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2019-03-29 13:06 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:sunziyi

  【PConline 干货铺】通过上一期文章《技术盛宴 | Wi-Fi 6真的很“6”(概述篇)——不只是更高的传输速率》,想必大家对于Wi-Fi 6有了初步认识,这次我将接着上期的内容,对Wi-Fi 6提升的技术点进行深入解读,让大家从原理出发,实实在在地感受Wi-Fi 6的“6”。

  一、Wi-Fi 6关键技术特性回顾

  Wi-Fi 6主要有以下几个技术特点:

  •提速:更高阶的调制方式(1024-QAM)、更多的子载波数量和更低的帧间隔开销等,通过这些技术Wi-Fi 6的最大连接速率提升到9.6 Gbps;

  •高密接入:通过完整MU-MIMO(多用户多进多出)与上下行OFDMA(正交频分多址),提升高密度部署场景下的并发能力和终端平均速率;

  •抗干扰:引入4G LTE的小区空间复用技术(SR),大幅度降低AP之间的相互干扰,提升接入容量和稳定性;

  •其他技术特点:节电管理技术TWT(目标唤醒时间)与同时支持2.4G/5G两个频段。

  二、“6”的原因一:速率提升

  在谈Wi-Fi 6速率提升之前我们先来看一下Wi-Fi理论带宽的计算公式,看看与Wi-Fi速率有关的性能因素有哪些。

  Wi-Fi理论带宽=(符号位长×码率×数据子载波数量)×(1/传输周期)×空间流数。

  •符号位长:即每个数据子载波每次传输可以携带的数据长度,它由调制方式决定,如64-QAM是6bit,256-QAM是8bit,1024-QAM是10bit,体现了不同调制方式下的数据传输效率;

  •数据子载波数量:数据子载波数量由协议的帧结构和可用频宽共同决定,在指定频宽下的数据子载波数量越多,同步传输数据的能力越高;

  •码率:与调制方式有一定关联,不同调制方式对应不同的码率;在实际使用过程中码率的选择是由AP和终端根据信号强度、信号质量等因素共同协商决定;

  •传输周期:即一次传输占用空口的时间,它由协议决定,Wi-Fi 5的传输周期为3.6微秒(包含GI时间--0.4us);

  •空间流数:即通过MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术在多个天线上同时发送不同的数据流量,充分利用空间资源,成倍提升Wi-Fi性能(Wi-Fi 6与Wi-Fi 5的最大空间流数量的一致,均为8条空间流)。

  所以从决定Wi-Fi理论带宽的几个因素来看,速率提升主要是由调制方式、数据子载波数量、码率、传输周期和空间流等几个指标共同决定,对于和Wi-Fi 5协议保持一致的频宽(20/40/80/160 MHz)和空间流(最大8条空间流)本次将不进行详细讨论,同时,码率主要与信号强度和信道质量有关,所以本章节重点将围绕调制方式、数据子载波数量和传输周期这几个点展开来讨论。

  我们先从Wi-Fi 6的物理层帧结构来看,看看能否找到重新设计的物理层帧结构与Wi-Fi 6速率提升之间的关系。

Wi-Fi 6物理帧结构
Wi-Fi 6物理帧结构

  从图1我们可以看到,一个完整的Wi-Fi 6物理帧包含物理帧头、DATA和PE。物理帧头主要负责同步和管理流量,PE负责传输一些设备能力信息,只有DATA数据帧里才是我们需要的有效数据。

  DATA数据帧里面从时间轴上来看,又是由Payload(有效信息数据)和GI(Guard Interval,帧间隔)构成的,GI的作用主要是为了防止两个Payload之间有串扰,所以GI是引入的保护间隔,属于传输开销,只有Payload才是传输的有效数据信息。

  从物理帧各个部分的作用里我们可以看出,物理帧里面决定Wi-Fi传输速率的主要是Payload的实际传输量,为了提高Payload的传输量有两种方式,一是提高Payload的数据传输量(使用更高阶的调制方式和增加数据子载波数),以提升有效数据传输量;二是在固定传输周期内提升Payload的传输时间占比,在一个传输周期内,Payload传输时间占比越高,传输的信息量就越大,速率自然就越高;下面我们就从这两方面展开来看,详细了解下Wi-Fi 6具体是如何提升传输效率及提高传输时间占比。

