WIFI6特性分析

特性介绍

  wifi6作为全新一代wifi协议，提供了更快速度，信道利用率更高，抗干扰能力更强，更高的频宽，更好的待机表现。下边是对比wifi 4 5 6三代特性的区别:

  OFDMA:正交多频分址，提升物理媒介的并发通信能力。

  MU-MINO：多用户上传下载，提升多用处场景wifi速率

  160MHZ:拓展频段宽度

  TWT:休眠唤醒机制,更好的节电管理能力

  1024-QAM:数据编码强度提升为1024，提升吞吐量

  transmit beamforming: 提升信号边界的信号强度

OFDMA：wifi6为什么延迟更低？

  早期wifi采用的是DSSS调制方式，在2.4G-20MHZ频段下划分14个频段，随着2.4G频段的通信协议逐渐拥，802.11a开启了5G频谱，后引入了OFDM调制方式。OFDM主要的优势在于可以有效的对抗频率选择性衰落以及干扰。但是随着wifi的广泛应用，OFDM调制方案对于信道的独占模式制约了信道的利用率，即：同一时间只有一个设备可以接入频段内。这对于多设备连接且只有少量数据的场景并不友好。随着5G时代的开启，OFDMA技术被应用到802.11ax标准中.

  在wifi5的OFDM方案中，20M频宽可以被划分成64个子载波，其中52个用于数据传输，4个用于导频，8个null子载波用于避免ICI。在wifi的OFDMA中，20M频宽可以划分为256个子载波。其中每26个子载波为一个传输单元RU，26个子载波中24个用于数据传输，2个用于做相位同步，这也是每个设备的可以被分配的最小的传输单元。

  也就是说，20M最多可以分为9个RU，供9个设备同时做数据传输。这大大降低了多设备接入同一AP后，由于无线介质竞争导致的延迟。（题外话:在一个BSS下，如果wifi5和wifi6的设备混合接入，是不是wifi5的设备某种程度上就成了搅屎棍？）理想状态下，如果只有一个设备接入，那么此设备就占据整个频宽(9个RU的宽度)，3个设备就每人分配各3个RU的宽度。

  OMI:动态分配RU的控制方案

  传统的802.11a/b/g/n/ac终端想要传输上行数据时（比如进行TXOP传输），其必须通过竞争。在802.11ax中，终端的上行接入机会是可以被AP进行同步和控制的。那么这里常被问的一个问题，即“802.11ax终端能不能不参与一个OFDMA的上行传输，而做为一个独立终端竞争信道，并进行单独的上行传输? ”

  802.11ax为此目的定义了操作模式指示（OMI）过程，802.11ax通过OMI机制完成传输模式的切换。

  802.11ax终端使用802.11数据使用OM控制字段（OM Control Subfield，其通常位于数据或者管理帧中），其用来指示改变AP的发送或者接收模式。802.11ax终端可以通过发送TOM信息（Transmit Operating Mode）给AP，从而在单用户或多用户UL-OFDMA之间切换。若多用户模式，即根据AP控制进行UL-OFDMA传输，若单用户模式，那么终端就自行竞争，并执行单用户的数据传输。802.11ax的终端可以在上行OFDMA传输期间（UL-OFDMA），暂停并且恢复对AP发送的触发帧（Trigger Frames）反馈。

MU-MINO

  MU-MIMO是基于多天线技术的，这个技术的物理层是多天线技术。多天线可以实现多种技术，不仅仅是MU-MIMO，还包含CSD、STBC、TxBF(波束成型)、SDM(空分复用).

  CSD

  STBC

  通过多根天线发送同一数据的多份拷贝，提高数据传输的可靠性。数据流通过无线传输时，可能因干扰或信号衰减导致部分数据丢失，而通过在多根天线发送同一数据流的不同拷贝，接收端可将不同拷贝整合成一份最优的数据流，使无线信号的传输更加稳定，并能够满足更远距离的无线传输。

  TXBF

  波束成型用于将全向辐射信号变为定向发送信号并提供更高的能量，这一技术并不能让信号发的更远，但是可以改善有效距离内的传输性能。

  形成一个波束的基本原理是利用多波干扰的性质。

  如果多波之间的干扰为同相干扰，则波之间的相互作用会使得幅度增加，属于建设性干涉；

  但是如果多波之间的干扰为反相干扰，则波之间的干扰会使得幅度消减，属于破坏性干涉。

  如果多波在2D或3D空间传播，则所产生的干扰将展示一个特定的pattern，即在空间的某些部分表现为建设性干扰，而在空间的另一部分表现在破坏性干涉。

  建设性干涉的部分形成了一个指向特定方向的波束。这里举个简单的例子，水中的两个波浪如果正向相撞那么理论上可能存在消失，这叫做空间空洞；反之，如果两个波浪以一个特定的角度一起向前组合在一起，那么会变成一个更大的波浪。

