漲知識了！Wi-Fi背後的原理揭祕！

Wi-Fi和4G/5G蜂窩網路，是我們上網時最常用的兩種接入方式。

這兩種接入方式，平時在上網時似乎沒感覺到有什麼區別。然而，它們卻是完全不同的設計哲學。

蜂窩網路以基站為小區中心，基站承擔了小區的中央控制、使用者授權和排程。

以5G為例，基站在每個幀中廣播同步訊號塊SSB。SSB包含了小區的PCI(物理小區標識)、基站的同步時間資訊、空口資訊、接入控制等引數。

手機在確認同步訊號後，通過隨機接入通道PRACH，傳送接入前導序列Preamble，以此獲取基站授權接入。不同的使用者，採用不同的ZC正交序列來區分。

在接入後，無線通道分配好上下行時隙(這裡特指TDD網路)，基站和所有終端都在固定的時間內進行資料傳送或接收。這種設計理念以基站作為小區中心，採用中心規劃的設計哲學。

而Wi-Fi網路則不同。

Wi-Fi在設計時，將AP接入點(這裡AP的功能等同於5G中的基站)和使用者終端放在同等的位置考慮。基於802.11協議的AP和終端，採用了載波偵聽多路訪問/碰撞避免(CSMA/CA)的方式，來平等競爭佔用無線通道。

AP和終端、終端與終端之間，在接入網路時先進行無線通道偵聽。在確保通道沒被佔用的情況下，接入網路。裝置之間並不分層級，而是採用自協調競爭接入的模式，訪問網路。

從某種意義上，Wi-Fi網路是一種去中心化的設計哲學。

這兩種設計哲學，各有千秋。

蜂窩網路考慮的側重點，是多裝置接入時的容量和效率。而Wi-Fi，由於其使用非授權頻譜以及成本上考量，設計時更加側重於抗干擾、低成本等特性。

兩種方案都能讓通道得到充分的利用。參考Aruba Networks釋出的測試結果可以看出，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5bps/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比(勘誤：圖中Mbps應為bps)

█ 接入過程與漫遊

那麼，沒有中心控制的Wi-Fi，具體是怎麼協作接入的呢?

首先第一步，是尋找Wi-Fi網路。

由於Wi-Fi網路中AP沒有廣播功能，終端是不可能預先知道是否有可用的網路資源以及AP引數的。

這裡，終端採用了一種主動探針的方式來進行請求。

終端會在Wi-Fi的第一個20MHz頻道上，傳送一系列探針序列，然後等待AP回應。

如果20ms後AP沒有回應的話，終端將切換到下一個20MHz頻道，重複上述動作，直到收到AP的回應，確認AP的工作頻段和接入引數才能接入網路。

圖 2 手機進行主動掃探針搜尋通道過程

寫到這裡，你可能會想到，如果室內有多個Wi-Fi AP，當使用者在移動，終端從一個AP切換到另一個AP時，還要重複上述的AP搜尋過程嗎?

每個頻道20ms，搜尋一圈通道下來，需要較長時間，連線豈不是會中斷?那還怎麼確保視訊會議或者微信語音的通訊質量呢?

現在的辦公室甚至現在很多家庭無線區域網，都會採用多AP mesh組網的方式，來提高網路覆蓋效能。

如果每次終端切換AP時，都重新做上述的主動探針搜尋通道過程，將是會非常低效的。好在802.11工作組考慮到了小區切換的問題，在802.11k中開發了“鄰居報告”的協議。

裝置在接入AP後，該AP會將其附近AP的BSSID和頻道資訊傳送給使用者。這樣一來，使用者在需要切換到另一個AP時，就不用再掃描一遍頻道了。

這樣做的好處，一來是極大節省了切換時間，保證通訊不出現中斷。二來是給使用者裝置省電，裝置不再需要傳送一個個探針。第三，就是無線通道也得到了更加有效的利用，AP不需要頻繁佔用無線通道來不斷回應終端的請求。

圖 3 AP通過802.11k協議回應終端裝置其鄰近AP的資訊

█ 自我協調，通道競爭接入，避免衝突

接入網路後，AP和終端們便開始競爭無線通道的使用。

在Wi-Fi系統中，終端和AP的空口時間統一被分為空閒(Idle)和機會傳送(TXOP)時段。沒有資料時，裝置屬於空閒期，不會傳送任何資訊。

當裝置收到資料傳送請求時，裝置開始進入爭奪無線通道的“仲裁”(Arbitration)過程。沒有中央排程器，所有裝置按照資料優先順序採用“公平競爭”模式來贏得通道仲裁。贏得通道的裝置，將會得到6ms的機會傳送窗，然後進入下一個仲裁期。

圖 4 802.11中的空口時間分配

進入仲裁過程的Wi-Fi裝置，首先開啟通道偵聽模式，RF接收機對無線通道中的802.11訊號進行監測(Signal Detection)。如果偵聽到的訊號強度低於其SD閾值(以下圖思科的方案為例，閾值為-82dBm)時，裝置判定目前通道沒有其他Wi-Fi裝置在使用。

由於Wi-Fi使用的頻段屬於免授權頻段，需要與非802.11裝置共享使用，比如藍芽，遙控器，微波爐等等。那麼，在判斷通道佔用情況時，不僅僅需要能對自身802.11協議的訊號進行監測，還需要對不明通訊協議的功率進行檢測。

這裡就引出了第二個檢測機制——能量檢測(Energy Detection)。

ED的作用，是判斷無線通道沒有被其他非Wi-Fi裝置佔用，防止傳送的有用Wi-Fi訊號被淹沒在噪聲中，通常ED的門限比SD高20dB。

圖 5 思科無線裝置的SD，ED設定

細心的使用者可能會發現，在網路環境不好的情況下，視訊通話時經常有能聽到聲音但影像被卡住的現象。這其實是Wi-Fi的一種傳送優化措施，用於保障最基本的服務。

Wi-Fi將資料分為四種不同的優先順序，從上到下分別為語音(VO)，視訊(VI)，最大努力(BE)和背景(BK)。每一個級別，都會附上不同的AIFS值。AIFS值越低，傳送優先順序越高。

在AIFS時間結束之後，裝置便進入了競爭視窗(CW)，裝置開始偵聽無線通道，同時開始倒數計時準備傳送。

當CW倒數計時結束時，如果裝置發現通道正在佔用，裝置便自動進入下一個仲裁期。如果裝置發現通道處於空閒狀態，便開始佔用通道，傳送資料。

下圖這個例子，在第一個仲裁期中，IPad的CW時間最短，競爭通道成功，獲得了傳送權。在IPad資料傳送後，一輪新的仲裁開始，手機在CW結束後，發現通道沒有被佔用，獲得了傳送權。最終，無線AP贏得了第三輪仲裁，獲得傳送權。

圖 6 多裝置通道競爭過程

讀到這裡，你可能會發現，這個競爭過程在裝置增多的情況下，效率會明顯降低，每個裝置的等待傳送時間將會變長很多。

實際體驗中，你可能也注意到了，在Wi-Fi裝置多的公共環境，比如商場、學校中，經常需要等待很長時間，才能傳送或接收資料。

那麼，很有可能是網路還沒有升級到最新的Wi-Fi 6。

Wi-Fi 6可以說是Wi-Fi行業過去十多年中最大的一次革新。具體Wi-Fi 6是通過哪些新特性來解決多裝置下網路阻塞的問題呢?我會在下一期的文章中給大家一一道來。