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设备数量的增加导致网络拥塞性能下降延迟增加等问题

发布时间:2022-05-12 13:07   来源:IT之家   作者:笑笑

在上一篇文章中,我介绍了Wi—Fi的信道竞争接入原理Wi—Fi设备访问的核心是载波侦听多路访问/冲突避免

这种先听后说的机制从1997年第一代Wi—Fi开始使用但是,20多年前,无线网络设备很少,设备增多时没有人会去想竞争带来的网络拥塞

Wi—Fi真正普及是从2008年的Wi—Fi 4开始的可以说,从那时起,Wi—Fi真正成为家庭和企业最常用的上网方式支持Wi—Fi的设备型号也呈指数级增长

如今,Wi—Fi设备在我们的生活中无处不在只要打开家里的无线路由管理界面,可能会有不少于10个Wi—Fi设备同时在线

设备数量的增加导致网络拥塞,性能下降,延迟增加等问题这些问题在Wi—Fi 5时代变得越来越严重因此,在设计Wi—Fi 6时,专家们专门针对网络拥塞的问题进行了改进和创新

那么,Wi—Fi 6采用了哪些新技术来提高无线信道容量呢。

正交频分多址接入

熟悉Wi—Fi的朋友应该知道,Wi—Fi的空中接口采用正交频分复用调制,即整个带宽由相互正交的子载波组成。

在Wi—Fi 6中,802.11工作组从LTE引入了OFDMA接入模式这样一个A字的加入,可以说给网络容量带来了质的变化

如下左图所示,在基于Wi—Fi 5的OFDM中,信道中的所有带宽在任何时间段都只能分配给一个用户,即使这个用户的数据需求不需要占用所有带宽。

当其他用户接入网络时,他们需要等待下一个传输窗口这在信道资源的使用中是非常低效的,尤其是当设备的数量显著增加时

图OFDM和OFDMA的比较

OFDMA改变了这一点OFDMA可以通过将子载波分组为资源单元来动态地将瞬时带宽划分给不同的用户

比如上图右边的图中,第一个TXOP分配给用户0和用户1,第二个OP全部分配给用户2,然后在第三个TXOP中,资源平均分配给四个用户。

OFDMA瞬间增加了支持的用户数量。

以下图20MHz带宽为例子载波分配后,20MHz可支持最多9台设备同时接入,40MHz可支持18台设备,以此类推

图2使用OFDMA的20MHz可用资源单元的数量

可以说OFDMA给Wi—Fi信道的容量带来了质的变化。

BSS着色

在过去的Wi—Fi技术中,小区间同频干扰是影响信道容量的另一个重要因素。

上一篇文章提到,CSMA/CA的核心是先听后说,设备先监听无线信道,发送数据不被占用。

在多AP mesh组网的情况下,小区内的设备会听到同信道相邻小区的干扰信号,导致设备误认为此时小区的无线信道正在被占用,于是停止发送。

当网络未被优化或者可用信道数量很小时,这种干扰将显著降低网络容量。

如下图所示,四个Wi—Fi AP使用三通道组网可是,因为只有三个可用信道,所以AP1和AP2必须部署在相同的信道信道6上此时,AP2的信号对属于AP1重叠基本服务集的用户设备是干扰

图3三频段网络下的同信道干扰场景

当用户设备与AP1通信时,由于设备接收到同频率的AP2的干扰信号,用户设备会误认为此时AP1的小区被该小区中的其他设备占用,因此会等待下一个时间段进行发送结果,网络性能降低

不仅仅是多小区组网,这种干扰问题在Wi—Fi AP很近的时候也会出现比如,虽然你家只有一个无线AP,但如果隔壁邻居也有一个AP部署在和你相同的信道上,CCI也会导致你的设备接入成功率下降

可悲的是,大部分厂商在设备出厂时就把Wi—Fi AP的默认通道放在了第一个通道上在这种情况下,干扰问题会更加严重如果发现这种问题,不妨换一换家里Wi—Fi AP的频道,这样会明显减少干扰,提高网速

