拒绝网络拥塞，WiFi6携黑科技强势来袭

　　身处于全球信息化时代的今天，WiFi技术可谓是飞入寻常百姓家，似乎早就成为家家户户日常生活中不可缺少的一部分。但是很少人会追根溯源，认真去了解WiFi的前世今生，其实WiFi真正普及，是从2008年的WiFi4（802。11n）开始。可以说，从那时起，WiFi真正成为家庭和企业互联网接入最常见的方式，随即拉开了大家口中所谓的4G时代序幕。但是，由于十几年前的无线网络设备很少，所以当时没有人会去考虑：当支持WiFi的设备型号数量呈指数上升时，广大用户竞争入网时也会给WiFi技术发展带来新的技术难题？首当其冲的便是被广大网友诟病的网络拥塞问题。
　　原来最早时期WiFi在设计时，是将AP接入点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，采用了载波侦听多路访问碰撞避免（CSMACA）的方式，来平等竞争占用无线信道。AP和终端、终端与终端之间，在接入网络时先进行无线信道侦听。在确保信道没被占用的情况下，接入网络。简而言之：设备之间并不分层级，而是采用自协调竞争接入的模式，访问网络。
　　在WiFi5（802。11ac）时代，随着手机、平板、智能家居等海量支持WiFi技术的电子设备的盛行。人手数台移动通信设备，同时连接公共区域网络的场景比比皆是，即使是在自己家中也能随便打开家里的无线路由管理界面，可能就有不下7、8个WiFi设备同时在线，网络拥塞情况可想而知！
　　因为设备数量的增加，直接放大了网络拥塞、性能下降、延时升高等问题。所以专家们在设计WiFi6（802。11ax）时专门针对网络拥塞问题进行了改进和创新，并为其量身定制多重黑科技提高无线信道容量，打破网络拥堵僵局。
　　让我们一起深入探讨：WiFi6到底是用怎样的黑科技新技术去提高无线信道容量的呢？
　　一、正交频分多址OFDMA
　　熟悉WiFi的人都知道，WiFi的空口采用的是正交频分复用（OFDM）调制方式，即整个带宽由相互正交的子载波组成。在WiFi6中，专家小组从LTE上引入了OFDMA的接入方式。可别小瞧这个小小的字母A，仅一字之变便可以让整个网络容量产生翻天覆地的变化。
　　如图1。所示，基于WiFi5的OFDM在任意一个时段，频道中的所有带宽只能分配给一个用户，哪怕这个用户的数据需求并不需要占用到全部带宽。当其他用户接入网络时，需要等待下一个发送机会窗口（TXOP）。这在信道资源的使用上，是非常低效的，尤其是设备显著增多时。
　　而OFDMA则是通过将子载波组成一个个资源单元（RU）的方式，频道可以把瞬时带宽动态划分给不同的用户。第一个TXOP分配给了用户0和用户1，第二个OP全部分给了用户2，接着第三个TXOP中，资源被平均分配给了四位用户。一下子提高了瞬时支持的用户数量。
　　以图2：20MHz带宽为例，经过子载波分配，20MHz可以最多支持9个设备同时接入，40MHz则可以支持18个设备，以此类推。
　　（WiFi6中每个子载波是78。125khz，20MHz就是256个子载波。6Edge表示距离边缘有6个子载波作为保护带。）
　　所以我们不难看出，OFDMA对WiFi信道的容量的提升绝不是一星半点的，而是一种质的改变！
　　二、BSScoloring
　　以往的WiFi技术中，小区间同频干扰（CoChannelInterference，CCI）是影响信道容量的另一个重要因素；CSMACA的核心是采用先听后说（listenbeforetalk，LBT），设备先对无线信道进行监听，在确保没有被占用的情况下，发送数据。
　　在多APmesh组网（AP，AccessPoint，无线接入点）的情况下，小区内的设备会收听到临近同频道的小区的干扰信号，导致设备会误认为本小区此时的无线信道正在被占用，于是停止发送。
　　这种干扰，在网络没有优化好或者可用的频道数量很少的情况下，会显著降低网络容量。
　　如图3所示，如果有4个WiFiAP采用了三频道组网。但由于可用的频道只有三个，AP1和AP2不得不都部署在同样的频道Channel6上，这时AP2的信号对于归属于AP1中的用户设备来说就是干扰OverlappedBasicServiceSet（OBSS，重叠基本服务单元，可以理解为频率相同的重叠小区）。
