在上一期的文章（鏈接）中，我給大家介紹了Wi-Fi的信道競(jìng)爭(zhēng)接入原理。Wi-Fi設(shè)備的接入，核心就在于載波偵聽多路訪問/碰撞避免（CSMA/CA）。

這個(gè)先聽后說的機(jī)制，從1997年的第一代Wi-Fi（802.11）就開始使用。然而，20多年前的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很少，沒有人會(huì)去考慮，當(dāng)設(shè)備增多時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)入網(wǎng)帶來的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

Wi-Fi的真正普及，是從2008年的Wi-Fi 4（802.11n）開始。可以說，從那時(shí)起，Wi-Fi真正成為家庭和企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入最常見的方式。支持Wi-Fi的設(shè)備型號(hào)數(shù)量，也成指數(shù)上升。

如今，Wi-Fi設(shè)備在我們的生活中無處不在。隨便打開家里的無線路由管理界面，可能就有不下10個(gè)Wi-Fi設(shè)備同時(shí)在線。

設(shè)備數(shù)量的增加，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)擁塞、性能下降、延時(shí)升高等問題。這些問題在Wi-Fi 5（802.11 ac）時(shí)代變得愈加嚴(yán)重。所以，在設(shè)計(jì)Wi-Fi 6（802.11 ax）時(shí)，專家們專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞問題進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。

那么，Wi-Fi 6是通過哪些新技術(shù)來提高無線信道容量的呢？

█正交頻分多址OFDMA

熟悉Wi-Fi的朋友們應(yīng)該知道，Wi-Fi的空口采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制方式，即整個(gè)帶寬由相互正交的子載波組成。

在Wi-Fi 6中，802.11工作小組從LTE上引入了OFDMA的接入方式。就多了這么一個(gè)“A”字，可以說是給網(wǎng)絡(luò)容量帶來了質(zhì)變。

如下面左邊圖所示，基于Wi-Fi 5的OFDM在任意一個(gè)時(shí)段，頻道中的所有帶寬只能分配給一個(gè)用戶，哪怕這個(gè)用戶的數(shù)據(jù)需求并不需要占用到全部帶寬。

而其他用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要等待下一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)窗口（TXOP）。這在信道資源的使用上，是非常低效的，尤其是設(shè)備顯著增多時(shí)。

圖 1 OFDM與OFDMA對(duì)比

OFDMA改變了這一點(diǎn)。OFDMA通過將子載波組成一個(gè)個(gè)資源單元（RU）的方式，頻道可以把瞬時(shí)帶寬動(dòng)態(tài)劃分給不同的用戶。

比如上圖右邊這張圖中，第一個(gè)TXOP分配給了用戶0和用戶1，第二個(gè)OP全部分給了用戶2，接著第三個(gè)TXOP中，資源被平均分配給了四位用戶。

OFDMA一下子提高了瞬時(shí)支持的用戶數(shù)量。

以下圖的20MHz帶寬為例，經(jīng)過子載波分配，20MHz可以最多支持9個(gè)設(shè)備同時(shí)接入，40MHz則可以支持18個(gè)設(shè)備，以此類推。

圖 2 采用OFDMA的20MHz下可用的資源單元數(shù)量

（Wi-Fi 6中每個(gè)子載波是78.125khz，20MHz就是256個(gè)子載波。6 Edge表示距離邊緣有6個(gè)子載波作為保護(hù)帶。）

可以說，OFDMA對(duì)Wi-Fi信道的容量帶來了質(zhì)變。

█BSS coloring

在過去的Wi-Fi技術(shù)中，小區(qū)間同頻干擾（Co-Channel Interference，CCI）是影響信道容量的另一個(gè)重要因素。

上篇文章提到，CSMA/CA的核心是采用先聽后說（listen before talk，LBT），設(shè)備先對(duì)無線信道進(jìn)行監(jiān)聽，在確保沒有被占用的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)。

在多AP mesh組網(wǎng)（AP，Access Point，無線接入點(diǎn)）的情況下，小區(qū)內(nèi)的設(shè)備會(huì)收聽到臨近同頻道的小區(qū)的干擾信號(hào)，導(dǎo)致設(shè)備會(huì)誤認(rèn)為本小區(qū)此時(shí)的無線信道正在被占用，于是停止發(fā)送。

