涨知识了!Wi-Fi背后的原理揭秘!

原创 鲜枣课堂 2022-05-06 20:11
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5Mbps/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


█ 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。

参考文献
[1] Aruba Networks Blog – Understanding 802.11 medium contention.
[2] Cisco White Paper- IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi.
[3] Extreme Networks – The Road to AP discovery

鲜枣课堂 学通信,学5G,就上鲜枣课堂!
评论
  • 随着科技的飞速进步,智能家电已成为现代家庭生活中密不可分的一部分。不论是自行出动,清扫地板的扫地机器人、还是可提前准备食材清单的智能冰箱,或者是可自动调节洗衣程序的智能洗衣烘干机,这些智能家电装置正以前所未有的方式改变着我们的日常生活。除了上述提到的智能家电,还有更多你想象得到的便利装置,例如智能除湿机、空气清净机、净水器、智能风扇、语音助理及智能灯具等等。这些装置不仅为现代人的居家生活中带来了许多便利,让我们能够更轻松地管理家务,还可进一步提升生活质量,节省宝贵的时间和能源。正所谓「科技始终来
    百佳泰测试实验室 2024-12-26 16:37 30浏览
  • 本文介绍瑞芯微开发板/主板Android系统APK签名文件使用方法,触觉智能EVB3588开发板演示,搭载了瑞芯微RK3588芯片,各类接口一应俱全,帮助企业提高产品开发效率,缩短上市时间,降低成本和设计风险。系统签名文件生成APK系统签名文件,具体可参考此文章方法RK3588主板/开发板Android12系统APK签名文件生成方法,干货满满使用方法第一步,修改APK工程文件app/src/build.gradle,并添加以下内容: android {     na
    Industio_触觉智能 2024-12-26 09:20 81浏览
  • 在科技飞速发展的今天,汽车不再仅仅是一种交通工具,更是一个融合了先进技术的移动智能空间。汽车电子作为汽车产业与电子技术深度融合的产物,正以前所未有的速度推动着汽车行业的变革,为我们带来更加智能、安全、舒适的出行体验。汽车电子的发展历程汽车电子的发展可以追溯到上世纪中叶。早期,汽车电子主要应用于发动机点火系统和简单的电子仪表,功能相对单一。随着半导体技术的不断进步,集成电路被广泛应用于汽车领域,使得汽车电子系统的性能得到了显著提升。从电子燃油喷射系统到防抱死制动系统(ABS),从安全气囊到车载导航
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 11:53 30浏览
  • 全球照明技术创新领航者艾迈斯欧司朗,于2024年广州国际照明展览会同期,举办【智慧之光】· 艾迈斯欧司朗-照明应用研讨会,以持续的技术创新,推动光+概念的全面落地。现场还演示了多款领先照明技术,且由资深工程师倾情解读,另有行业大咖深度洞察分享,助你开启“光的无限可能”探索之旅!精彩大咖分享引领未来照明无限遐想艾迈斯欧司朗精心准备了照明领域专业大咖的深度分享,无论是照明领域的资深从业者,还是对照明科技充满好奇的探索者,在这里,您都将大有所获。在艾迈斯欧司朗照明全球产品市场VP Geral
    艾迈斯欧司朗 2024-12-25 20:05 66浏览
  • 今年AI技术的话题不断,随着相关应用服务的陆续推出,AI的趋势已经是一个明确的趋势及方向,这也连带使得AI服务器的出货量开始加速成长。AI服务器因为有着极高的运算效能,伴随而来的即是大量的热能产生,因此散热效能便成为一个格外重要的议题。其实不只AI服务器有着散热的问题,随着Intel及AMD 的CPU规格也不断地在提升,非AI应用的服务器的散热问题也是不容小觑的潜在问题。即便如此,由于目前的液冷技术仍有许多待克服的地方,例如像是建置成本昂贵,机壳、轨道、水路、数据中心等项目都得重新设计来过,维修
    百佳泰测试实验室 2024-12-26 16:33 98浏览
  • 新能源汽车市场潮起潮落,只有潮水退去,才能看清谁在裸泳。十年前,一批新能源汽车新势力带着创新的理念和先进的技术,如雨后春笋般涌入中国汽车市场,掀起一场新旧势力的角逐。经历市场的激烈洗礼与投资泡沫的挤压,蔚来、理想、小鹏等新势力车企脱颖而出,刷爆网络。不曾想,今年新势力车企杀出一匹“超级黑马”,爬上新势力车企销量榜前三,将蔚来、小鹏等昔日强者甩在了身后,它就是零跑汽车。公开数据显示,11月份,零跑汽车实现新车交付量约4.02万辆,同比增长117%,单月销量首次突破4万辆;小鹏汽车当月共交付新车约3
