Wi-Fi 和 4G / 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是我們上網(wǎng)時(shí)最常用的兩種接入方式。
這兩種接入方式，平時(shí)在上網(wǎng)時(shí)似乎沒(méi)感覺(jué)到有什么區(qū)別。然而，它們卻是完全不同的設(shè)計(jì)哲學(xué)。
蜂窩網(wǎng)絡(luò)以基站為小區(qū)中心，基站承擔(dān)了小區(qū)的中央控制、用戶授權(quán)和調(diào)度。
以 5G 為例，基站在每個(gè)幀中廣播同步信號(hào)塊 SSB。SSB 包含了小區(qū)的 PCI（物理小區(qū)標(biāo)識(shí)）、基站的同步時(shí)間信息、空口信息、接入控制等參數(shù)。
手機(jī)在確認(rèn)同步信號(hào)后，通過(guò)隨機(jī)接入信道 PRACH，發(fā)送接入前導(dǎo)序列 Preamble，以此獲取基站授權(quán)接入。不同的用戶，采用不同的 ZC 正交序列來(lái)區(qū)分。
在接入后，無(wú)線信道分配好上下行時(shí)隙（這里特指 TDD 網(wǎng)絡(luò)），基站和所有終端都在固定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這種設(shè)計(jì)理念以基站作為小區(qū)中心，采用中心規(guī)劃的設(shè)計(jì)哲學(xué)。
而 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)則不同。
Wi-Fi 在設(shè)計(jì)時(shí)，將 AP 接入點(diǎn)（這里 AP 的功能等同于 5G 中的基站）和用戶終端放在同等的位置考慮。基于 802.11 協(xié)議的 AP 和終端，采用了載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn) / 碰撞避免（CSMA / CA）的方式，來(lái)平等競(jìng)爭(zhēng)占用無(wú)線信道。
AP 和終端、終端與終端之間，在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)先進(jìn)行無(wú)線信道偵聽(tīng)。在確保信道沒(méi)被占用的情況下，接入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備之間并不分層級(jí)，而是采用自協(xié)調(diào)競(jìng)爭(zhēng)接入的模式，訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。
從某種意義上，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是一種去中心化的設(shè)計(jì)哲學(xué)。
這兩種設(shè)計(jì)哲學(xué)，各有千秋。
蜂窩網(wǎng)絡(luò)考慮的側(cè)重點(diǎn)，是多設(shè)備接入時(shí)的容量和效率。而 Wi-Fi，由于其使用非授權(quán)頻譜以及成本上考量，設(shè)計(jì)時(shí)更加側(cè)重于抗干擾、低成本等特性。
兩種方案都能讓信道得到充分的利用。參考 Aruba Networks 發(fā)布的測(cè)試結(jié)果可以看出，LTE 和 Wi-Fi 6 在 MAC 層面的頻譜使用效率非常接近，單流、256QAM 的情況下，都能到 5Mbps / Hz 以上的頻譜使用效率。
圖 1 LTE 與 Wi-Fi 在頻譜使用效率上的對(duì)比
█ 接入過(guò)程與漫游
那么，沒(méi)有中心控制的 Wi-Fi，具體是怎么協(xié)作接入的呢？
首先第一步，是尋找 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。
由于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中 AP 沒(méi)有廣播功能，終端是不可能預(yù)先知道是否有可用的網(wǎng)絡(luò)資源以及 AP 參數(shù)的。
這里，終端采用了一種主動(dòng)探針的方式來(lái)進(jìn)行請(qǐng)求。
終端會(huì)在 Wi-Fi 的第一個(gè) 20MHz 頻道上，發(fā)送一系列探針序列，然后等待 AP 回應(yīng)。
如果 20ms 后 AP 沒(méi)有回應(yīng)的話，終端將切換到下一個(gè) 20MHz 頻道，重復(fù)上述動(dòng)作，直到收到 AP 的回應(yīng)，確認(rèn) AP 的工作頻段和接入?yún)?shù)才能接入網(wǎng)絡(luò)。
圖 2 手機(jī)進(jìn)行主動(dòng)掃探針?biāo)褜ば诺肋^(guò)程
寫(xiě)到這里，你可能會(huì)想到，如果室內(nèi)有多個(gè) Wi-Fi AP，當(dāng)用戶在移動(dòng)，終端從一個(gè) AP 切換到另一個(gè) AP 時(shí)，還要重復(fù)上述的 AP 搜尋過(guò)程嗎？
每個(gè)頻道 20ms，搜索一圈信道下來(lái)，需要較長(zhǎng)時(shí)間，連接豈不是會(huì)中斷？那還怎么確保視頻會(huì)議或者微信語(yǔ)音的通信質(zhì)量呢？
現(xiàn)在的辦公室甚至現(xiàn)在很多家庭無(wú)線局域網(wǎng)，都會(huì)采用多 AP mesh 組網(wǎng)的方式，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。
如果每次終端切換 AP 時(shí)，都重新做上述的主動(dòng)探針?biāo)褜ば诺肋^(guò)程，將是會(huì)非常低效的。好在 802.11 工作組考慮到了小區(qū)切換的問(wèn)題，在 802.11k 中開(kāi)發(fā)了“鄰居報(bào)告”的協(xié)議。
設(shè)備在接入 AP 后，該 AP 會(huì)將其附近 AP 的 BSSID 和頻道信息發(fā)送給用戶。這樣一來(lái)，用戶在需要切換到另一個(gè) AP 時(shí)，就不用再掃描一遍頻道了。
這樣做的好處，一來(lái)是極大節(jié)省了切換時(shí)間，保證通信不出現(xiàn)中斷。二來(lái)是給用戶設(shè)備省電，設(shè)備不再需要發(fā)送一個(gè)個(gè)探針。第三，就是無(wú)線信道也得到了更加有效的利用，AP 不需要頻繁占用無(wú)線信道來(lái)不斷回應(yīng)終端的請(qǐng)求。
圖 3 AP 通過(guò) 802.11k 協(xié)議回應(yīng)終端設(shè)備其鄰近 AP 的信息