這種干擾，在網(wǎng)絡(luò)沒有優(yōu)化好或者可用的頻道數(shù)量很少的情況下，會(huì)顯著降低網(wǎng)絡(luò)容量。

如下圖所示，4個(gè)Wi-Fi AP采用了三頻道組網(wǎng)。但由于可用的頻道只有三個(gè)，AP1和AP2不得不都部署在同樣的頻道Channel 6上，這時(shí)AP2的信號(hào)對(duì)于歸屬于AP1中的用戶設(shè)備來說就是干擾——Overlapped Basic Service Set（OBSS，重疊基本服務(wù)單元，可以理解為頻率相同的重疊小區(qū)）。

圖 3 三頻組網(wǎng)下的同頻道干擾場(chǎng)景

當(dāng)用戶設(shè)備與AP1進(jìn)行通信時(shí)，由于設(shè)備收到同頻的AP2的干擾信號(hào)，用戶設(shè)備會(huì)誤認(rèn)為AP1的小區(qū)此時(shí)正在被小區(qū)內(nèi)其他設(shè)備占用，于是等待下一個(gè)時(shí)間段發(fā)送。這么一來，網(wǎng)絡(luò)性能就降低了。

不僅僅是多小區(qū)組網(wǎng)，這種干擾問題也會(huì)出現(xiàn)在Wi-Fi AP很靠近的情況下。比如你家中雖然只有一臺(tái)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(huì)導(dǎo)致你的設(shè)備接入成功率下降。

可悲的是，大多數(shù)廠商在設(shè)備出廠時(shí)，都將Wi-Fi AP的默認(rèn)頻道放在第一個(gè)頻道上。這樣的話，干擾問題就更嚴(yán)重了。如果你發(fā)現(xiàn)這種問題，不妨更改一下家里Wi-Fi AP的頻道，這樣會(huì)明顯減少干擾，提升網(wǎng)速。

Wi-Fi 6的解決方案，是通過在MAC層引入了BSS Coloring（小區(qū)顏色編碼）技術(shù)，來區(qū)分本小區(qū)和干擾小區(qū)。也就是說，在同頻道工作，存在相互干擾的AP，會(huì)附上不同的顏色碼，加以區(qū)分。

當(dāng)用戶設(shè)備收到AP信號(hào)后，會(huì)對(duì)比其收到的顏色與目前關(guān)聯(lián)的AP顏色是否一致。顏色一致時(shí)，用戶才會(huì)認(rèn)為信號(hào)是本小區(qū)內(nèi)信號(hào)。

如果收到的信號(hào)的顏色與關(guān)聯(lián)的AP顏色不同，用戶判定該信號(hào)屬于干擾信號(hào)。如下圖所示，由于采用了不同顏色碼，綠色小區(qū)的頻道1不再受到臨近小區(qū)頻道1（藍(lán)色和紅色）的干擾。

圖 4 Wi-Fi 6中的BSS Coloring技術(shù)

看到這里你可能要問，就算標(biāo)了色，但干擾信號(hào)還是會(huì)收到啊，怎么解決干擾呢？

上篇文章我們說過，Wi-Fi中的先聽后說，分兩個(gè)檢測(cè)門限，分別檢測(cè)信號(hào)功率（SD）和信道能量（ED）。這兩個(gè)門限在以往的Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備中，是固定的，無法有效區(qū)分是本小區(qū)的信號(hào)還是臨近小區(qū)的信號(hào)（下圖左邊）。

圖 5 差異化信號(hào)檢測(cè)門限和動(dòng)態(tài)調(diào)整

Wi-Fi 6采用了差異化檢測(cè)門限，給不同顏色碼的小區(qū)分配不同的檢測(cè)門限（上圖右邊）。

具體的方法是，將使用同頻道的干擾小區(qū)信號(hào)檢測(cè)門限升高，同時(shí)把同色的本小區(qū)內(nèi)信號(hào)檢測(cè)門限降低。通常周邊小區(qū)的干擾信號(hào)由于傳播衰減，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)較低，不會(huì)超過相對(duì)較高幅度的檢測(cè)門限。而本小區(qū)內(nèi)信號(hào)用較低的檢測(cè)，有助于提高檢測(cè)靈敏度。