  提速——更高阶调制(1024-QAM)

  调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度,在相同频宽下,使用更高阶的调制技术就能实现更高速率的提升。

  所谓调制,就是将0、1这种二进制的数据信号转换为无线电波的过程,反之则称为解调,不同调制方式,可以实现的传输能力有很大差异,调制方式越高阶,转换过程中数据密度就越高,常见几种调制方式对比见图2。

调制方式对比图(从左至右为从低阶到高阶)
调制方式对比图(从左至右为从低阶到高阶)

  Wi-Fi 6引入了更高阶的调制编码方案1024-QAM,对比Wi-Fi 5的256-QAM,1024Q-AM物理层的协商速率提升了25%。那这提升的25%具体是怎么来的呢?下面我们先来看看调制方式和所携带数据密度的计算方式。

  计算方法很简单,QAM数值是2的N次方,对应的符号位长就是N。因此,64-QAM符号位长6bit,表示一次可传输6bit的数据,256-QAM符号位长8bit,1024-QAM符号位长自然就是10bit,因此可以知道Wi-Fi 6对比Wi-Fi 5的物理层协商速率提升了25%。

  Wi-Fi 4到Wi-Fi 6所支持的调制方式表如下:

调制方式对应表
调制方式对应表

  上表名词解释:

  •MCS(Modulation and Coding Scheme)调制与编码策略表:调制方式与码率的组合,Wi-Fi设备的实际连接速率,会在MCS这张表里动态自适应选择。当无线信号强劲时,MCS会尽量选择高阶组合(高bit+低冗余),当无线信号微弱时,MCS会尽量选择低阶组合(低bit+高冗余)。

  •码率:调制过程中插入用于纠错校验的有效数据与整体数据占比,如5/6表示5/6是有效数据,1/6是冗余数据。

  提速——增加数据子载波数量

  在说数据子载波占比前我们来看看什么是子载波。图3是用频谱分析仪捕获的信号能量图,仔细观察振幅的高点,就会发现信号高点并不是平的,而是有很多小的突起,这些小突起就是子载波。

频谱分析仪捕获的信号能量图
频谱分析仪捕获的信号能量图

  从频谱分析仪器捕获的信号能量图可以看出,子载波之间是相互重叠的,那么子载波为什么相互重叠而不会互相干扰呢?这就不得不说OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分多路复用)调制了。OFDM调制(这里的调制与前面提到的QAM调制不同,QAM调制是星座图映射,属于基带调制,就是将0、1比特调制编码,是信源编码;OFDM调制是将信源编码的结果调制到射频上,然后发射出去,属于信道调制)是一种特殊的多载波传输方案,OFDM调制技术将信道切分为子载波,提升了整个信道的使用率,从而提高了无线的传输速率,并通过频率正交的方式解决子载波之间的相互干扰(利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现),从而大幅度的提高了频宽的使用效率。

OFDM信号频谱示意图
OFDM信号频谱示意图

  由前面的Wi-Fi理论带宽公式我们得知,理论带宽与数据子载波的数量是成正比的。从前面OFDM调制方式的介绍可以看到,子载波相互之间是叠加的,为了提升一个周期内数据传输的子载波数,我们可以让相互叠加的子载波的间隔变的更小,以提高子载波数量。

  Wi-Fi 6对子载波的间隔进行了重新设计,将子载波间隔从Wi-Fi 5的312.5kHz,变成78.125kHz,通过把子载波间隔缩小4倍,即在相同信道频宽(MHz)条件下,Wi-Fi 6的子载波数量也提升到Wi-Fi 5的4倍,如图5所示:

Wi-Fi 5与Wi-Fi 6的子载波间
Wi-Fi 5与Wi-Fi 6的子载波间隔对比

  为了更直接地展现子载波数量提升带来的效率提升,我们以相同信道频宽80MHz时来计算一下Wi-Fi 5与Wi-Fi 6的有效数据子载波占比:

