Wi-Fi 6有哪些黑科技？-通过什么样的方式解决网络卡顿问题？

Wi-Fi 6有哪些黑科技？

Wi-Fi设备访问的核心是载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)。

这种先听后说的机制自1997年第一代Wi-Fi(802.11)以来一直在使用。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(802.11n)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(802.11 ac)时代变得越来越严重。因此，在设计Wi-Fi 6(802.11 ax)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的空口采用正交频分复用(OFDM)调制，即整个带宽由正交的子载波组成。

在Wi-Fi 6中，802.11工作组从LTE引入了OFDMA接入模式。只有一个 A 文字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。

而其他用户在接入网络时需要等待下一个传输机会窗口(TXOP)。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的对比

OFDMA改变了这一点。OFDMA可以通过将子载波分组为资源单元(ru)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

(Wi-Fi 6中每个副载波是78.125khz，20MHz是256个副载波。边缘意味着从边缘有6个子载波作为保护频带。)

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，同频干扰(CCI)是影响信道容量的另一个重要因素。

上一篇文章提到，CSMA/CA的核心是采用先听后说(LBT)，设备先监听无线信道，在不被占用的情况下发送数据。

在多AP mesh组网(AP，接入点，无线接入点)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，导致设备误以为此时该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。但是由于只有三个可用的信道，AP1和AP2不得不部署在同一个信道Channel 6上，那么AP2的信号对属于AP1 mdash的用户设备就是干扰； mdash重叠基本服务集(OBSS，重叠基本服务单元，可以理解为同频重叠小区)。

▲图3三频段组网下的同频干扰场景

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(小区颜色编码)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，绿色小区的通道1不再受到相邻小区的通道1(蓝色和红色)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:信号功率(SD)和信道能量(ED)。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(下图左侧)。

▲图5差分信号检测阈值和动态调整

Wi-Fi 6采用差分检测阈值，不同色码的小区分配不同的检测阈值(上图右侧)。

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。然而，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(MU-MIMO)

单用户多输入多输出(SU-MIMO)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。

一般手机用两根Wi-Fi天线，支持2x2 MIMO mdash mdash收发两种方式。

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是指多个用户。一个AP使用同一个信道服务多个不同的用户，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 AP使用MU-MIMO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的多路收发协调功能

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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，目标唤醒时间等等。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。然而，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(5925-7125 MHz)，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(IEEE802.11 be)所做的前期准备。