涨知识了!Wi-Fi背后的原理揭秘!

2022-05-07 11:33:46   来源:商业新知网

Wi-Fi和4G/5G蜂窝网络,是我们上网时最常用的两种接入方式。

这两种接入方式 ,平时在上网时似乎没感觉到有什么区别。然而,它们却是完全不同的 设计哲学 。

蜂窝网络以基站为小区中心,基站承担了小区的中央控制、用户授权和调度。

以5G为例,基站在每个帧中广播同步信号块SSB。SSB包含了小区的PCI(物理小区标识)、基站的同步时间信息、空口信息、接入控制等参数。

手机在确认同步信号后,通过随机接入信道PRACH,发送接入前导序列Preamble,以此获取基站授权接入。不同的用户,采用不同的ZC正交序列来区分。

在接入后,无线信道分配好上下行时隙(这里特指TDD网络),基站和所有终端都在固定的时间内进行数据发送或接收。这种设计理念以基站作为小区中心,采用中心规划的设计哲学。

而Wi-Fi网络则不同。

Wi-Fi 在设计时,将AP接入点(这里AP的功能等同于5G中的基站)和用户终端放在同等的位置考虑。基于802.11协议的AP和终端,采用了载波侦听多路访问/碰撞避免(CSMA/CA)的方式,来平等竞争占用无线信道。

AP和终端、终端与终端之间,在接入网络时先进行无线信道侦听。在确保信道没被占用的情况下,接入网络。设备之间并不分层级,而是采用自协调竞争接入的模式,访问网络。

从某种意义上, Wi-Fi 网络是一种去中心化的设计哲学 。

这两种设计哲学,各有千秋。

蜂窝网络考虑的侧重点,是多设备接入时的容量和效率。而Wi-Fi,由于其使用非授权频谱以及成本上考量,设计时更加侧重于抗干扰、低成本等特性。

两种方案都能让信道得到充分的利用。参考Aruba Networks发布的测试结果可以看出,LTE和Wi-Fi 6在MAC层面的频谱使用效率非常接近,单流、256QAM的情况下,都能到5bps/Hz以上的频谱使用效率。

图 1 LTE与Wi-Fi在频谱使用效率上的对比(勘误:图中Mbps应为bps)

█ 接入过程与漫游

那么,没有中心控制的Wi-Fi,具体是怎么协作接入的呢?

首先第一步,是寻找Wi-Fi网络。

由于Wi-Fi网络中AP没有广播功能,终端是不可能预先知道是否有可用的网络资源以及AP参数的。

这里,终端采用了一种主动探针的方式来进行请求。

终端会在Wi-Fi的第一个20MHz频道上,发送一系列探针序列,然后等待AP回应。

如果20ms后AP没有回应的话,终端将切换到下一个20MHz频道,重复上述动作,直到收到AP的回应,确认AP的工作频段和接入参数才能接入网络。

图 2 手机进行主动扫探针搜寻信道过程

写到这里,你可能会想到,如果室内有多个Wi-Fi AP,当用户在移动,终端从一个AP切换到另一个AP时,还要重复上述的AP搜寻过程吗?

每个频道20ms,搜索一圈信道下来,需要较长时间,连接岂不是会中断?那还怎么确保视频会议或者微信语音的通信质量呢?

现在的办公室甚至现在很多家庭无线局域网,都会采用多AP mesh组网的方式,来提高网络覆盖性能。

如果每次终端切换AP时,都重新做上述的主动探针搜寻信道过程,将是会非常低效的。好在802.11工作组考虑到了小区切换的问题,在802.11k中开发了 “邻居报告” 的协议。

设备在接入AP后,该AP会将其附近AP的BSSID和频道信息发送给用户。这样一来,用户在需要切换到另一个AP时,就不用再扫描一遍频道了。

这样做的好处,一来是极大节省了切换时间,保证通信不出现中断。二来是给用户设备省电,设备不再需要发送一个个探针。第三,就是无线信道也得到了更加有效的利用,AP不需要频繁占用无线信道来不断回应终端的请求。

图 3 AP通过802.11k协议回应终端设备其邻近AP的信息

█ 自我协调,信道竞争接入,避免冲突

接入网络后,AP和终端们便开始竞争无线信道的使用。

在Wi-Fi系统中,终端和AP的空口时间统一被分为空闲(Idle)和机会发送(TXOP)时段。没有数据时,设备属于空闲期,不会发送任何信息。

当设备收到数据发送请求时,设备开始进入争夺无线信道的“仲裁”(Arbitration)过程。没有中央调度器,所有设备按照数据优先级采用“公平竞争”模式来赢得信道仲裁。赢得信道的设备,将会得到6ms的机会发送窗,然后进入下一个仲裁期。

图 4 802.11中的空口时间分配

进入仲裁过程的Wi-Fi设备,首先开启信道侦听模式,RF接收机对无线信道中的802.11信号进行监测(Signal Detection)。如果侦听到的信号强度低于其SD阈值(以下图思科的方案为例,阈值为-82dBm)时,设备判定目前信道没有其他Wi-Fi设备在使用。