Wi-Fi 5与Wi-Fi 6在80MH
Wi-Fi 5与Wi-Fi 6在80MHz频宽下有效子载波占比对比表

  从表2的对比可以看出,Wi-Fi 6的有效数据子载波占比由91.406%提升到95.703%,效率提升了4.7%,物理层的理论传输速率也随即提升了4.7%。

  提速——提高有效时间占比

  从前面对Wi-Fi 6的物理帧结构分析我们得知,提速的另一个有效手段就是提高一个传输周期内Payload(有效信息数据)的时间占比,那在固定传输周期的情况下,减小GI(Guard Interval,帧间隔)的时长,即可相应的提高Payload的时间占比。

一个周期内Payload和GI的时间轴示
一个周期内Payload和GI的时间轴示意图

  Wi-Fi 6协议规定了三种GI时长,分别是0.8微秒、1.6微秒和3.2微秒。结合上一章节,由于Wi-Fi 6重新设计了子载波间隔,在一个传输周期内传输的子载波数量提升了4倍,这从时域上来看,信道调制时间也提升了4倍,即信道调制时间从Wi-Fi 5的3.2微秒变成12.8微秒,结合Wi-Fi 6新规定的三种GI,即可得出一个传输周期内Payload的比例。

Payload时间占比对应表
Payload时间占比对应表

  从表3可以看出,当GI时长为0.8微秒时,Wi-Fi 6的Payload时间占比从Wi-Fi 4/5的88.88%提升到了94.11%,效率提升了5.23%,即物理层的协商速率提升了5.23%。GI时间为1.6微秒和3.2微秒时效率对比Wi-Fi 4/5是没提升的,但通过这种更长的GI时长设计,提升了多路径干扰和室外远距离传输场景下无线传输的稳健性。Wi-Fi 6 AP和终端会根据使用环境的不同自动协商出不同的GI时长,来保证各种类型环境下的最优体验。

  前面对速率提升的讨论,我们重点从调制方式(符号位长)、子载波数量和子载波传输时间(传输周期)这三个方面进行展开,关于频宽、码率和空间流等并未进行展开,为让大家更全面的了解一下Wi-Fi的带宽,我们以Wi-Fi 6支持的最高码率和最大空间流数来实际计算一下Wi-Fi 6支持的最大带宽。

Wi-Fi 6理论带宽计算表
Wi-Fi 6理论带宽计算表

  从表4可以看出,Wi-Fi 6标准在速率提升上下了很大功夫,给我们带来实实在在的速率提升,这些速率的提升特别适合视频、AR/VR、办公场景等大流量的应用,这些场景结合MU-MIMO/OFDMA技术能实现整个无线系统性能和容量的大幅度提升,接下来我们来看看MU-MIMO/OFDMA技术是如何提高无线系统容量的。

  三、“6”的原因二:高密度接入(多用户传输)

  在Wi-Fi终端大规模普及的当下,多终端接入同一Wi-Fi网络的场景可以说是无处不在,针对这种高密度接入场景,以往的技术总处于束手无策的状态。那针对这种高密度接入场景Wi-Fi 6又有什么解决妙招呢?这就得看Wi-Fi 6使用的MU-MIMO和OFDMA技术了。

  高密度接入——MU-MIMO(多用户多进多出)

  MIMO技术,即多天线同步收发,通常以I×O来标识接收/发送的天线数,通过MIMO技术改善了单终端的传输效率和质量。传统MIMO技术严格来说也叫SU-MIMO(Single-user MIMO,单用户MIMO),虽然它支持多天线同步传输,但在同一信道同一时刻,无线AP只能与一个终端通信,即多终端之间仍为串行传输。SU-MIMO通信示意图见图7。

Single-user MIMO通信示
Single-user MIMO通信示意图

  相较于SU-MIMO,MU-MIMO(Multi-User MIMO,多用户MIMO)解决了同一时刻无线AP只能与一个终端通信的限制。MU-MIMO技术能够实现多台终端同时进行数据传输,提升多终端下的传输效率和质量。

  MU-MIMO技术在Wi-Fi 5的Wave2阶段已经有所使用,不过只能使用在AP的下行方向,算是不完整的MU-MIMO。Wi-Fi 6技术使用了完整的MU-MIMO技术,同时支持上下行8×8的MU-MIMO。下面我们就来看看Wi-Fi 6中下行MU-MIMO技术和新增加的上行MU-MIMO具体的实现原理。

