為了解決網絡擁塞，Wi-Fi 6到底用了哪些黑科技？

​為了解決網絡擁塞，Wi-Fi 6到底用了哪些黑科技？

Wi-Fi 的真正普及始於 2008 年的 Wi-Fi 4 (802.11n)。可以說，從那時起，Wi-Fi 已經真正成為家庭和企業中最常見的上網方式。支持 Wi-Fi 的設備型號數量也呈指數增長。

在上一篇文章（​​​​​）中，我向您介紹了Wi-Fi頻道競爭接入的原理。 Wi-Fi設備接入的核心是載波偵聽多路訪問/衝突避免（CSMA/CA）。

這種先聽後說的機制從1997年第一代Wi-Fi（802.11）就開始使用了。但是20多年前的無線網絡設備非常少，沒有人會考慮網絡擁塞的問題設備數量增加時對網絡訪問權的競爭造成的。

Wi-Fi 的真正普及始於 2008 年的 Wi-Fi 4 (802.11n)。可以說，從那時起，Wi-Fi 已經真正成為家庭和企業中最常見的上網方式。支持 Wi-Fi 的設備型號數量也呈指數增長。

今天，Wi-Fi 設備在我們的生活中無處不在。只要在家裡打開無線路由管理界面，可能有不少於10台Wi-Fi設備同時在線。

設備數量的增加導致了網絡擁塞、性能下降和延遲增加等問題。這些問題在 Wi-Fi 5 (802.11 ac) 時代更加嚴重。因此，在設計 Wi-Fi 6（802.11ax）時，專家們專門針對網絡擁塞進行了改進和創新。

那麼，Wi-Fi 6 使用了哪些新技術來提升無線信道容量呢？

正交頻分多址OFDMA
熟悉Wi-Fi的朋友應該都知道，Wi-Fi的空中接口採用正交頻分複用（OFDM）的調製方式，即整個帶寬由相互正交的子載波組成。

在 Wi-Fi 6 中，802.11 工作組引入了來自 LTE 的 OFDMA 接入。這樣一個“A”字的加入，可以說給網絡容量帶來了質的變化。

如下左圖所示，基於Wi-Fi 5的OFDM在任何時間段都只能將信道中的所有帶寬分配給一個用戶，即使用戶的數據需求不需要佔用所有帶寬。

當其他用戶接入網絡時，需要等待下一個傳輸機會窗口（TXOP）。這對信道資源的使用效率非常低，尤其是在設備數量顯著增加的情況下。

OFDMA 改變了這一點。 OFDMA可以通過將子載波形成資源單元（RU）來動態地將瞬時帶寬劃分給不同的用戶。

比如上圖右圖，第一個TXOP分配給用戶0和用戶1，第二個OP全部分配給用戶2，然後在第三個TXOP中，資源平均分配給四個用戶。

OFDMA突然增加了可以瞬間支持的用戶數量。

以下圖中的 20MHz 帶寬為例。子載波分配後，20MHz最多可支持9台設備同時接入，40MHz可支持18台設備，以此類推。
（Wi-Fi 6 中每個子載波為 78.125khz，20MHz 為 256 個子載波。6 Edge 表示距離邊緣有 6 個子載波作為保護帶。）

可以說，OFDMA給Wi-Fi通道的容量帶來了質的變化。

BSS 著色
在過去的Wi-Fi技術中，小區間同信道干擾（Co-Channel Interference，CCI）是影響信道容量的另一個重要因素。

上一篇文章中提到，CSMA/CA的核心是使用先聽後說（LBT）。設備首先監測無線信道，並在空閒時發送數據。

在多AP網狀組網（AP、Access Point、無線接入點）的情況下，小區內的設備會監聽同一信道相鄰小區的干擾信號，從而導致設備誤認為小區的無線信道當前處於活動狀態。被佔用，所以停止發送。

當網絡未優化或可用信道數量較少時，這種干擾會顯著降低網絡容量。

如下圖，四個Wi-Fi AP使用三通道組網。但是，由於只有三個可用信道，AP1和AP2必須部署在同一個信道Channel 6上。此時，AP2的信號對屬於AP1的用戶設備的干擾——重疊基本服務集（OBSS，Overlapping基本服務單元可以理解為具有相同頻率的重疊小區）。
用戶設備與AP1通信時，由於設備在同頻接收到AP2的干擾信號，此時用戶設備會誤認為AP1的小區正在被小區內的其他設備佔用，因此等待下一個時間段發送。結果，網絡性能下降。

不僅是多小區組網，當 Wi-Fi AP 非常接近時也會出現這種干擾問題。比如你家雖然只有一個無線AP，但如果隔壁鄰居也有一個AP和你部署在同一個信道上，CCI也會導致你的設備接入成功率下降。