由于Wi-Fi使用的频段属于免授权频段,需要与非802.11设备共享使用,比如蓝牙,遥控器,微波炉等等。那么,在判断信道占用情况时,不仅仅需要能对自身802.11协议的信号进行监测,还需要对不明通信协议的功率进行检测。

这里就引出了第二个检测机制—— 能量检测(Energy Detection) 。

ED的作用,是判断无线信道没有被其他非Wi-Fi设备占用,防止发送的有用Wi-Fi信号被淹没在噪声中,通常ED的门限比SD高20dB。

图 5 思科无线设备的SD,ED设定

细心的用户可能会发现,在网络环境不好的情况下,视频通话时经常有能听到声音但图像被卡住的现象。这其实是Wi-Fi的一种发送优化措施,用于保障最基本的服务。

Wi-Fi将数据分为四种不同的优先级,从上到下分别为语音(VO),视频(VI),最大努力(BE)和背景(BK)。 每一个级别,都会附上不同的AIFS值。AIFS值越低,发送优先级越高。

在AIFS时间结束之后,设备便进入 了竞争窗口(CW),设备开始侦听无线信道,同时开始倒计时准备发送。

当CW倒计时结束时,如果设备发现信道正在占用,设备便自动进入下一个仲裁期。如果设备发现信道处于空闲状态,便开始占用信道,发送数据。

下图这个例子,在第一个仲裁期中,IPad的CW时间最短,竞争信道成功,获得了发送权。 在IPad数据发送后,一轮新的仲裁开始,手机在CW结束后,发现信道没有被占用,获得了发送权。 最终,无线AP赢得了第三轮仲裁,获得发送权。

图 6 多设备信道竞争过程

读到这里,你可能会发现,这个竞争过程在设备增多的情况下,效率会明显降低,每个设备的等待发送时间将会变长很多。

实际体验中,你可能也注意到了,在Wi-Fi设备多的公共环境,比如商场、学校中,经常需要等待很长时间,才能发送或接收数据。

那么,很有可能是网络还没有升级到最新的Wi-Fi 6。

Wi-Fi 6可以说是Wi-Fi行业过去十多年中最大的一次革新。具体Wi-Fi 6是通过哪些新特性来解决多设备下网络阻塞的问题呢?我会在下一期的文章中给大家一一道来。

(全文完)

本文作者唐欣博士,目前担任 Spectrum Lab技术总监。

关键词: 的情况下 使用效率

上一篇:
下一篇:
精彩阅读

涨知识了!Wi-Fi背后的原理揭秘!

热点

Wi-Fi和4G 5G蜂窝网络,是我们上网时最常用的两种接入方式。

​涨知识!远程办公安全方案就用零信任 一文读懂SDP网络隐身技术的实现方式及架构革新

热点

作为零信任的最佳实践架构之一,SDP即软件定义边界一直备受市场瞩目。

4月中国物流业景气指数为43.8%,收缩幅度进一步加大

热点

据中国物流与采购联合会网站消息,5月5日中国物流与采购联合会发布了2022年4月份中国物流业景气指数为43 8%,较上月回落4 9个百分点,收缩

2亿股民日省1000万中国结算下调股票过户费50%

热点

2亿股民迎来利好消息。4月28日晚间,中国证券登记结算有限责任公司(以下简称中国结算)发布通知,称4月29日起将股票交易过户费总体下调50%,

华帝2021年营收55.88亿元,净利润下滑49.17%

热点

近日,华帝股份2021年财报出炉,报告显示公司2021年实现营收55 88亿元,同比增长28 15%;归属于上市公司股东净利润为2 07亿元,同比下滑49 1

显示IP属地功能无法由用户开启或关闭,人在国外则显示国家名

热点

各平台的显示IP属地功能,都无法由用户主动开启或关闭,国内显示到省、直辖市,人在国外则显示国家名。判断IP属地的方式也基本一致,新浪微

2022中国VR/AR创新企业TOP100

热点

近日,互联网周刊正式发布了“2022中国VR AR创新企业TOP100”,榜单聚焦国内VR AR领域创新企业。

寒冬!Facebook等巨头纷纷停招,裁员!

热点

伴随加息进程,今年美国各大互联网公司都不太好过。

观点激荡:十问“区块链+隐私计算”

热点

如果在隐私计算产品中,把区块链作为数据确权、存证等基本能力,那么隐私计算不会影响区块链本身的性能。

赵今巍|数字时代变化中的经济秩序之三:数字生态崛起带来的市场竞争新规律(下)

热点

冲击目标产业链市场结构的外部因素,主要来自于紧密关联的其他产业链市场中有可能出现的各种数字生态。

财富

数据显示 京东方2月份以来为苹果iPhone生产的OLED面板大幅下滑

资讯

据国外媒体报道,已进入苹果iPhone OLED面板供应商行列、去年开始为6 1英寸版iPhone 13供应OLED面板的国内面板制造商京东方,自2月份以来

微软推送Windows11新预览版 操作系统版本号Build 22616

资讯

5月6日早间消息,微软今晨面向Dev和Beta通道的Insider会员推送Windows 11新预览版,操作系统版本号Build 22616。微软指出,版本中移除了

