Wi-Fi 和 4G / 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是我們上網(wǎng)時最常用的兩種接入方式。
這兩種接入方式，平時在上網(wǎng)時似乎沒感覺到有什么區(qū)別。然而，它們卻是完全不同的設(shè)計哲學(xué)。
蜂窩網(wǎng)絡(luò)以基站為小區(qū)中心，基站承擔了小區(qū)的中央控制、用戶授權(quán)和調(diào)度。
以 5G 為例，基站在每個幀中廣播同步信號塊 SSB。SSB 包含了小區(qū)的 PCI（物理小區(qū)標識）、基站的同步時間信息、空口信息、接入控制等參數(shù)。
手機在確認同步信號后，通過隨機接入信道 PRACH，發(fā)送接入前導(dǎo)序列 Preamble，以此獲取基站授權(quán)接入。不同的用戶，采用不同的 ZC 正交序列來區(qū)分。
在接入后，無線信道分配好上下行時隙（這里特指 TDD 網(wǎng)絡(luò)），基站和所有終端都在固定的時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這種設(shè)計理念以基站作為小區(qū)中心，采用中心規(guī)劃的設(shè)計哲學(xué)。
而 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)則不同。
Wi-Fi 在設(shè)計時，將 AP 接入點（這里 AP 的功能等同于 5G 中的基站）和用戶終端放在同等的位置考慮。基于 802.11 協(xié)議的 AP 和終端，采用了載波偵聽多路訪問 / 碰撞避免（CSMA / CA）的方式，來平等競爭占用無線信道。
AP 和終端、終端與終端之間，在接入網(wǎng)絡(luò)時先進行無線信道偵聽。在確保信道沒被占用的情況下，接入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備之間并不分層級，而是采用自協(xié)調(diào)競爭接入的模式，訪問網(wǎng)絡(luò)。
從某種意義上，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是一種去中心化的設(shè)計哲學(xué)。
這兩種設(shè)計哲學(xué)，各有千秋。
蜂窩網(wǎng)絡(luò)考慮的側(cè)重點，是多設(shè)備接入時的容量和效率。而 Wi-Fi，由于其使用非授權(quán)頻譜以及成本上考量，設(shè)計時更加側(cè)重于抗干擾、低成本等特性。
兩種方案都能讓信道得到充分的利用。參考 Aruba Networks 發(fā)布的測試結(jié)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 5Mbps / 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
█ 接入過程與漫游
那么，沒有中心控制的 Wi-Fi，具體是怎么協(xié)作接入的呢？
首先第一步，是尋找 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。
由于 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中 AP 沒有廣播功能，終端是不可能預(yù)先知道是否有可用的網(wǎng)絡(luò)資源以及 AP 參數(shù)的。
這里，終端采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，發(fā)送一系列探針序列，然后等待 AP 回應(yīng)。
如果 20ms 后 AP 沒有回應(yīng)的話，終端將切換到下一個 20MHz 頻道，重復(fù)上述動作，直到收到 AP 的回應(yīng)，確認 AP 的工作頻段和接入?yún)?shù)才能接入網(wǎng)絡(luò)。
圖 2 手機進行主動掃探針搜尋信道過程
寫到這里，你可能會想到，如果室內(nèi)有多個 Wi-Fi AP，當用戶在移動，終端從一個 AP 切換到另一個 AP 時，還要重復(fù)上述的 AP 搜尋過程嗎？
每個頻道 20ms，搜索一圈信道下來，需要較長時間，連接豈不是會中斷？那還怎么確保視頻會議或者微信語音的通信質(zhì)量呢？
現(xiàn)在的辦公室甚至現(xiàn)在很多家庭無線局域網(wǎng)，都會采用多 AP mesh 組網(wǎng)的方式，來提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。
如果每次終端切換 AP 時，都重新做上述的主動探針搜尋信道過程，將是會非常低效的。好在 802.11 工作組考慮到了小區(qū)切換的問題，在 802.11k 中開發(fā)了“鄰居報告”的協(xié)議。
設(shè)備在接入 AP 后，該 AP 會將其附近 AP 的 BSSID 和頻道信息發(fā)送給用戶。這樣一來，用戶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(jié)省了切換時間，保證通信不出現(xiàn)中斷。二來是給用戶設(shè)備省電，設(shè)備不再需要發(fā)送一個個探針。第三，就是無線信道也得到了更加有效的利用，AP 不需要頻繁占用無線信道來不斷回應(yīng)終端的請求。