　　当用户设备与AP1进行通信时，由于设备收到同频的AP2的干扰信号，用户设备会误认为AP1的小区此时正在被小区内其他设备占用，于是等待下一个时间段发送。这么一来，网络性能就降低了。
　　不仅仅是多小区组网，这种干扰问题也会出现在WiFiAP很靠近的情况下。此外，市面上大多数厂商在路由设备出厂时，都是将WiFiAP的第一个频道设置成默认频道。也就是说，假设你家中虽然只有一台无线AP，但如果隔壁邻居也有AP跟你部署在一样的频道上，CCI也会导致你的设备接入成功率下降。干扰问题就更严重了。如果你发现这种问题，不妨更改一下家里WiFiAP的频道，这样会明显减少干扰，提升网速。
　　WiFi6的解决方案，是通过在MAC层引入了BSSColoring（小区颜色编码）技术，来区分本小区和干扰小区。也就是说，在同频道工作，存在相互干扰的AP，会附上不同的颜色码，加以区分。
　　当用户设备收到AP信号后，会对比其收到的颜色与目前关联的AP颜色是否一致。颜色一致时，用户才会认为信号是本小区内的信号。
　　如果收到的信号的颜色与关联的AP颜色不同，用户判定该信号属于干扰信号。如下图所示，由于采用了不同颜色码，绿色小区的频道1不再受到临近小区频道1（蓝色和红色）的干扰。
　　WiFi中的先听后说，分两个检测门限，分别检测信号功率（SD）和信道能量（ED）。这两个门限在以往的WiFi技术标准和设备中，是固定的，无法有效区分是本小区的信号还是临近小区的信号（图5左侧）。
　　WiFi6采用了差异化检测门限，给不同颜色码的小区分配不同的检测门限（图5右侧）。
　　具体的方法是，将使用同频道的干扰小区信号检测门限升高，同时把同色的本小区内信号检测门限降低。通常周边小区的干扰信号由于传播衰减，信号强度会较低，不会超过相对较高幅度的检测门限。而本小区内信号较低的检测，有助于提高检测灵敏度。
　　通过这种差异化的门限检测，信道就不会被误判为被占用，从而提高了信道容量。
　　信号检测门限同时可以随着网络环境进行动态调整，可以说是一种自感知网络的实现形式。
　　三、多用户协调，多进多出（MUMIMO）
　　对于MIMO技术想必大家也并不陌生，WiFi5时期就已经出现单用户多路输入输出（SUMIMO）技术。AP和终端使用多路天线来发送和接收，多路天线使用同频但彼此正交的信号来提高信道使用率。但是WiFi6已经可以支持（MUMIMO）技术，MUMIMO中的MU指的是多用户（MultipleUsers）。AP由于不用像手机设备受体积和电源限制，可以做到4甚至8根天线，一个AP使用同样的信道来服务多个不同用户，每路用户分配12根天线，每根天线之间信号正交，互不干扰。
　　WiFi5虽然在wave2的标准更新中增加了下行MUMIMO，但大多数厂商并没有在设备上去实现MUMIMO功能。
　　在WiFi6时代，MUMIMO终于得到了应用，并被扩展到了上行，即多终端设备不仅可以同时接收，也可以利用相同信道同时向AP发送数据。
　　有了MUMIMO和OFDMA，那么自然就会想到：如果AP能够协调其服务的多用户同时对信道进行访问，而不是一个个独立来竞争请求的话，信道使用率还会提高。
　　如图7所示，AP通过发送一个触发信号，来同步需要接入的4位用户的开始发送和结束时间。四位用户不再相互竞争信道资源，而是采用MUMIMO或者OFDMA的方式，与AP进行通信。
　　结语
　　WiFi6（802。11ax）是WiFi历史上最重要的一次更新。即使是目前最新的WiFi7，也仅仅是对WiFi6的主要特性进行一些加强。网络容量上的提升，是业内普遍认为WiFi6众多更新中最有用的功能，同时也是企业和个人用户升级WiFi网络和终端的重要原因。如今WiFi6技术的已经逐步应用到各个领域当中，WiFi行业甚至还在沿用WiFi6的核心技术的基础上，又积极推动了WiFi6e的发展。过将WiFi6的工作频段延伸到6GHz（59257125MHz），以此来扩大网络容量。
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