为了解决网络拥塞，WiFi6采用了哪些黑科技

　　在上一期的文章中，我给大家介绍了WiFi的信道竞争接入原理。WiFi设备的接入，核心就在于载波侦听多路访问碰撞避免（CSMACA）。
　　这个先听后说的机制，从1997年的第一代WiFi（802。11）就开始使用。然而，20多年前的无线网络设备很少，没有人会去考虑，当设备增多时，竞争入网带来的网络拥塞问题。
　　WiFi的真正普及，是从2008年的WiFi4（802。11n）开始。可以说，从那时起，WiFi真正成为家庭和企业互联网接入最常见的方式。支持WiFi的设备型号数量，也成指数上升。
　　如今，WiFi设备在我们的生活中无处不在。随便打开家里的无线路由管理界面，可能就有不下10个WiFi设备同时在线。
　　设备数量的增加，导致了网络拥塞、性能下降、延时升高等问题。这些问题在WiFi5（802。11ac）时代变得愈加严重。所以，在设计WiFi6（802。11ax）时，专家们专门针对网络拥塞问题进行了改进和创新。
　　那么，WiFi6是通过哪些新技术来提高无线信道容量的呢？正交频分多址OFDMA
　　熟悉WiFi的朋友们应该知道，WiFi的空口采用了正交频分复用（OFDM）的调制方式，即整个带宽由相互正交的子载波组成。
　　在WiFi6中，802。11工作小组从LTE上引入了OFDMA的接入方式。就多了这么一个A字，可以说是给网络容量带来了质变。
　　如下面左边图所示，基于WiFi5的OFDM在任意一个时段，频道中的所有带宽只能分配给一个用户，哪怕这个用户的数据需求并不需要占用到全部带宽。
　　而其他用户接入网络时，需要等待下一个发送机会窗口（TXOP）。这在信道资源的使用上，是非常低效的，尤其是设备显著增多时。
　　图1OFDM与OFDMA对比
　　OFDMA改变了这一点。OFDMA通过将子载波组成一个个资源单元（RU）的方式，频道可以把瞬时带宽动态划分给不同的用户。
　　比如上图右边这张图中，第一个TXOP分配给了用户0和用户1，第二个OP全部分给了用户2，接着第三个TXOP中，资源被平均分配给了四位用户。
　　OFDMA一下子提高了瞬时支持的用户数量。
　　以下图的20MHz带宽为例，经过子载波分配，20MHz可以最多支持9个设备同时接入，40MHz则可以支持18个设备，以此类推。
　　图2采用OFDMA的20MHz下可用的资源单元数量
　　（WiFi6中每个子载波是78。125khz，20MHz就是256个子载波。6Edge表示距离边缘有6个子载波作为保护带。）
　　可以说，OFDMA对WiFi信道的容量带来了质变。BSScoloring
　　在过去的WiFi技术中，小区间同频干扰（CoChannelInterference，CCI）是影响信道容量的另一个重要因素。
　　上篇文章提到，CSMACA的核心是采用先听后说（listenbeforetalk，LBT），设备先对无线信道进行监听，在确保没有被占用的情况下，发送数据。
　　在多APmesh组网（AP，AccessPoint，无线接入点）的情况下，小区内的设备会收听到临近同频道的小区的干扰信号，导致设备会误认为本小区此时的无线信道正在被占用，于是停止发送。
　　这种干扰，在网络没有优化好或者可用的频道数量很少的情况下，会显著降低网络容量。
　　如下图所示，4个WiFiAP采用了三频道组网。但由于可用的频道只有三个，AP1和AP2不得不都部署在同样的频道Channel6上，这时AP2的信号对于归属于AP1中的用户设备来说就是干扰OverlappedBasicServiceSet（OBSS，重叠基本服务单元，可以理解为频率相同的重叠小区）。
　　图3三频组网下的同频道干扰场景
　　当用户设备与AP1进行通信时，由于设备收到同频的AP2的干扰信号，用户设备会误认为AP1的小区此时正在被小区内其他设备占用，于是等待下一个时间段发送。这么一来，网络性能就降低了。
　　不仅仅是多小区组网，这种干扰问题也会出现在WiFiAP很靠近的情况下。比如你家中虽然只有一台无线AP，但如果隔壁邻居也有AP跟你部署在一样的频道上，CCI也会导致你的设备接入成功率下降。
　　可悲的是，大多数厂商在设备出厂时，都将WiFiAP的默认频道放在第一个频道上。这样的话，干扰问题就更严重了。如果你发现这种问题，不妨更改一下家里WiFiAP的频道，这样会明显减少干扰，提升网速。
