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    絕網絡擁塞,Wi-Fi 6攜黑科技強勢來襲!

    發表時間:2022/06/15
    眾所周知當支持Wi-Fi的設備型號數量呈指數上升時,廣大用戶競爭入網時也會給Wi-Fi技術發展帶來新的技術難題?首當其沖的便是被廣大網友詬病的網絡擁塞問題。近期火熱的Wi-Fi 6(802.11 ax)又會給我們帶來怎樣的驚喜呢?


    身處于全球信息化時代的今天,Wi-Fi技術可謂是飛入尋常百姓家,似乎早就成為家家戶戶日常生活中不可缺少的一部分。但是很少人會追根溯源,認真去了解Wi-Fi前世今生,其實Wi-Fi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,隨即拉開了大家口中所謂的“4G時代”序幕。但是,由于十幾年前的無線網絡設備很少,所以當時沒有人會去考慮當支持Wi-Fi的設備型號數量指數上升時,廣大用戶競爭入網時也會給Wi-Fi技術發展帶來新的技術難題?首當其沖的便是被廣大網友詬病的網絡擁塞問題。

    原來最早時期Wi-Fi在設計時,AP接入點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。簡而言之: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。

    Wi-Fi 5(802.11 ac)時代,隨著手機、平板、智能家居等海量支持Wi-Fi技術的電子設備盛行。人手數臺移動通信設備,同時連接公共區域網絡的場景比比皆是,即使是在自己家中隨便打開家里的無線路由管理界面,可能就有不下7、8Wi-Fi設備同時在線,網絡擁塞情況可想而知!

    因為設備數量的增加,直接放大了網絡擁塞、性能下降、延時升高等問題。所以專家們在設計Wi-Fi 6(802.11 ax)時專門針對網絡擁塞問題進行了改進和創新,并為其量身定制多重“黑科技”提高無線信道容量,打破網絡擁堵僵局。

    現在就讓我們一起深入探討:Wi-Fi 6到底用怎樣的“黑科技”新技術提高無線信道容量的呢?

    、 正交頻分多址OFDMA

    熟悉Wi-Fi的知道,Wi-Fi的空口采用的是正交頻分復用(OFDM)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,專家小組從LTE上引入了OFDMA的接入方式。可別小瞧這個小小的字母“A”,僅一字之變便可以讓整個網絡容量產生翻天覆地的變化。

    1.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。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。

       OFDMA則是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。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。一下子提高了瞬時支持的用戶數量。

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    1. OFDM與OFDMA對比

    以圖2:20MHz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。

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    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。)

    所以我們不難看出,OFDMA對Wi-Fi信道的容量提升絕不是一星半點的,而是一種!

    、 BSS coloring

    以往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;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。

    3所示,如果有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)。

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    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。此外,市面上大多數廠商路由設備出廠時,都Wi-Fi AP第一個頻道設置成默認頻道。也就是說,假設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。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。

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    4 Wi-Fi 6中的BSS Coloring技術

    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(5左側)。

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    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(5右側)。

    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)

    對于MIMO技術想必大家也并不陌生,Wi-Fi 5時期就已經出現單用戶多路輸入輸出(SU-MIMO)技術。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。但是Wi-Fi 6已經可以支持(MU-MIMO技術,MU-MIMO中的MU指的是多用戶(Multiple Users)。AP由于不用像手機設備受體積和電源限制,可以做到4甚至8根天線,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。

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    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。

    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。

    如圖7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。

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    7 Wi-Fi 6的多路收發協調功能

     

    結語

    Wi-Fi 6(802.11 ax)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。網絡容量上的提升,是業內普遍認為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。如今Wi-Fi 6技術的已經逐步應用到各個領域當中,Wi-Fi行業甚至還在沿用Wi-Fi6的核心技術的基礎上,又積極推動了Wi-Fi 6e的發展。過將Wi-Fi 6的工作頻段延伸到6GHz (5925-7125MHz),以此來擴大網絡容量。

    WTE系列無線綜合測試儀(WTE200/WTE200V02/WTE200V06/WTE500),是由深圳市中承科技有限公司自主研發和生產的無線局域網WLAN綜合測試儀,具有自主開發的完整802.11 系列協議棧,也是支持Wi-Fi協議級測試需求定制開發的硬件平臺??蓮V泛應用于生產、研發、認證及定制性測試需求開發等環節,為Wi-Fi66e產品提供可靠、高效的射頻測試方案。WTE系列無線綜合測試儀具有領先的WLAN信令無線射頻測試功能,真實實現Wi-Fi網絡呼叫功能,通過AP與STA通信協議自動完成無線信號連接,測試被測件的各項無線射頻性能指標。

     

    WLAN測試解決方案,支持4X4 MIMO測試!

    ·支持MU-MIMO OTA測試;

    ·超高吞吐量協議的信令測試;

    ·支持Wi-Fi6/6e產品的射頻測試;

    ·支持最新IEEE 802.11ax,且兼容之前所有協議a/b/g/n/ac;

    ·支持4x4 MIMO輻射功率,靈敏度,分集增益和多天線吞吐量等測試;

    ·具有超大功率測量動態范圍,無需額外配置放大器即可精確檢測功率低至-80 dBm的微弱無線信號更加適合5GHz Wi-Fi OTA測試;

     

     

     

     

     

    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

    [4] 知乎網絡平臺專欄:小棗君

     

     


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