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)到有什么區別。然而，它們卻是完全不同的設計哲學(xué)。

 

蜂窩網(wǎng)絡(luò )以基站為小區中心，基站承擔了小區的中央控制、用戶(hù)授權和調度。

以5G為例，基站在每個(gè)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(shí)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(guò)隨機接入信道PRACH，發(fā)送接入前導序列Preamble，以此獲取基站授權接入。不同的用戶(hù)，采用不同的ZC正交序列來(lái)區分。

 

在接入后，無(wú)線(xiàn)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)間內進(jìn)行數據發(fā)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(xué)。

 

而Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )則不同。

 

Wi-Fi在設計時(shí)，將AP接入點(diǎn)（這里AP的功能等同于5G中的基站）和用戶(hù)終端放在同等的位置考慮?；?02.11協(xié)議的AP和終端，采用了載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/碰撞避免（CSMA/CA）的方式，來(lái)平等競爭占用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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 )。設備之間并不分層級，而是采用自協(xié)調競爭接入的模式，訪(fǎng)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計哲學(xué)。

 

這兩種設計哲學(xué)，各有千秋。

蜂窩網(wǎng)絡(luò )考慮的側重點(diǎn)，是多設備接入時(shí)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(shí)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(fā)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(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，終端是不可能預先知道是否有可用的網(wǎng)絡(luò )資源以及AP參數的。

 

這里，終端采用了一種主動(dòng)探針的方式來(lái)進(jìn)行請求。

 

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。

 

如果20ms后AP沒(méi)有回應的話(huà)，終端將切換到下一個(gè)20MHz頻道，重復上述動(dòng)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(wǎng)絡(luò )。

 

圖 2 手機進(jìn)行主動(dòng)掃探針搜尋信道過(guò)程

 

寫(xiě)到這里，你可能會(huì )想到，如果室內有多個(gè)Wi-Fi AP，當用戶(hù)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(cháng)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？

 

現在的辦公室甚至現在很多家庭無(wú)線(xiàn)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)探針搜尋信道過(guò)程，將是會(huì )非常低效的。好在802.11工作組考慮到了小區切換的問(wèn)題，在802.11k中開(kāi)發(fā)了“鄰居報告”的協(xié)議。

 

設備在接入AP后，該AP會(huì )將其附近AP的BSSID和頻道信息發(fā)送給用戶(hù)。這樣一來(lái)，用戶(hù)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)是極大節省了切換時(shí)間，保證通信不出現中斷。二來(lái)是給用戶(hù)設備省電，設備不再需要發(fā)送一個(gè)個(gè)探針。第三，就是無(wú)線(xiàn)信道也得到了更加有效的利用，AP不需要頻繁占用無(wú)線(xiàn)信道來(lái)不斷回應終端的請求。

圖 3 AP通過(guò)802.11k協(xié)議回應終端設備其鄰近AP的信息

 

自我協(xié)調，信道競爭接入，避免沖突

 

 

接入網(wǎng)絡(luò )后，AP和終端們便開(kāi)始競爭無(wú)線(xiàn)信道的使用。

 

在Wi-Fi系統中，終端和AP的空口時(shí)間統一被分為空閑（Idle）和機會(huì )發(fā)送（TXOP）時(shí)段。沒(méi)有數據時(shí)，設備屬于空閑期，不會(huì )發(fā)送任何信息。

 

當設備收到數據發(fā)送請求時(shí)，設備開(kāi)始進(jìn)入爭奪無(wú)線(xiàn)信道的“仲裁”（Arbitration）過(guò)程。沒(méi)有中央調度器，所有設備按照數據優(yōu)先級采用“公平競爭”模式來(lái)贏(yíng)得信道仲裁。贏(yíng)得信道的設備，將會(huì )得到6ms的機會(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設備，首先開(kāi)啟信道偵聽(tīng)模式，RF接收機對無(wú)線(xiàn)信道中的802.11信號進(jìn)行監測（Signal Detection）。如果偵聽(tīng)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(shí)，設備判定目前信道沒(méi)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(shí)，不僅僅需要能對自身802.11協(xié)議的信號進(jìn)行監測，還需要對不明通信協(xié)議的功率進(jìn)行檢測。

 

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

 

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

圖 5 思科無(wú)線(xiàn)設備的SD，ED設定

 

細心的用戶(hù)可能會(huì )發(fā)現，在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不好的情況下，視頻通話(huà)時(shí)經(jīng)常有能聽(tīng)到聲音但圖像被卡住的現象。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將數據分為四種不同的優(yōu)先級，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)級別，都會(huì )附上不同的AIFS值。AIFS值越低，發(fā)送優(yōu)先級越高。

 

在A(yíng)IFS時(shí)間結束之后，設備便進(jìn)入了競爭窗口（CW），設備開(kāi)始偵聽(tīng)無(wú)線(xiàn)信道，同時(shí)開(kāi)始倒計時(shí)準備發(fā)送。

 

當CW倒計時(shí)結束時(shí)，如果設備發(fā)現信道正在占用，設備便自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)仲裁期。如果設備發(fā)現信道處于空閑狀態(tài)，便開(kāi)始占用信道，發(fā)送數據。

 

下圖這個(gè)例子，在第一個(gè)仲裁期中，IPad的CW時(shí)間最短，競爭信道成功，獲得了發(fā)送權。在IPad數據發(fā)送后，一輪新的仲裁開(kāi)始，手機在CW結束后，發(fā)現信道沒(méi)有被占用，獲得了發(fā)送權。最終，無(wú)線(xiàn)AP贏(yíng)得了第三輪仲裁，獲得發(fā)送權。

圖 6 多設備信道競爭過(guò)程

 

讀到這里，你可能會(huì )發(fā)現，這個(gè)競爭過(guò)程在設備增多的情況下，效率會(huì )明顯降低，每個(gè)設備的等待發(fā)送時(shí)間將會(huì )變長(cháng)很多。

 

實(shí)際體驗中，你可能也注意到了，在Wi-Fi設備多的公共環(huán)境，比如商場(chǎng)、學(xué)校中，經(jīng)常需要等待很長(cháng)時(shí)間，才能發(fā)送或接收數據。

 

那么，很有可能是網(wǎng)絡(luò )還沒(méi)有升級到最新的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，目前擔任Spectrum Lab技術(shù)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