可悲的是，大多數製造商在他們的設備上使用 Wi-Fi AP 的默認通道在第一個通道上。在這種情況下，干擾問題就更加嚴重了。如果您發現此類問題，不妨更換家中 Wi-Fi AP 的頻道，這樣會顯著降低干擾，提高網速。

Wi-Fi 6的解決方案是通過在MAC層引入BSS Coloring（小區顏色編碼）技術來區分本小區和乾擾小區。也就是說，在同一個信道工作時，有AP相互干擾，會貼上不同的顏色代碼來區分。

當用戶設備接收到AP信號時，會比較自己接收到的顏色與當前關聯AP的顏色是否一致。只有當顏色相同時，用戶才認為信號是單元格中的信號。

如果接收信號的顏色與關聯AP的顏色不同，則用戶確定該信號是乾擾信號。如下圖所示，由於使用了不同的色碼，綠色小區的通道1不再受到相鄰小區通道1（藍色和紅色）的干擾。
看到這裡，你可能會問，即使標上了顏色，還是會收到干擾信號，如何解決干擾？

上一篇我們說過，在Wi-Fi中，有兩個檢測閾值，分別是檢測信號功率（SD）和信道能量（ED）。這兩個閾值在之前的Wi-Fi技術標準和設備中是固定的，無法有效區分當前小區的信號和相鄰小區的信號（下圖左側）。
Wi-Fi 6採用差異化檢測閾值，對不同顏色代碼的小區分配不同的檢測閾值（上圖右側）。

具體方法是提高同頻信道的干擾小區的信號檢測閾值，同時降低該小區同色的信號檢測閾值。通常，由於傳播衰減，周圍小區的干擾信號的信號強度會很低，不會超過幅度較大的檢測閾值。細胞內信號的較低檢測有助於提高檢測靈敏度。

通過這種差異化的閾值檢測，不會誤判信道被佔用，從而提高信道容量。

同時，信號檢測閾值可以隨網絡環境動態調整，可以說是自感知網絡的一種實現形式。

多用戶協調、多輸入多輸出 (MU-MIMO)
單用戶多輸入輸出（SU-MIMO），從Wi-Fi 5引入。AP和終端使用多根天線進行發射和接收，多根天線使用相同頻率但相互正交的信號，以提高信道利用率.

手機通常使用兩個 Wi-Fi 天線並支持 2x2 MIMO——兩個傳輸和接收。

由於AP不受大小和功率的限制，可以做4根甚至8根天線。 MU-MIMO中的MU是指多用戶。一個 AP 使用相同的信道為多個不同的用戶提供服務。為每個用戶分配 1-2 根天線。每個天線之間的信號是正交且互斥的。干涉。
雖然 Wi-Fi 5 在 Wave 2 的標準更新中加入了下行 MU-MIMO，但大多數廠商並沒有在設備上實現 MU-MIMO。

在Wi-Fi 6時代，MU-MIMO終於被應用並延伸到了上行，即多個終端設備不僅可以同時接收，還可以同時向AP發送數據。同一個頻道。

有了MU-MIMO和OFDMA，自然會想到如果AP能夠協調其服務的多個用戶同時接入信道，而不是一一競爭請求，信道利用率就會提高。

如下圖，AP發送觸發信號，同步需要連接的4個用戶的起止時間。四個用戶不再相互競爭信道資源，而是使用MU-MIMO或OFDMA與AP進行通信。
結語
Wi-Fi 6 是 Wi-Fi 歷史上最重要的更新。

即使是最新的 Wi-Fi 7 也只是對 Wi-Fi 6 主要功能的一些增強。

Wi-Fi 6還有很多更新，比如1024QAM調製、Target Wake Time等，今天我們只介紹與網絡容量相關的特性。

在Wi-Fi 6的眾多更新中，網絡容量的提升是我認為最有用的特性，也是企業和個人用戶升級Wi-Fi網絡和終端的重要原因。

為了增加系統容量，Wi-Fi工程師嘗試了物理層和MAC層的各種手段。但是，最終容量仍然受到香農極限的限制。

要進一步從根本上提高網絡容量，只能從增加頻譜的角度來解決。尤其是現有的2.4GHz，由於藍牙、遙控器等大量無線設備的使用，變得擁擠不堪。而5GHz，有很多訪問限制。

Wi-Fi 系統的頻譜資源變得非常有限。這推動了Wi-Fi 6E的誕生。

Wi-Fi 6E 將現有的 Wi-Fi 6 擴展至 6GHz（5925-7125 MHz），使頻譜容量一次性增加三倍。同時，6GHz也是802.11組織對Wi-Fi 7（IEEE802.11 be）的初步伏筆。

那麼，Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7 如何提升性能呢？我會在下一篇文章中一一告訴你。

本文作者唐欣博士，現任光譜實驗室技術總監。

參考

[1] Aruba Networks 白皮書 – 802.11ax。

[2] 思科白皮書 - IEEE 802.11ax：第六代 Wi-Fi。

[3] National Instruments - 802.11ax 高效無線簡介