这两种接入办法,平时在上网时彷佛没觉得到有什么差异。
然而,它们却是完备不同的设计哲学。

蜂窝网络以基站为小区中央,基站承担了小区的中心掌握、用户授权和调度。

以5G为例,基站在每个帧中广播同步旗子暗记块SSB。
SSB包含了小区的PCI(物理小区标识)、基站的同步韶光信息、空口信息、接入掌握等参数。

手机在确认同步旗子暗记后,通过随机接入信道PRACH,发送接入前导序列Preamble,以此获取基站授权接入。
不同的用户,采取不同的ZC正交序列来区分。

涨常识了WiFi背后的事理揭秘

在接入后,无线信道分配好高下行时隙(这里特指TDD网络),基站和所有终端都在固定的韶光内进行数据发送或吸收。
这种设计理念以基站作为小区中央,采取中央方案的设计哲学。

而Wi-Fi网络则不同。

Wi-Fi在设计时,将AP接入点(这里AP的功能等同于5G中的基站)和用户终端放在同等的位置考虑。
基于802.11协议的AP和终端,采取了载波侦听多路访问/碰撞避免(CSMA/CA)的办法,来平等竞争占用无线信道。

AP和终端、终端与终端之间,在接入网络时前辈行无线信道侦听。
在确保信道没被占用的情形下,接入网络。
设备之间并不分层级,而是采取自折衷竞争接入的模式,访问网络。

从某种意义上,Wi-Fi网络是一种去中央化的设计哲学。

这两种设计哲学,各有千秋。

蜂窝网络考虑的侧重点,是多设备接入时的容量和效率。
而Wi-Fi,由于其利用非授权频谱以及本钱上考量,设计时更加侧重于抗滋扰、低本钱等特性。

两种方案都能让信道得到充分的利用。
参考Aruba Networks发布的测试结果可以看出,LTE和Wi-Fi 6在MAC层面的频谱利用效率非常靠近,单流、256QAM的情形下,都能到5bps/Hz以上的频谱利用效率。

图 1 LTE与Wi-Fi在频谱利用效率上的比拟(勘误:图中Mbps应为bps)

█ 接入过程与漫游

那么,没有中央掌握的Wi-Fi,详细是怎么协作接入的呢?

首先第一步,是探求Wi-Fi网络。

由于Wi-Fi网络中AP没有广播功能,终端是不可能预先知道是否有可用的网络资源以及AP参数的。

这里,终端采取了一种主动探针的办法来进行要求。

终端会在Wi-Fi的第一个20MHz频道上,发送一系列探针序列,然后等待AP回应。

如果20ms后AP没有回应的话,终端将切换到下一个20MHz频道,重复上述动作,直到收到AP的回应,确认AP的事情频段和接入参数才能接入网络。

图 2 手机进行主动扫探针征采信道过程

写到这里,你可能会想到,如果室内有多个Wi-Fi AP,当用户在移动,终端从一个AP切换到另一个AP时,还要重复上述的AP征采过程吗?

每个频道20ms,搜索一圈信道下来,须要较永劫光,连接岂不是会中断?那还怎么确保视频会议或者微信语音的通信质量呢?

现在的办公室乃至现在很多家庭无线局域网,都会采取多AP mesh组网的办法,来提高网络覆盖性能。

如果每次终端切换AP时,都重新做上述的主动探针征采信道过程,将是会非常低效的。
好在802.11事情组考虑到了小区切换的问题,在802.11k中开拓了“邻居报告”的协议。

设备在接入AP后,该AP会将其附近AP的BSSID和频道信息发送给用户。
这样一来,用户在须要切换到另一个AP时,就不用再扫描一遍频道了。

这样做的好处,一来是极大节省了切换韶光,担保通信不涌现中断。
二来是给用户设备省电,设备不再须要发送一个个探针。
第三,便是无线信道也得到了更加有效的利用,AP不须要频繁占用无线信道来不断回应终真个要求。

图 3 AP通过802.11k协议回应终端设备其临近AP的信息

█ 自我折衷,信道竞争接入,避免冲突

接入网络后,AP和终端们便开始竞争无线信道的利用。

在Wi-Fi系统中,终端和AP的空口韶光统一被分为空闲(Idle)和机会发送(TXOP)时段。
没有数据时,设备属于空闲期,不会发送任何信息。

当设备收到数据发送要求时,设备开始进入争夺无线信道的“仲裁”(Arbitration)过程。
没有中心调度器,所有设备按照数据优先级采取“公正竞争”模式来赢得信道仲裁。
赢得信道的设备,将会得到6ms的机会发送窗,然后进入下一个仲裁期。

图 4 802.11中的空口韶光分配

进入仲裁过程的Wi-Fi设备,首先开启信道侦听模式,RF吸收机对无线信道中的802.11旗子暗记进行监测(Signal Detection)。
如果侦听到的旗子暗记强度低于其SD阈值(以下图思科的方案为例,阈值为-82dBm)时,设备剖断目前信道没有其他Wi-Fi设备在利用。

由于Wi-Fi利用的频段属于免授权频段,须要与非802.11设备共享利用,比如蓝牙,遥控器,微波炉等等。
那么,在判断信道占用情形时,不仅仅须要能对自身802.11协议的旗子暗记进行监测,还须要对不明通信协议的功率进行检测。

这里就引出了第二个检测机制——能量检测(Energy Detection)。

ED的浸染,是判断无线信道没有被其他非Wi-Fi设备占用,防止发送的有用Wi-Fi旗子暗记被淹没在噪声中,常日ED的门限比SD高20dB。

图 5 思科无线设备的SD,ED设定

细心的用户可能会创造,在网络环境不好的情形下,视频通话时常常有能听到声音但图像被卡住的征象。
这实在是Wi-Fi的一种发送优化方法,用于保障最基本的做事。

Wi-Fi将数据分为四种不同的优先级,从上到下分别为语音(VO),视频(VI),最大努力(BE)和背景(BK)。
每一个级别,都会附上不同的AIFS值。
AIFS值越低,发送优先级越高。

在AIFS韶光结束之后,设备便进入了竞争窗口(CW),设备开始侦听无线信道,同时开始倒计时准备发送。

当CW倒计时结束时,如果设备创造信道正在占用,设备便自动进入下一个仲裁期。
如果设备创造信道处于空闲状态,便开始占用信道,发送数据。

下图这个例子,在第一个仲裁期中,IPad的CW韶光最短,竞争信道成功,得到了发送权。
在IPad数据发送后,一轮新的仲裁开始,手机在CW结束后,创造信道没有被占用,得到了发送权。
终极,无线AP赢得了第三轮仲裁,得到发送权。

图 6 多设备信道竞争过程

读到这里,你可能会创造,这个竞争过程在设备增多的情形下,效率会明显降落,每个设备的等待发送韶光将会变长很多。

实际体验中,你可能也把稳到了,在Wi-Fi设备多的公共环境,比如阛阓、学校中,常常须要等待很永劫光,才能发送或吸收数据。

那么,很有可能是网络还没有升级到最新的Wi-Fi 6。

Wi-Fi 6可以说是Wi-Fi行业过去十多年中最大的一次改造。
详细Wi-Fi 6是通过哪些新特性来办理多设备下网络壅塞的问题呢?我会不才一期的文章中给大家逐一道来。

(全文完)

本文作者唐欣博士,目前担当Spectrum Lab技能总监。

参考文献

[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