  SDM

1024QAM:部分设备在wifi6中已经开始支持4096QAM了

  1024QAM对比上代256QAM，单个信号表达长度由8bit->10bit, 单条流的吞吐量增加了25%。

  下图为16QAM的星座图，单信号最大长度为4bit

  对比1024QAM星座图，单信号最大长度为10bit，下图给出直观的对比

简单来说如果需要用信号表示数字512，那么16QAM需要32个信号，1024QAM仅需要一个信号就可以表示完成。纵观历代QAM进化过程，都是以4为倍数递增，这是因为QAM采用振幅和相位结合起来，使振幅和相位都携带数据的方式，那么空间来看被分为4份，所以数据密度是四块同步增加。

BSS color：wifi6为什么抗干扰效果更好

  BSS Coloring是最初在802.11ah中引入的一种机制，用于为每个BSS分配不同的“颜色”。该技术目的是增加在密集环境中，无线网络的系统容量，增加BSS之间的频率重用。然而，当前的802.11的MAC层机制，其会导致一个BSS的设备会被同频道的另一个BSS影响，无法同时进行传输，从而对于网络容量没有提升。所以引入CCA机制调整对干扰的判定。

  CCA动态调整门限

  802.11协议中CCA侦听信到状态可以分为载波监听和能量检测。CCA通过动态的调整信号门限强度来改善同频干扰。

  能量检测:采用硬件积分能量识别数据包的能量，包含（蓝牙，微波等）。一般设定阈值为-62

  载波侦听：通过检测数据包的preamble来识别数据包的起始边界，确认信号强度。一般设定阈值为-82

  以上两种方式中，任意一种检测出的信号大于门限值即判定信道忙。

  在802.11ax中，能量检测和载波监听的阈值不再像以前的协议版本一样是不变的，

1. 如果终端比较近，就可以提高CCA的门限，不受哪些弱信号的影响，如上图，对于AP2来说，STA2离AP2的距离比较近，所以可以把CCA的阈值调整到-72dBm；

2. 这样做对于AP2及下面的STA来说，确实可以提升空口的利用效率（之前不能发包，现在可以发了），但是对于AP1及下面的STA来说，未必就是好事，原来AP1和STA1发着包，现在AP2也同时发了，就引发了冲突，所以要使这个技能显著提升整体吞吐，还需要结合动态功率控制才能更好发挥。

3. 对于wifi6的特性而言，beamforming会将信号定向发送，可以减弱全向信号的干扰。

着色技术

  BSS Coloring，是用于识别重叠基本服务集（OBSS）的方法。 其最先是在802.11ah-2016修正案中定义，现在也沿用到了802.11ax中。 BSS Coloring是一个字段，标识了BSS的ID。当多个无线终端在同一信道上传输时，802.11ax无线电能够使用BSS Coloring字段区分BSS。

  BSS Coloring的信息是同时被添加在PHY层和MAC层中的。在802.11ax PHY头部的Preamble中，其SIG-A字段包含6个Bit的BSS Coloring信息字段。该字段可以识别多达63个BSS。

  对于sta2而言检测到AP1的信号为红色，AP2的信号为绿色，那么确定当前仅存在非相同BSS的干扰，可以继续发送数据。如果STA2检测到同样为红色的STA1的信号，那么暂定发送，等待STA1发送完毕。(这里说一下，由于采用了OFDMA+MU-mino，一般sta1和sta2可以和平共处)

  附：如果终端检测到颜色冲突，则该终端会向其关联的AP发送颜色冲突报告。如上图所示，AP-1无法听到AP-2，但AP-1的关联的终端STA2可以听到来自于AP2区域内，其他不同BSS Coloring的传输，从而向AP发送颜色冲突报告。终端向AP会报告其能够监听到的所有OBSS的BSS Coloring信息。当AP检测到颜色冲突后，其可以决定改变其BSS颜色.

  AP会通过Beacon告知所有关联在本BSS内部的节点，BSS Coloring的改变。BSS Coloring的改变还可以通过探测响应和重新关联响应帧中进行通知。

  6GHZ上的发现连接过程

  6GHZ支持带内发现和带外发现两种方式。带内发现减少了探测帧和请求帧的数量，提高6G频段的发现和连接效率；带外发现支持sta在不扫描6G频段的情况下通过AP广播的beacon中的信息就可以确认6GHZ频段的连接信息。

  带内发现

  wifi6e标准中，STA只能发送指定ssdi和bssid的probe来减少探测请求数量，并且STA收到了AP的probe rsp就不可以在针对此AP发送probe request；STA和AP都被限制20ms内只能发送一个(AP三个)指定ssid的probe rsp且AP的rsp必须为广播地址，这样所有改频段上的STA都可以收到该请求。

  wifi6E定义了优先新到扫描，每隔4个20MHZ频段扫描意思，快速发现AP。

  带外发现

  wifi引入RNR基数，支持AP在每个频段的beacon中都携带其它频段的信息，支持STA快速发现别的频段的设备。例如一个AP支持2.4G、5G、6G三个频段，那么在其5G广播的beacon中携带了2.4G和6G的信息。

  双载波技术DCM

  将同一数据在两条子载波上分别传输，接收端通过两个子载波的数据解调出同一份数据降低误码率。对于OFDMA技术中，AP会划分RU给不同的STA并制式哪个STA可以使用DCM技术传输。