通過這種差異化的門限檢測(cè)，信道就不會(huì)被誤判為被占用，從而提高了信道容量。

信號(hào)檢測(cè)門限同時(shí)可以隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以說是一種自感知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)形式。

█多用戶協(xié)調(diào)，多進(jìn)多出（MU-MIMO）

單用戶多路輸入輸出（SU-MIMO），從Wi-Fi 5開始被引入。AP和終端使用多路天線來發(fā)送和接收，多路天線使用同頻但彼此正交的信號(hào)來提高信道使用率。

手機(jī)一般會(huì)用兩根Wi-Fi天線，支持2x2 MIMO——兩路發(fā)送和接收。

AP由于不受體積和電源限制，可以做到4甚至8根天線。MU-MIMO中的MU指的是多用戶（Multiple Users），一個(gè)AP使用同樣的信道來服務(wù)多個(gè)不同用戶，每路用戶分配1-2根天線，每根天線之間信號(hào)正交，互不干擾。

圖 6 AP使用MU-MIMO來復(fù)用信道

Wi-Fi 5雖然在wave 2的標(biāo)準(zhǔn)更新中增加了下行MU-MIMO，但大多數(shù)廠商并沒有在設(shè)備上去實(shí)現(xiàn)MU-MIMO功能。

在Wi-Fi 6時(shí)代，MU-MIMO終于得到了應(yīng)用，并被擴(kuò)展到了上行，即多終端設(shè)備不僅可以同時(shí)接收，也可以利用相同信道同時(shí)向AP發(fā)送數(shù)據(jù)。

有了MU-MIMO和OFDMA，那么自然就會(huì)想到：如果AP能夠協(xié)調(diào)其服務(wù)的多用戶同時(shí)對(duì)信道進(jìn)行訪問，而不是一個(gè)個(gè)獨(dú)立來競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求的話，信道使用率還會(huì)提高。

如下圖所示，AP通過發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，來同步需要接入的4位用戶的開始發(fā)送和結(jié)束時(shí)間。四位用戶不再相互競(jìng)爭(zhēng)信道資源，而是采用MU-MIMO或者OFDMA的方式，與AP進(jìn)行通信。

圖 7 Wi-Fi 6的多路收發(fā)協(xié)調(diào)功能

█結(jié)語

Wi-Fi 6，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(duì)Wi-Fi 6的主要特性進(jìn)行一些加強(qiáng)。

Wi-Fi 6的更新還有很多，比如1024QAM調(diào)制，目標(biāo)設(shè)備喚醒時(shí)間（Target Wake Time）等等，今天我們只介紹了跟網(wǎng)絡(luò)容量相關(guān)的特性。

網(wǎng)絡(luò)容量上的提升，是我認(rèn)為Wi-Fi 6眾多更新中最有用的功能，同時(shí)也是企業(yè)和個(gè)人用戶升級(jí)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和終端的重要原因。

為了提高系統(tǒng)容量，Wi-Fi工程師們想盡了一切物理層和MAC層的方法。但是，最終容量還是受限于香農(nóng)極限。

要進(jìn)一步從根本上增加網(wǎng)絡(luò)容量，只能從增加頻譜的角度來解決。尤其是現(xiàn)有的2.4GHz，由于大量藍(lán)牙、遙控器等無線設(shè)備的使用，已經(jīng)變得擁擠不堪。而5GHz，又存在諸多訪問限制。

頻譜資源對(duì)于Wi-Fi系統(tǒng)來說，變得非常有限。這就促進(jìn)了Wi-Fi 6E的誕生。

Wi-Fi 6E，是將現(xiàn)有的Wi-Fi 6拓展到6GHz（5925-7125 MHz）上，一下子將頻譜的容量增加了三倍。同時(shí)，6GHz也是802.11組織為Wi-Fi 7（IEEE802.11 be）做的前期鋪墊。

那么，Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7具體如何提升性能呢？我會(huì)在下一期文章給大家一一道來。

本文作者唐欣博士，目前擔(dān)任Spectrum Lab技術(shù)總監(jiān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Aruba Networks White Paper – 802.11ax.

[2] Cisco WhitePaper- IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi.

[3] National Instruments - Introduction to 802.11ax High-Efficiency Wireless