    刘旷 2024-12-26 10:53 153浏览
  • 发明阶段(20世纪80年代至90年代)起源:当时ASIC设计成本高,周期长,流片失败率高,业界需要一种通用的半导体器件进行流片前测试和验证,可编程逻辑器件就此产生。诞生:1980年,Xilinx公司成立。1985年,Ross Freeman制造了第一片PFGA芯片XC2064,采用4输入,1输出的LUT和FF结合的基本逻辑单元。发展阶段(1992年至1999年)容量提升:FPGA容量不断上涨,芯片面积逐渐增大,为架构穿心提供空间,复杂功能可以实现。布线问题凸显:缩着芯片复杂度增加,片上资源的互连
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 10:26 48浏览
  • 本文介绍瑞芯微RK3588主板/开发板Android12系统下,APK签名文件生成方法。触觉智能EVB3588开发板演示,搭载了瑞芯微RK3588芯片,该开发板是核心板加底板设计,音视频接口、通信接口等各类接口一应俱全,可帮助企业提高产品开发效率,缩短上市时间,降低成本和设计风险。工具准备下载Keytool-ImportKeyPair工具在源码:build/target/product/security/系统初始签名文件目录中,将以下三个文件拷贝出来:platform.pem;platform.
    Industio_触觉智能 2024-12-26 09:19 112浏览
  • 施密特触发器光耦施密特触发器光耦(Schmitt Trigger Optocoupler)是一种将光耦和施密特触发器电路相结合的电子元件。它不仅具备光耦的电气隔离功能,还具备施密特触发器的噪声抑制和信号整形能力。施密特触发器光耦的详细结构LED部分:LED是由半导体材料制成的,通常封装在一个透明的塑料或玻璃外壳中。其主要功能是在输入端电流流过时产生光信号。光接收器部分:光接收器通常是一个光敏晶体管或光敏二极管,其基区(或PN结)对光信号敏感。当接收到来自LED的光信号时,光接收器产生一个与光强度
    晶台光耦 2024-12-26 17:19 28浏览
  •       在科技日新月异的今天,智能手机已不再仅仅是通讯工具,它更成为了我们娱乐、学习、工作的核心设备。特别是在游戏体验方面,用户对于手机的性能要求愈发严苛,追求极致流畅与沉浸感。正是基于这样的市场需求,一加品牌于2024年12月26日正式推出了其最新的游戏性能旗舰——一加 Ace 5系列,包括一加 Ace 5与一加 Ace 5 Pro两款力作。这一系列深度聚焦于性能与游戏体验,旨在为用户带来前所未有的游戏盛宴。骁龙8系旗舰平台,性能跃升新高度
    科技财经汇 2024-12-26 22:31 47浏览
  • 近日,紫光展锐正式推出基于RTOS系统的旗舰产品W337,它拥有丰富特性和超低功耗,进一步壮大紫光展锐的智能穿戴产品组合,面向中高端和广阔的智能穿戴市场,提供先进的技术解决方案。  性能卓越,成就强悍RTOS穿戴芯 双核CPU架构:紫光展锐W337基于RTOS系统首创双核CPU架构,可根据系统的负载情况动态调整功耗,当系统负载较低时,降低一个或两个核心的频率和电压。由于有两个核心分担负载,每个核心的发热相对较低,进一步降低了系统整体的散热需求。双核架构更好地实现了负
    紫光展锐 2024-12-26 18:13 39浏览
  • 在谐振器(无源晶振)S&A250B测试软件中,DLD1到DLD7主要用于分析晶体在不同驱动功率下的阻抗变化。此外,还有其他DLD参数用于反映晶振的磁滞现象,以及其频率和功率特性。这些参数可以帮助工程师全面了解KOAN晶振在不同功率条件下的动态特性,从而优化其应用和性能。磁滞现象晶振的磁滞现象(Hysteresis)是指在驱动功率变化时,晶体的阻抗或频率无法立即恢复至初始状态,而表现出滞后效应。1. DLDH: Hysteresis Ratio (MaxR/MinR)在不同驱动
    koan-xtal 2024-12-26 12:41 103浏览
  • 起源与基础20 世纪 60 年代:可编程逻辑设备(PLD)的概念出现,一种被称为 “重构能力” 的芯片的可编程性吸引了许多工程师和学者。20 世纪 70 年代:最早的可编程逻辑器件 PLD 诞生,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,它的硬件结构设计可由软件完成,设计比纯硬件的数字电路更灵活,但结构简单,只能实现小规模电路。诞生与发展20 世纪 80 年代中期:为弥补 PLD 只能设计小规模电路的缺陷,复杂可编程逻辑器件 CPLD 被推出,它具有更复杂的结构,能够实现较大规模的电路设计。1988 年:
    Jeffreyzhang123 2024-12-27 10:41 37浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