圖 3 AP 通過 802.11k 協(xié)議回應(yīng)終端設(shè)備其鄰近 AP 的信息
█ 自我協(xié)調(diào)，信道競爭接入，避免沖突
接入網(wǎng)絡(luò)后，AP 和終端們便開始競爭無線信道的使用。
在 Wi-Fi 系統(tǒng)中，終端和 AP 的空口時間統(tǒng)一被分為空閑（Idle）和機會發(fā)送（TXOP）時段。沒有數(shù)據(jù)時，設(shè)備屬于空閑期，不會發(fā)送任何信息。
當設(shè)備收到數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，設(shè)備開始進入爭奪無線信道的“仲裁”（Arbitration）過程。沒有中央調(diào)度器，所有設(shè)備按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級采用“公平競爭”模式來贏得信道仲裁。贏得信道的設(shè)備，將會得到 6ms 的機會發(fā)送窗，然后進入下一個仲裁期。
圖 4 802.11 中的空口時間分配
進入仲裁過程的 Wi-Fi 設(shè)備，首先開啟信道偵聽模式，RF 接收機對無線信道中的 802.11 信號進行監(jiān)測（Signal Detection）。如果偵聽到的信號強度低于其 SD 閾值（以下圖思科的方案為例，閾值為-82dBm）時，設(shè)備判定目前信道沒有其他 Wi-Fi 設(shè)備在使用。
由于 Wi-Fi 使用的頻段屬于免授權(quán)頻段，需要與非 802.11 設(shè)備共享使用，比如藍牙，遙控器，微波爐等等。那么，在判斷信道占用情況時，不僅僅需要能對自身 802.11 協(xié)議的信號進行監(jiān)測，還需要對不明通信協(xié)議的功率進行檢測。
這里就引出了第二個檢測機制 —— 能量檢測（Energy Detection）。
ED 的作用，是判斷無線信道沒有被其他非 Wi-Fi 設(shè)備占用，防止發(fā)送的有用 Wi-Fi 信號被淹沒在噪聲中，通常 ED 的門限比 SD 高 20dB。
圖 5 思科無線設(shè)備的 SD，ED 設(shè)定
細心的用戶可能會發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下，視頻通話時經(jīng)常有能聽到聲音但圖像被卡住的現(xiàn)象。這其實是 Wi-Fi 的一種發(fā)送優(yōu)化措施，用于保障最基本的服務(wù)。
Wi-Fi 將數(shù)據(jù)分為四種不同的優(yōu)先級，從上到下分別為語音（VO），視頻（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，發(fā)送優(yōu)先級越高。
在 AIFS 時間結(jié)束之后，設(shè)備便進入了競爭窗口（CW），設(shè)備開始偵聽無線信道，同時開始倒計時準備發(fā)送。
當 CW 倒計時結(jié)束時，如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正在占用，設(shè)備便自動進入下一個仲裁期。如果設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道處于空閑狀態(tài)，便開始占用信道，發(fā)送數(shù)據(jù)。
下圖這個例子，在第一個仲裁期中，IPad 的 CW 時間最短，競爭信道成功，獲得了發(fā)送權(quán)。在 IPad 數(shù)據(jù)發(fā)送后，一輪新的仲裁開始，手機在 CW 結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)信道沒有被占用，獲得了發(fā)送權(quán)。最終，無線 AP 贏得了第三輪仲裁，獲得發(fā)送權(quán)。
圖 6 多設(shè)備信道競爭過程
讀到這里，你可能會發(fā)現(xiàn)，這個競爭過程在設(shè)備增多的情況下，效率會明顯降低，每個設(shè)備的等待發(fā)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 設(shè)備多的公共環(huán)境，比如商場、學(xué)校中，經(jīng)常需要等待很長時間，才能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
那么，很有可能是網(wǎng)絡(luò)還沒有升級到最新的 Wi-Fi 6。
Wi-Fi 6 可以說是 Wi-Fi 行業(yè)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設(shè)備下網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題呢？我會在下一期的文章中給大家一一道來。
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