涨知识了！Wi-Fi背后的原理揭秘

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。

两种接入方式在上网的时候通常似乎感觉不到什么区别可是，它们是完全不同的设计理念

蜂窝网络以基站为小区中心，基站承担小区的中心控制，用户授权和调度。

以5G为例，基站在每帧广播同步信号块SSBSSB包括小区的PCI，基站的同步时间信息，空中接口信息，接入控制等参数

手机确认同步信号后，通过随机接入信道PRACH发送接入前导序列Preamble，从而获得基站的授权接入不同的用户由不同的ZC正交序列来区分

接入后，为无线信道分配上行和下行时隙，基站和所有终端在固定时间内发送或接收数据这种设计理念以基站为社区中心，采用中心规划的设计理念

Wi—Fi网络则不同。

Wi—Fi的设计是AP接入点和用户终端在同一个位置基于802.11协议，AP和终端采用载波侦听多路访问/冲突避免来平等地竞争无线信道

和终端到终端，在接入网络时首先执行无线信道侦听在不占用信道的情况下接入网络设备之间没有等级之分，而是采用自协调竞争接入的方式接入网络

从某种意义上说，Wi—Fi网络是一种去中心化的设计理念。

这两种设计理念各有千秋。

蜂窝网络考虑的焦点是多设备接入的容量和效率而Wi—Fi由于使用免授权频谱和成本考虑，设计上更强调抗干扰和低成本

两种方案都能充分利用信道根据Aruba Networks公布的测试结果，LTE和Wi—Fi 6在MAC层面的频谱效率非常接近，在单流和256QAM的情况下，LTE和Wi—Fi 6的频谱效率可以达到5Mbps/Hz以上

图LTE和Wi—Fi的频谱效率比较

接入过程和漫游

那么，没有中控的Wi—Fi如何在合作中接入呢。

第一步是找到一个无线网络。

由于Wi—Fi网络中的AP没有广播功能，终端不可能提前知道是否有可用的网络资源和AP参数。

这里，终端使用一个主动探针来发出请求。

终端将在Wi—Fi的第一个20MHz信道上发送一系列探测序列，然后等待AP响应。

如果AP在20ms后没有响应，终端将切换到下一个20MHz信道，重复上述动作，直到收到AP的响应，确认AP的工作频段和接入参数后，再接入网络。

图2手机主动扫描探头搜索频道的过程

写到这里，你可能会想，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，是不是也要重复上述的AP搜索过程。

现在很多办公室甚至很多家庭无线局域网都会采用多AP mesh组网来提高网络覆盖性能。

如果每次终端切换AP时都重复上述主动探测信道搜索过程，将会非常低效幸运的是，802.11工作组考虑了小区切换的问题，并在802.11k中开发了邻居报告协议

设备接入AP后，AP会向用户发送其附近AP的BSSID和信道信息这样，当用户需要切换到另一个AP时，就不用再扫描频道了

这样做的好处是，第一，大大节省了切换时间，通信不中断二是为用户设备省电，设备不再需要发送探针第三，更有效地使用无线信道，AP不需要频繁地占用无线信道来持续响应终端的请求

图3 AP通过802.11k协议响应终端设备的邻AP信息。

自协调，通道接入竞争和冲突避免

接入网络后，AP和终端开始争夺无线信道的使用权。

在Wi—Fi系统中，终端和AP的空中接口时间分为空闲和TXOP时段没有数据时，设备处于空闲状态，不会发送任何信息

当设备接收到数据传输请求时，它开始进入竞争无线信道的仲裁过程没有中央调度器，所有设备都采用公平竞争模式，根据数据优先级赢得信道仲裁赢得信道的设备将获得一个6ms的传输窗口，然后进入下一个仲裁周期

4图802.11中的空中接口时间分配

进入仲裁过程的Wi—Fi设备首先启动信道监听模式，射频接收机监听无线信道中的802.11信号如果检测到的信号强度低于其SD阈值，则设备确定当前信道中没有其他正在使用的Wi—Fi设备

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，如蓝牙，遥控器，微波炉等那么在判断信道占用情况时，不仅要监测自身802.11协议的信号，还要检测未知通信协议的功率

这就引出了第二种检测机制——能量检测。

ED的作用是判断无线信道没有被其他非Wi—Fi设备占用，防止传输的有用Wi—Fi信号淹没在噪音中通常，ED的阈值比SD的阈值高20dB

图5思科无线设备的标清，增清设置

细心的用户可能会发现，在网络环境不好的时候，视频通话往往能听到声音但图像卡顿其实这是Wi—Fi的一种传输优化措施，用来保证最基本的服务

Wi—Fi将数据分为四种不同的优先级，从上到下依次为:语音，视频，尽力而为和背景在每个级别，将附加不同的AIFS值AIFS值越低，发送优先级越高

AIFS时间结束后，设备进入竞争窗口，开始监听无线信道，并开始倒计时准备传输。

当CW倒计时结束时，如果设备发现通道被占用，将自动进入下一个仲裁周期如果设备发现信道空闲，它就开始占用信道并发送数据

下面这个例子，在第一个仲裁期，IPad的CW时间最短，渠道竞争成功，获得了传播权IPad数据发出后，新一轮的仲裁开始了CW结束后，手机发现频道没有被占用，获得发送权最终，无线AP赢得了第三轮仲裁，获得了发送权

图6多设备渠道竞争流程

看完这个，你可能会发现，这个竞争过程的效率会伴随着设备的增多而明显下降，每台设备的等待时间会长很多。

在实践中，您可能还会注意到，在有许多Wi—Fi设备的公共环境中，如商场和学校，通常需要等待很长时间才能发送或接收数据。

那么，很可能是网络没有升级到最新的Wi—Fi 6。

Wi—Fi 6可以说是近十年来Wi—Fi行业最大的创新Wi—Fi 6用哪些新功能解决了多设备网络拥堵的问题下一篇文章我会给你一个