• 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。基于802.11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。

   

  （全文完）

   

  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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