█ 自我協(xié)調(diào)，信道競(jìng)爭(zhēng)接入，避免沖突
接入網(wǎng)絡(luò)后，AP 和終端們便開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線信道的使用。
在 Wi-Fi 系統(tǒng)中，終端和 AP 的空口時(shí)間統(tǒng)一被分為空閑（Idle）和機(jī)會(huì)發(fā)送（TXOP）時(shí)段。沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)備屬于空閑期，不會(huì)發(fā)送任何信息。
當(dāng)設(shè)備收到數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入爭(zhēng)奪無(wú)線信道的“仲裁”（Arbitration）過(guò)程。沒(méi)有中央調(diào)度器，所有設(shè)備按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)采用“公平競(jìng)爭(zhēng)”模式來(lái)贏得信道仲裁。贏得信道的設(shè)備，將會(huì)得到 6ms 的機(jī)會(huì)發(fā)送窗，然后進(jìn)入下一個(gè)仲裁期。
圖 4 802.11 中的空口時(shí)間分配
進(jìn)入仲裁過(guò)程的 Wi-Fi 設(shè)備，首先開(kāi)啟信道偵聽(tīng)模式，RF 接收機(jī)對(duì)無(wú)線信道中的 802.11 信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（Signal Detection）。如果偵聽(tīng)到的信號(hào)強(qiáng)度低于其 SD 閾值（以下圖思科的方案為例，閾值為-82dBm）時(shí)，設(shè)備判定目前信道沒(méi)有其他 Wi-Fi 設(shè)備在使用。
由于 Wi-Fi 使用的頻段屬于免授權(quán)頻段，需要與非 802.11 設(shè)備共享使用，比如藍(lán)牙，遙控器，微波爐等等。那么，在判斷信道占用情況時(shí)，不僅僅需要能對(duì)自身 802.11 協(xié)議的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要對(duì)不明通信協(xié)議的功率進(jìn)行檢測(cè)。
這里就引出了第二個(gè)檢測(cè)機(jī)制 —— 能量檢測(cè)（Energy Detection）。
ED 的作用，是判斷無(wú)線信道沒(méi)有被其他非 Wi-Fi 設(shè)備占用，防止發(fā)送的有用 Wi-Fi 信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中，通常 ED 的門(mén)限比 SD 高 20dB。
圖 5 思科無(wú)線設(shè)備的 SD，ED 設(shè)定
細(xì)心的用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下，視頻通話時(shí)經(jīng)常有能聽(tīng)到聲音但圖像被卡住的現(xiàn)象。這其實(shí)是 Wi-Fi 的一種發(fā)送優(yōu)化措施，用于保障最基本的服務(wù)。
Wi-Fi 將數(shù)據(jù)分為四種不同的優(yōu)先級(jí)，從上到下分別為語(yǔ)音（VO），視頻（VI），最大努力（BE）和背景（BK）。每一個(gè)級(jí)別，都會(huì)附上不同的 AIFS 值。AIFS 值越低，發(fā)送優(yōu)先級(jí)越高。
在 AIFS 時(shí)間結(jié)束之后，設(shè)備便進(jìn)入了競(jìng)爭(zhēng)窗口（CW），設(shè)備開(kāi)始偵聽(tīng)無(wú)線信道，同時(shí)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送。
當(dāng) CW 倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正在占用，設(shè)備便自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)仲裁期。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道處于空閑狀態(tài)，便開(kāi)始占用信道，發(fā)送數(shù)據(jù)。
下圖這個(gè)例子，在第一個(gè)仲裁期中，IPad 的 CW 時(shí)間最短，競(jìng)爭(zhēng)信道成功，獲得了發(fā)送權(quán)。在 IPad 數(shù)據(jù)發(fā)送后，一輪新的仲裁開(kāi)始，手機(jī)在 CW 結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)信道沒(méi)有被占用，獲得了發(fā)送權(quán)。最終，無(wú)線 AP 贏得了第三輪仲裁，獲得發(fā)送權(quán)。
圖 6 多設(shè)備信道競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程
讀到這里，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程在設(shè)備增多的情況下，效率會(huì)明顯降低，每個(gè)設(shè)備的等待發(fā)送時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng)很多。
實(shí)際體驗(yàn)中，你可能也注意到了，在 Wi-Fi 設(shè)備多的公共環(huán)境，比如商場(chǎng)、學(xué)校中，經(jīng)常需要等待很長(zhǎng)時(shí)間，才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
那么，很有可能是網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有升級(jí)到最新的 Wi-Fi 6。
Wi-Fi 6 可以說(shuō)是 Wi-Fi 行業(yè)過(guò)去十多年中最大的一次革新。具體 Wi-Fi 6 是通過(guò)哪些新特性來(lái)解決多設(shè)備下網(wǎng)絡(luò)阻塞的問(wèn)題呢？我會(huì)在下一期的文章中給大家一一道來(lái)。
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