　　WiFi6的解决方案，是通过在MAC层引入了BSSColoring（小区颜色编码）技术，来区分本小区和干扰小区。也就是说，在同频道工作，存在相互干扰的AP，会附上不同的颜色码，加以区分。
　　当用户设备收到AP信号后，会对比其收到的颜色与目前关联的AP颜色是否一致。颜色一致时，用户才会认为信号是本小区内信号。
　　如果收到的信号的颜色与关联的AP颜色不同，用户判定该信号属于干扰信号。如下图所示，由于采用了不同颜色码，绿色小区的频道1不再受到临近小区频道1（蓝色和红色）的干扰。
　　图4WiFi6中的BSSColoring技术
　　看到这里你可能要问，就算标了色，但干扰信号还是会收到啊，怎么解决干扰呢？
　　上篇文章我们说过，WiFi中的先听后说，分两个检测门限，分别检测信号功率（SD）和信道能量（ED）。这两个门限在以往的WiFi技术标准和设备中，是固定的，无法有效区分是本小区的信号还是临近小区的信号（下图左边）。
　　图5差异化信号检测门限和动态调整
　　WiFi6采用了差异化检测门限，给不同颜色码的小区分配不同的检测门限（上图右边）。
　　具体的方法是，将使用同频道的干扰小区信号检测门限升高，同时把同色的本小区内信号检测门限降低。通常周边小区的干扰信号由于传播衰减，信号强度会较低，不会超过相对较高幅度的检测门限。而本小区内信号用较低的检测，有助于提高检测灵敏度。
　　通过这种差异化的门限检测，信道就不会被误判为被占用，从而提高了信道容量。
　　信号检测门限同时可以随着网络环境进行动态调整，可以说是一种自感知网络的实现形式。多用户协调，多进多出（MUMIMO）
　　单用户多路输入输出（SUMIMO），从WiFi5开始被引入。AP和终端使用多路天线来发送和接收，多路天线使用同频但彼此正交的信号来提高信道使用率。
　　手机一般会用两根WiFi天线，支持2x2MIMO两路发送和接收。
　　AP由于不受体积和电源限制，可以做到4甚至8根天线。MUMIMO中的MU指的是多用户（MultipleUsers），一个AP使用同样的信道来服务多个不同用户，每路用户分配12根天线，每根天线之间信号正交，互不干扰。
　　图6AP使用MUMIMO来复用信道
　　WiFi5虽然在wave2的标准更新中增加了下行MUMIMO，但大多数厂商并没有在设备上去实现MUMIMO功能。
　　在WiFi6时代，MUMIMO终于得到了应用，并被扩展到了上行，即多终端设备不仅可以同时接收，也可以利用相同信道同时向AP发送数据。
　　有了MUMIMO和OFDMA，那么自然就会想到：如果AP能够协调其服务的多用户同时对信道进行访问，而不是一个个独立来竞争请求的话，信道使用率还会提高。
　　如下图所示，AP通过发送一个触发信号，来同步需要接入的4位用户的开始发送和结束时间。四位用户不再相互竞争信道资源，而是采用MUMIMO或者OFDMA的方式，与AP进行通信。
　　图7WiFi6的多路收发协调功能结语
　　WiFi6，是WiFi历史上最重要的一次更新。
　　即使是目前最新的WiFi7，也仅仅是对WiFi6的主要特性进行一些加强。
　　WiFi6的更新还有很多，比如1024QAM调制，目标设备唤醒时间（TargetWakeTime）等等，今天我们只介绍了跟网络容量相关的特性。
　　网络容量上的提升，是我认为WiFi6众多更新中最有用的功能，同时也是企业和个人用户升级WiFi网络和终端的重要原因。
　　为了提高系统容量，WiFi工程师们想尽了一切物理层和MAC层的方法。但是，最终容量还是受限于香农极限。
　　要进一步从根本上增加网络容量，只能从增加频谱的角度来解决。尤其是现有的2。4GHz，由于大量蓝牙、遥控器等无线设备的使用，已经变得拥挤不堪。而5GHz，又存在诸多访问限制。
　　频谱资源对于WiFi系统来说，变得非常有限。这就促进了WiFi6E的诞生。
　　WiFi6E，是将现有的WiFi6拓展到6GHz（59257125MHz）上，一下子将频谱的容量增加了三倍。同时，6GHz也是802。11组织为WiFi7（IEEE802。11be）做的前期铺垫。
　　那么，WiFi6E和WiFi7具体如何提升性能呢？我会在下一期文章给大家一一道来。