  下行MU-MIMO

  下行MU-MIMO的基本实现原理与Wi-Fi 5使用的下行MU-MIMO相同,都需要终端知道信道信息(CSI,channel state information)来进行预编码或波束成形。具体过程为AP主动发送NDP(Null Data Packet)帧来交互完成信道信息反馈,形成相应的信道矩阵,这里涉及到一个新的概念“信道矩阵”,信道矩阵是MIMO系统中的一种信道状态信息,如图8所示,图里的h1,h2,h3和h4这4个数字就组成了一个正方形的阵列,又叫矩阵,这时的信道矩阵状态为2×2 MIMO的信道矩阵。

信道矩阵示意图
信道矩阵示意图

  当AP主动发送NDP帧交互完成信道矩阵的参数后,AP就会进行波束成形,以实现多个用户的同时传输,基本原理如图9所示:

AP使用MU-MIMO波束成形为坐落在不
AP使用MU-MIMO波束成形为坐落在不同空间位置的多个用户服务

  整个下行MU-MIMO报文交互过程如图10所示,由AP端(Beamformer)发送NDP-A(Null Data Packet Announcement)、NDP和Trigger帧,然后STA端通过反馈帧(Feedback frame)反馈信道矩阵信息,此时AP端再根据反馈信息进行预编码,以实现波束成形,避免了用户之间的互相干扰。

AP请求MU-MIMO操作的信道信息
AP请求MU-MIMO操作的信道信息

  图10控制帧作用注释:

  •NDP-A帧:主要作用是对需要反馈信道信息的用户进行通告;

  •NDP帧:用于分组开始的检测、信道估计和时间同步等;

  •Trigger帧:主要包含PPDU(PHY Protocol Data Unit,物理层协议数据单元)长度和MCS。

  这三种控制帧只有支持MU-MIMO的终端才能识别。

  在完成信道信息反馈之后,AP就向所有的MU-MIMO用户同时发送数据信息,并会指定某一STA(图11中的STA1)采用隐式块确认(BA帧)请求应答的方式,其余STA(图11中的STA2和STA3)采用块确认(BA帧)确认应答方式;在STA1收到数据后,会等待SIFS(Short interframe space,短帧间间隔)时间,之后回复隐式块确认(BA帧),其余STA在收到数据后记录状态,等待AP回复轮询帧(BAR)后才能发送BA帧,AP依次发送BAR帧来取回对应STA的BA帧,等BA帧全部拿到后,AP再发送下一个MU数据帧,发送报文具体流程如图11所示:

AP向MU-MIMO用户发送信息
AP向MU-MIMO用户发送信息

  上行MU-MIMO

  上行MU-MIMO技术为Wi-Fi 6新增的功能特性,主要实现方式是AP通过发送一个触发帧的方式来启动多个STA的上行同步传输。上行MU-MIMO与SU-MIMO原理相似,不同点在于SU-MIMO是由相同STA发送单条或多条空间流,上行MU-MIMO的多条空间流来自不同STA。

  AP发送触发帧启动多个STA上行同步传输时,AP将信道矩阵应用于所接收的波束,并将每个上行波束包含的信息分开,从而接收来自所有参与STA的波束形成反馈信息。AP上行MU-MIMO原理示意图见图12:

AP上行MU-MIMO原理示意图
AP上行MU-MIMO原理示意图

  上行MU-MIMO的具体交互过程图13所示,先由AP发送触发帧HE_Trigger,声明STA发送时间(When)、Payload持续时间、PE(携带设备能力信息的帧)、GI类型等,当STA收到这些参数后则会根据要求发送UL MU PPDU(Up Load Multi-User PHY Protocol Data Unit,上行多用户物理层协议数据单元),在AP端同时接收解调获得用户信息。

上行MU-MIMO的交互过程
上行MU-MIMO的交互过程

  基于触发帧HE_Trigger的上行传输机制,对发送用户STA端在传输时间、频率、采样时钟以及功率有要求,目的在于减少接收AP端的同步问题。频率和采样时钟的同步可以防止ICI(Inter Channel Interference,信道间干扰)干扰,功率预补偿可以减少接收端用户信号的互相干扰。

  高密度接入——OFDMA(正交频分多址)

  Wi-Fi从802.11a(1999年发布的第三代Wi-Fi协议)开始就采用OFDM调制作为核心信道调制方案,Wi-Fi 6在OFDM的基础上加入多址(即多用户)技术,从而演进成OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址)。