GoogleMaps导航界面将迎来重大升级,用户界面更加简洁

资讯

Google Maps 导航界面即将迎来重大升级,在最新测试版中允许用户选择最喜欢的出行方式。本次升级会带来一个更简洁的用户界面,让用户可以

“知天命”之年,11位互联网大佬“退休”了

资讯

刚到知天命之年的丁磊似乎也要顺应退休潮流。企查查披露的信息显示,2022年4月25日,北京网易传媒有限公司发生工商变更,丁磊卸任法人、总

韩媒:LG显示决定从2022年下半年开始将液晶电视面板产量减少至少10%

资讯

据《韩国经济日报》报道,LG显示(LGD)已决定从2022年下半年开始,将液晶电视面板产量减少至少10%,并停止对此类生产的新投资。2022年5月初

顺丰15亿元回购资金浮亏3.88%,市值蒸发3000亿

资讯

5月5日晚,顺丰发布《关于回购公司股份的进展公告》,公告中称:截至2022年4月30日,公司通过股份回购专用证券账户以集中竞价方式累计回购

预制菜赛道又多新选手 全聚德集团推出新品牌

资讯

预制菜赛道又多了新选手。近日,北京商报记者了解到,全聚德集团旗下品牌四川饭店推出了预制菜品牌川老大,已在多个渠道上线。全聚德集团旗

“断油”后有望摘销冠,比亚迪新能源车市场持续向好

资讯

停产纯燃油车的比亚迪,迎来领跑时刻。在港股市场连续多日上涨后,瑞信发布报告称,对比亚迪的评级为跑赢大市。凭借新能源车型逆势上涨的销

《余生,请多指教》三出国门定档非洲,国产剧出海步伐逐渐加快

资讯

影视剧《余生,请多指教》在亚马逊上线的消息正在当下引得人们热议纷纷,《与君初相识》继被泰国、韩国收购版权后,三出国门定档非洲,《下

一季度微蒸烤市场增速放缓,是哪里出了问题?

资讯

2020年突如其来的疫情,一度让更多的宅居人士走进厨房,颇有厨房烹饪情趣的烘焙料理类厨房电器微蒸烤受益获得了规模的快速增长。时间辗转两

​涨知识!远程办公安全方案就用零信任 一文读懂SDP网络隐身技术的实现方式及架构革新

作为零信任的最佳实践架构之一,SDP即软件定义边界一直备受市场瞩目。

4月中国物流业景气指数为43.8%,收缩幅度进一步加大

据中国物流与采购联合会网站消息,5月5日中国物流与采购联合会发布了2022年4月份中国物流业景气指数为43 8%,较上月回落4 9个百分点,收缩

2亿股民日省1000万中国结算下调股票过户费50%

2亿股民迎来利好消息。4月28日晚间,中国证券登记结算有限责任公司(以下简称中国结算)发布通知,称4月29日起将股票交易过户费总体下调50%,

华帝2021年营收55.88亿元,净利润下滑49.17%

近日,华帝股份2021年财报出炉,报告显示公司2021年实现营收55 88亿元,同比增长28 15%;归属于上市公司股东净利润为2 07亿元,同比下滑49 1

显示IP属地功能无法由用户开启或关闭,人在国外则显示国家名

各平台的显示IP属地功能,都无法由用户主动开启或关闭,国内显示到省、直辖市,人在国外则显示国家名。判断IP属地的方式也基本一致,新浪微

吉利几何EX3功夫牛高居榜首,4月投诉量230起

近日,车质网发布了2022年4月车型投诉排行八卦(前30名),其中有不少产品的出现属实让人没想到。具体来看,吉利几何EX3功夫牛高居榜首,4月

“说好了未达到目标全额退款,结果都是骗人的!”

春天不减肥,夏天徒伤悲。一波减肥大军抱着坚定的信念踏上征途,发现身边各式各样的高端减肥训练营正打着健康减肥封闭管理保质保量包吃包住

龙芯中科胡伟武:自主又兼容夯实信息产业“三箭齐发”

龙芯中科董事长胡伟武在线上发表了关于LoongArch生态建设的演讲。胡伟武表示,指令系统是自主信息产业绕不过去的话题,我国不可能基于国外

锐龙55600G评测:台积电7nm工艺,6核心12线程

自从AMD推出Zen3架构的锐龙5000系列处理器后,在市面上大杀四方,不论是单核性能、多核性能还是游戏性能都远胜于Intel10代和11代酷睿,甚至

欧菲光:公司8P镜头项目已研发成功,目前处于试产阶段

曾经为苹果提供镜头模组的欧菲光今日在互动平台表示,公司团队历经多年技术攻坚,突破高端镜头技术壁垒,一亿像素7P光学镜头已量产,长焦镜

支付宝:处置69375个违规账号和参与“跑分”的账号

4月19日下午,支付宝安全中心官方发布了 关于持续打击电信网络诈骗、租售账号等违规行为的公告 。为保障用户账户安全,营造清澈、安全的