Wi—Fi 6的解决方案是通过在MAC层引入BSS着色技术来区分本地小区和干扰小区也就是说,工作在同一信道上,相互干扰的AP会附上不同的色码来区分

当用户设备接收AP信号时,它将比较接收的颜色是否与当前关联的AP颜色一致当颜色相同时,用户会认为该信号是该单元中的信号

如果接收信号的颜色不同于相关AP的颜色,则用户确定该信号属于干扰信号如下图所示,由于采用了不同的色标,绿色小区的信道1不再受到相邻小区信道1的干扰

图4 Wi—Fi 6中的BSS着色技术

看到这里你可能会问,即使标注了颜色,干扰信号还是会收到干扰怎么解决

我们在上一篇文章中说过,在Wi—Fi中,有两个检测阈值分别检测信号功率和信道能量这两个阈值在之前的Wi—Fi技术标准和设备中是固定的,无法有效区分本小区的信号和邻小区的信号

图5差分信号检测阈值和动态调整

Wi—Fi 6采用差分检测门限,不同色码的小区分配不同的检测门限。

具体方法是提高使用相同信道的干扰小区的信号检测门限,降低本小区相同颜色的信号检测门限通常,由于传播衰减,周围小区中的干扰信号的信号强度会很低,并且不会超过相对较高幅度的检测阈值可是,在该单元中信号的低检测有助于提高检测灵敏度

通过这种差异化的门限检测,信道不会被误判为被占用,从而提高了信道容量。

同时检测阈值可以随网络环境动态调整,可以说是自感知网络的一种实现形式。

多用户协作,多输入多输出

单用户多输入多输出,是从Wi—Fi 5引入的AP终端使用多根天线发射和接收,多根天线使用频率相同但相互正交的信号,以提高信道利用率

一般来说,手机使用两个Wi—Fi天线,并支持2 x2 MIMO—两种发送和接收方式。

由于AP不受体积和电源的限制,它可以有4个甚至8个天线MU—MIMO中的MU指的是多用户一个AP使用相同的信道来服务许多不同的用户,并且每个用户被分配1—2个天线每个天线之间的信号是正交的,互不干扰

图6的AP使用MU—MIMO来复用信道。

虽然Wi—Fi 5在wave 2的标准更新中加入了下行MU—MIMO,但是大部分厂商并没有在设备上实现MU—MIMO功能。

在Wi—Fi 6时代,MU—MIMO终于得到了应用,并扩展到了上行链路,即多终端设备不仅可以同时接收,还可以使用同一信道同时向AP发送数据。

有了MU—MIMO和OFDMA,人们很自然地认为,如果AP能够协调其服务的多个用户同时接入信道,而不是独立地竞争请求,那么信道利用率就会提高。

如下图所示,AP发送一个触发信号来同步需要接入的四个用户的开始和结束时间这四个用户不再相互竞争信道资源,而是通过MU—MIMO或OFDMA的方式与AP通信

图7 Wi—Fi 6的多信道收发协调功能

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Wi—Fi 6是Wi—Fi历史上最重要的更新。

即使是最新的Wi—Fi 7也只是强化了Wi—Fi 6的主要功能。

Wi—Fi 6有很多更新,比如1024QAM调制,目标设备唤醒时间等今天只介绍了与网络容量相关的特性

网络容量的提升是Wi—Fi 6诸多更新中最有用的功能,也是企业和个人用户升级Wi—Fi网络和终端的重要原因。

为了提高系统容量,Wi—Fi工程师在物理层和MAC层想尽了一切办法可是,最终的容量仍然受到香农极限的限制

要从根本上进一步增加网络容量,只能从增加频谱的角度来解决尤其是现有的2.4GHz,因为大量使用蓝牙,遥控器等无线设备,已经变得人满为患在5GHz,有许多访问限制

对于Wi—Fi系统,频谱变得非常有限这促进了Wi—Fi 6E的诞生

Wi—Fi 6E将现有的Wi—Fi 6扩展到6GHz,一下子增加了3倍的频谱容量同时,6GHz是802.11组织为Wi—Fi 7所做的前期准备

那么,Wi—Fi 6E和Wi—Fi 7如何提升性能呢我会在下一篇文章里给你

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