  以往我们熟悉的OFDM调制其原理是将信道切分为子载波,但单一信道内的子载波须同时使用。OFDMA调制则更进一步,将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz宽度)划分成具有固定数量子载波的较小子信道,并将特定子载波集进一步指派给个别STA,从而为多个用户同时服务。图14说明了Wi-Fi 6系统如何使用不同大小的资源单位进行信道频分多任务。

OFDM和OFDMA工作模式对比
OFDM和OFDMA工作模式对比

  OFDMA是成熟有效的4G蜂窝技术,Wi-Fi 6标准也仿效LTE专有名词,将最小子信道称为“RU”(Resource Unit,资源单位),每个RU当中至少包含26个子载波(相当于2MHz频宽)。Wi-Fi 6规定了不同大小RU所包含的子载波数量,包括有26/52/106/242/484/996/2*996 等多种规格。

  以频宽20MHz为例,在OFDM方案里每一帧由52个数据子载波组成,这组子载波只能为一个终端服务,如果该终端传输的数据包较小(如聊天消息),根本就装不满52个子载波,那么空载的子载波也无法分配给其他终端。

  在OFDMA方案里每一帧由242个数据子载波组成,并在帧内进行二次分组,以每26个子载波定义为一个RU(Resource Unit,资源单元),每个RU可以为一个终端服务,那么每一帧就被分成9份,可以同时为9个用户服务。

频宽为20MHz下不同规格的RU分布
频宽为20MHz下不同规格的RU分布

  为了方便大家更直观地理解OFDMA技术带来的优势,可以用货车拉货举例对比。

  OFDM方案是按订单发车,不管货物大小,来一单发一趟,哪怕是一小件货物,也发一辆车,这就导致车厢经常是空荡荡的,效率低下,浪费了资源。OFDMA方案则会将多个订单聚合起来,尽量让卡车满载上路,使得运输效率大大提升。

OFDM与OFDMA流量传输类比示意图
OFDM与OFDMA流量传输类比示意图

  通过了解OFDMA的工作机制可以看到,OFDMA实现了多个用户同时进行数据传输,这增加了空口效率,接下来我们分别看一下上行OFDMA和下行OFDMA的工作原理。

  下行OFDMA

下行OFDMA的数据发送过程
下行OFDMA的数据发送过程

  由于存在小于20MHz频宽的终端(如图15所示,Wi-Fi 6协议规定的最小频宽20MHz可以分给9个终端使用,每个RU包含26个子载波数,因此可能存在小于20MHz的频宽),因此在一开始发送数据的过程中,如果存在小于20MHz时,每个终端都会发送一个20MHz频宽的前导(Preamble)帧。

  由于下行OFDMA是在频域上将原有的频宽进一步分解为一个个小频宽,STA接收到数据之后可以在频域上进行分离解码操作,因此并不需要像下行MU-MIMO那样需要反馈信道信息矩阵,也不需要NDP,NDP-A等帧的交互。

  上行OFDMA

  上行OFDMA的整个过程同上行MU-MIMO的过程类似,也需要由AP首先发起,因此AP需要先发送一个触发帧才能启动上行OFDMA。

上行OFDMA的交互过程
上行OFDMA的交互过程

  该触发帧(Trigger frame)的主要作用是表明空间流数量、OFDMA相应的资源分配(包括频率以及每个用户的RU大小)、PPDU(PHY Protocol Data Unit,物理层协议数据单元)的持续时间,还包括有用户的发送功率控制信息以保证多个用户在AP处的接收功率基本相同。

  与上行MU-MIMO类似,基于触发帧的上行传输机制,对发送用户STA端在传输时间、频率、采样时钟以及功率有要求,目的在于减少接收AP端的同步问题。频率和采样时钟的同步可以防止ICI(信道间干扰,Inter Channel Interference)干扰,功率预补偿可以减少接收端用户信号的互相干扰。

  高密度接入技术小结

  看完前面MU-MIMO和OFDMA的介绍,你是否觉得OFDMA跟MU-MIMO差不多呢?都是解决多用户的上下行,提高了无线的接入密度,但其实两者差别还是很大的。尽管两者均为并行传输解决方案,但既不是迭代关系,也不是竞争关系,而是互补关系。它们的技术原理不尽相同,适用的场景也有所区别,具体使用时需要根据服务的应用类型而定。

