咨讯息 · 2022年8月26日 0

涨科学知识了!无线网络-wifi另一面的基本原理详解

Wi-Fi和4G/5G蜂巢网络,是我们玩游戏时最常见的三种网络连接形式。

这三种网络连接形式,平常在玩游戏时似乎没感觉到有什么差别。然而,它们看似完全相同的结构设计神学

蜂巢网络以机房为住宅小区服务中心,机房分担了住宅小区的中央掌控、使用者许可和运维。

以5G为例,机房在每一帧中该台并行讯号块SSB。SSB包涵了住宅小区的PCI(力学住宅小区标记)、机房的并行天数重要信息、在技术上重要信息、网络连接掌控等模块。

手机在证实并行讯号后,通过乱数网络连接链路PRACH,推送网络连接或后字符串Preamble,以以获取机房许可网络连接。相同的使用者,选用相同的ZC共轭字符串来界定。我的当今世界

在网络连接后,有线链路重新分配好普速频带(这儿专指TDD网络),机房和所有终端产品都在一般来说的天数内展开数据推送或转交。这种结构设计经营理念以机房作为住宅小区服务中心,选用服务中心总体规划的结构设计神学。

而Wi-Fi网络则相同。

Wi-Fi在结构设计时,将AP网络连接点(这儿AP的功能等同5G中的机房)和使用者终端产品放到等同的边线权衡。如前所述802.11协定的AP和终端产品,选用了频带无线电通信分路出访/对撞防止(CSMA/CA)的形式,来公平市场竞争挤占有线链路。我的当今世界

AP和终端产品、终端产品与终端产品间,在网络连接网络塞伦丁省展开有线链路无线电通信。在保证链路没被挤占的情况下,网络连接网络。电子设备间并不分层次,而是选用自协同市场竞争网络连接的商业模式,出访网络。

从某种程度上,Wi-Fi网络是一种去服务虚拟化的结构设计神学

这三种结构设计神学,大同小异。

蜂巢网络权衡的侧重,是多电子设备网络连接时的耗电量和工作效率。而Wi-Fi,由于其使用非许可频带以及生产成本上权衡,结构设计时更加着重于火控、高工作效率等优点。我的当今世界

三种方案都能让链路得到充分的利用。参考Aruba Networks发布的测试结果可以看出,LTE和Wi-Fi 6在MAC层面的频带使用工作效率非常接近,单流、256QAM的情况下,都能到5bps/Hz以上的频带使用工作效率。

图 1 LTE与Wi-Fi在频带使用工作效率上的对比(勘误:图中Mbps应为bps)

网络连接过程与漫游

那么,没有服务中心掌控的Wi-Fi,具体是怎么协作网络连接的呢?我的当今世界

首先第一步,是寻找Wi-Fi网络。

由于Wi-Fi网络中AP没有该台功能,终端产品是不可能预先知道是否有可用的网络资源以及AP模块的。

这儿,终端产品选用了一种主动探针的形式来展开请求。

终端产品会在Wi-Fi的第一个20MHz频道上,推送一系列探针字符串,然后等待AP回应。

如果20ms后AP没有回应的话,终端产品将切换到下一个20MHz频道,重复上述动作,直到收到AP的回应,证实AP的工作频段和网络连接模块才能网络连接网络。我的当今世界

图 2 手机展开主动扫探针搜寻链路过程

写到这儿,你可能会想到,如果室内有多个Wi-Fi AP,当使用者在移动,终端产品从一个AP切换到另一个AP时,还要重复上述的AP搜寻过程吗?

现在的办公室甚至现在很多家庭有线局域网,都会选用多AP mesh组网的形式,来提高网络覆盖性能。我的当今世界

如果每次终端产品切换AP时,都重新做上述的主动探针搜寻链路过程,将是会非常低效的。好在802.11工作组权衡到了住宅小区切换的问题,在802.11k中开发了邻居报告的协定。

这样做的好处,一来是极大节省了切换天数,保证通信不出现中断。二来是给使用者电子设备省电,电子设备不再需要推送一个个探针。第三,就是有线链路也得到了更加有效的利用,AP不需要频繁挤占有线链路来不断回应终端产品的请求。我的当今世界

图 3 AP通过802.11k协定回应终端产品电子设备其邻近AP的重要信息

自我协同,链路市场竞争网络连接,防止冲突

网络连接网络后,AP和终端产品们便开始市场竞争有线链路的使用。

在Wi-Fi系统中,终端产品和AP的在技术上天数统一被分为空闲(Idle)和机会推送(TXOP)时段。没有数据时,电子设备属于空闲期,不会推送任何重要信息。我的当今世界

当电子设备收到数据推送请求时,电子设备开始进入争夺有线链路的仲裁(Arbitration)过程。没有中央运维器,所有电子设备按照数据优先级选用公平市场竞争商业模式来赢得链路仲裁。赢得链路的电子设备,将会得到6ms的机会推送窗,然后进入下一个仲裁期。

图 4 802.11中的在技术上天数重新分配

进入仲裁过程的Wi-Fi电子设备,首先开启链路无线电通信商业模式,RF转交机对有线链路中的802.11讯号展开监测(Signal Detection)。如果无线电通信到的讯号强度低于其SD阈值(以下图思科的方案为例,阈值为-82dBm)时,电子设备判定目前链路没有其他Wi-Fi电子设备在使用。我的当今世界

由于Wi-Fi使用的频段属于免许可频段,需要与非802.11电子设备共享使用,比如蓝牙,遥控器,微波炉等等。那么,在判断链路挤占情况时,不仅仅需要能对自身802.11协定的讯号展开监测,还需要对不明通信协定的功率展开检测。

这儿就引出了第二个检测机制——能量检测(Energy Detection)我的当今世界

ED的作用,是判断有线链路没有被其他非Wi-Fi电子设备挤占,防止推送的有用Wi-Fi讯号被淹没在噪声中,通常ED的门限比SD高20dB。

图 5 思科有线电子设备的SD,ED设定

在AIFS天数结束之后,电子设备便进入了市场竞争窗口(CW),电子设备开始无线电通信有线链路,同时开始倒计时准备推送。

当CW倒计时结束时,如果电子设备发现链路正在挤占,电子设备便自动进入下一个仲裁期。如果电子设备发现链路处于空闲状态,便开始挤占链路,推送数据。

下图这个例子,在第一个仲裁期中,IPad的CW天数最短,市场竞争链路成功,获得了推送权。在IPad数据推送后,一轮新的仲裁开始,手机在CW结束后,发现链路没有被挤占,获得了推送权。最终,有线AP赢得了第三轮仲裁,获得推送权。我的当今世界

图 6 多电子设备链路市场竞争过程

云主机、VPS、挂机宝、游戏服务器上永恒云

读到这儿,你可能会发现,这个市场竞争过程在电子设备增多的情况下,工作效率会明显降低,每一电子设备的等待推送天数将会变长很多。

实际体验中,你可能也注意到了,在Wi-Fi电子设备多的公共环境,比如商场、学校中,经常需要等待很长天数,才能推送或转交数据。我的当今世界

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是通过哪些新优点来解决多电子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)

参考文献

[1] Aruba Networks Blog – Understanding 802.11 medium contention.我的当今世界

[2] Cisco White Paper- IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi.

[3] Extreme Networks – The Road to AP discovery

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