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)接入的模式，訪問(wèn)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(jì)哲學(xué)。

   

  這兩種設(shè)計(jì)哲學(xué)，各有千秋。

  
  蜂窩網(wǎng)絡(luò)考慮的側(cè)重點(diǎn)，是多設(shè)備接入時(shí)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(jì)時(shí)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(cè)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(duì)比（勘誤：圖中Mbps應(yīng)為bps）

   

  接入過(guò)程與漫游

   

  那么，沒(méi)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(méi)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(dòng)探針的方式來(lái)進(jìn)行請(qǐng)求。

   

  終端會(huì)在Wi-Fi的第一個(gè)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(méi)有回應(yīng)的話，終端將切換到下一個(gè)20MHz頻道，重復(fù)上述動(dòng)作，直到收到AP的回應(yīng)，確認(rèn)AP的工作頻段和接入?yún)?shù)才能接入網(wǎng)絡(luò)。

   

  

  圖 2 手機(jī)進(jìn)行主動(dòng)掃探針?biāo)褜ば诺肋^(guò)程

   

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

   

  每個(gè)頻道20ms，搜索一圈信道下來(lái)，需要較長(zhǎng)時(shí)間，連接豈不是會(huì)中斷？那還怎么確保視頻會(huì)議或者微信語(yǔ)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(wú)線局域網(wǎng)，都會(huì)采用多AP mesh組網(wǎng)的方式，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

   

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

   

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

   

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

  

  圖 3 AP通過(guò)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(jìng)爭(zhēng)接入，避免沖突

   

   

  接入網(wǎng)絡(luò)后，AP和終端們便開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線信道的使用。

   

  在Wi-Fi系統(tǒng)中，終端和AP的空口時(shí)間統(tǒng)一被分為空閑（Idle）和機(jī)會(huì)發(fā)送（TXOP）時(shí)段。沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備屬于空閑期，不會(huì)發(fā)送任何信息。

   

  當(dāng)設(shè)備收到數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入爭(zhēng)奪無(wú)線信道的“仲裁”（Arbitration）過(guò)程。沒(méi)有中央調(diào)度器，所有設(shè)備按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)采用“公平競(jìng)爭(zhēng)”模式來(lái)贏得信道仲裁。贏得信道的設(shè)備，將會(huì)得到6ms的機(jī)會(huì)發(fā)送窗，然后進(jìn)入下一個(gè)仲裁期。

   

  

  圖 4 802.11中的空口時(shí)間分配

   

  進(jìn)入仲裁過(guò)程的Wi-Fi設(shè)備，首先開(kāi)啟信道偵聽(tīng)模式，RF接收機(jī)對(duì)無(wú)線信道中的802.11信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（Signal Detection）。如果偵聽(tīng)到的信號(hào)強(qiáng)度低于其SD閾值（以下圖思科的方案為例，閾值為-82dBm）時(shí)，設(shè)備判定目前信道沒(méi)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(lán)牙，遙控器，微波爐等等。那么，在判斷信道占用情況時(shí)，不僅僅需要能對(duì)自身802.11協(xié)議的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)不明通信協(xié)議的功率進(jìn)行檢測(cè)。

   

  這里就引出了第二個(gè)檢測(cè)機(jī)制——能量檢測(cè)（Energy Detection）。

   

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

  

  圖 5 思科無(wú)線設(shè)備的SD，ED設(shè)定

   

  細(xì)心的用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下，視頻通話時(shí)經(jīng)常有能聽(tīng)到聲音但圖像被卡住的現(xiàn)象。這其實(shí)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(jí)，從上到下分別為語(yǔ)音（VO），視頻（VI），最大努力（BE）和背景（BK）。每一個(gè)級(jí)別，都會(huì)附上不同的AIFS值。AIFS值越低，發(fā)送優(yōu)先級(jí)越高。

   

  在AIFS時(shí)間結(jié)束之后，設(shè)備便進(jìn)入了競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW），設(shè)備開(kāi)始偵聽(tīng)無(wú)線信道，同時(shí)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送。

   

  當(dāng)CW倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正在占用，設(shè)備便自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)仲裁期。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道處于空閑狀態(tài)，便開(kāi)始占用信道，發(fā)送數(shù)據(jù)。

   

  下圖這個(gè)例子，在第一個(gè)仲裁期中，IPad的CW時(shí)間最短，競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)始，手機(jī)在CW結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)信道沒(méi)有被占用，獲得了發(fā)送權(quán)。最終，無(wú)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(jìng)爭(zhēng)過(guò)程

   

  讀到這里，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程在設(shè)備增多的情況下，效率會(huì)明顯降低，每個(gè)設(shè)備的等待發(fā)送時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng)很多。

   

  實(shí)際體驗(yàn)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(chǎng)、學(xué)校中，經(jīng)常需要等待很長(zhǎng)時(shí)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(méi)有升級(jí)到最新的Wi-Fi 6。

   

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

   

  （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(xiàn)

  [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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