MU-MIMO与OFDMA适用场景的对比
MU-MIMO与OFDMA适用场景的对比

  MU-MIMO:实现物理空间上的多路并发,适用于大数据包的并行传输(如视频、下载等应用),提升多空间流的利用率与系统容量,提高单用户的有效频宽,同样能降低时延。但运行状态不够稳定,很容易受终端影响。

  OFDMA:实现频域空间的多路并发,适用于小数据包的并行传输(如网页浏览、即时消息等应用),提升单空间流的信道利用率与传输效率,减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定,不容易受终端影响。

  因此MU-MIMO和OFDMA两种方案完全不冲突,在实际使用中也经常是叠加使用。部署时基于每个业务进行资源分配(如网页浏览、视频观看、下载、即时消息等各类业务场景),通过设计合理MU-MIMO和OFDMA能有效降低密集多用户情况下终端上下行随机接入造成的冲突,有效的改善多用户高密度接入场景的使用体验。在实际使用过程中用户无需关心并行传输背后的运行机制,使用时真实的感受就是,再多的终端网络也不卡顿,使用起来真的很“6”。

  四、“6”的原因三:抗干扰——Spatial Reuse(空间复用)

  在Wi-Fi信号无处不在的时代,无线之间的干扰也是无处不在的。无线信号的干扰主要有两种:

  •邻频干扰:相邻频段的无线电波叠加引起干扰,此干扰会导致数据损坏;

  •同频干扰:虽然不会损坏数据,但会使竞争开销增加。

  造成这些干扰,原因表面上看是由于我们环境中经常遇到很多孤立安装的AP,因此无线信号出现了很多交叉覆盖从而造成了干扰。但从技术原理层面来看,造成干扰的原因是由于传统802.11技术是使用了载波监听多路访问/冲突避免技术(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)来实现接入控制。

  CSMA/CA技术使用单个空闲信道评估(CCA,Clear Channel Assessment)规则,这一规则统一地作用于所有无线设备之上,同一区域内的所有无线设备通过能量检测载波侦听来判断信道是否空闲。当某台Wi-Fi设备(客户端或者AP)收听到Wi-Fi帧信号功率高于某个预设阀值的时候,便会等待其发送完毕后再发送自己的帧。这种轮询等候机制避免了过度冲突和频繁重试,但这种机制也大幅度增加了Wi-Fi设备(客户端或者AP)的等待时间,降低了整个无线系统的传输效率和性能。

  在实际部署中,基于在AP的收包逻辑又放大了这种性能限制。在AP的收包逻辑中,只有大于最小灵敏度的报文才能被正确解调,当报文被正确解调时,功率大于CCA-SD(Clear Channel Assessment Signal Detection,同频干扰退避)的报文会引发退避,但为了保证不错过发给自己的报文,在使用Wi-Fi 4/5协议的时候一般都把CCA-SD的功率设置的很低,很多AP是直接把CCA-SD的功率直接设置成最小灵敏度的功率,这样同频干扰退避变的更容易发生,进一步降低了整个无线系统的性能,即使增加AP也不能扩展无线网络的网络容量。Wi-Fi 4/5的发包原则如图20所示:

Wi-Fi 4/5发包原则
Wi-Fi 4/5发包原则

  抗干扰——动态CCA和空间复用

  为了解决CSMA/CA技术在密集AP环境中性能低下的问题,Wi-Fi 6提出了一种信道空间复用技术(Spatial Reuse Technique),这一技术是使用BSS(Basic Service Set,基础服务集合)着色位(Color Bit)来标识这个数据帧属于哪个BSS,因此也被称作“BSS着色”(BSS coloring)技术。

  通过“BSS着色”技术,无线设备(客户端或者AP)可以通过新增的着色位(Color Bit)来识别来无线报文是来自BSS还是OBSS(0verlapping Basic Service Sets,重叠基本服务集)的信号,这样就能利用提升BSS之间的CCA-SD(Clear Channel Assessment Signal Detection)的门限,动态的降低BSS内部的CCA-SD门限来实现对OBSS相应数据帧的忽略。即与Wi-Fi 4/5时使用单个CCA电压检测值来确定信道是否“空闲”不同,“BSS着色”技术可以基于两个值来判断,一个是BSS之间的CCA-SD,另外一个是针对OBSS CCA-SD,这样来自OBSS的报文就不会产生不必要的空口冲突,如图21所示:

使用BSS Coloring进行信道空闲评估
使用BSS Coloring进行信道空闲评估

  抗干扰技术小结

  通过“BSS着色”技术,无线传输在其开始时就被标记,这会帮助周围其它设备决定是否允许无线介质被同时使用。即使来自相邻网络的检测信号能量超过传统信号检测阈值,只要适当地减小新传输的发射功率,就允许将无线介质视为空闲并开始新的传输,提高了无线系统的抗干扰能力。

  但对于Wi-Fi 6的抗干扰并发增益的获取,并不能单纯地依赖标准制定的着色位(Color Bit)和动态CCA接口去完成,AP还需要能实时感知到周边无线环境和有效的动态空间复用算法,只有两者结合才能更好的来判断收到非本BSS的干扰报文时,自己是否可以发包。

  锐捷网络在Wi-Fi 6芯片还未面世时,就详细分析了Wi-Fi 6的空间复用技术,并将该技术移植到现有的Wi-Fi 4/5协议中,提出Pre-ax算法,该算法通过收集同频AP的强度和用户在各个AP上的RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收信号的强度指示),从而动态的调整CCA的门限,实现高密度组网下的高并发,有效提高了无线网络的通信质量。在Wi-Fi 6 AP的设计中,该算法将会根据协议提供标的准进行进一步优化,从而可以实现更好的干扰管理效果以及更高的并发复用性能。

  五、其他技术改进

  节电管理技术——TWT(目标唤醒时间)

  目标唤醒时间TWT(Target Wakeup Time),这是Wi-Fi 6另一个新增的重要资源调度功能,此功能借鉴于802.11ah标准。“目标唤醒时间(TWT)”就如它的名字描述的一样,允许设备协商他们什么时候和多久进行唤醒发送或接收数据,允许设备在信标传输周期的其他时间段唤醒;此外,无线接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期,从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间,在自身的TWT来临之前进入睡眠状态,从而延长电池使用寿命。

  Wi-Fi 6 AP还可另外设定编排议程,并将TWT值提供给STA,这样一来,双方之间就不需要存在个别的TWT协议,此操作称为“广播TWT操作”,“广播TWT操作”示意图见图22:

TWT广播目标唤醒时间操作示意图
TWT广播目标唤醒时间操作示意图

  图22名词解释:

  •TBTT(Target Beacon Transmission Time):信标预定传送时间,实际上这个是一个定时后的发送/接受Beacon动作的周期,其周期的时间是由Beacon Interval所决定的。

  •Listen Interval:监听间隔是指工作站两次苏醒之间,历经多少次TBTT,也就是跳过了多少个Beacon帧。

  “广播TWT操作”还可配合OFDMA技术使用,实现同时唤醒多个设备实现传输视频、语音和物联网等不同业务的多设备并行连接,并根据不同业务调整流量比例和优先级,从而提升整个无线网络的用户体验。

  2.4G/5G双频设计

  Wi-Fi 5仅支持5G频段,在技术上无法完全取代支持2.4G频段的Wi-Fi 4,因此所谓的Wi-Fi 4与Wi-Fi 5在标准上来看都可以把他们看成是平行的标准,而当下主流的Wi-Fi 5无线AP,实际都是Wi-Fi 4/5(802.11n/802.11ac)双制式的产物。

  最新的Wi-Fi 6标准是可同时工作在2.4G和5G频段下的无线协议。因此可以说Wi-Fi 6才是Wi-Fi 4的下一代技术,可完整实现后向兼容,实现真正的技术迭代。

  六、锐捷网络在Wi-Fi 6场景的探索

  锐捷网络针对室内多路径衰落环境、室外远距离传输场景和多用户高密度接入(多用户小报文、多用户大报文、多用户上传等)场景均有规模部署实践,锐捷网络后续将持续为各行业的不同场景推出更有针对性、变革性的综合解决方案,让每一位客户、每一位用户在未来的各个场景里都有意想不到的无线体验,让大家的Wi-Fi能酣畅淋漓的“6”起来。

 

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