Wi-Fi技术简介（十一）- Wi-Fi6有什么特性

11a/b/g
    ：这些标准的CCA机制大多依赖于传统的载波侦听多路访问（CSMA/CA）方式。该方式需要设备先检查信道是否空闲，若信道空闲，才进行数据传输。如果信道忙碌，设备会等待并重试。这种机制在高密度设备环境中容易导致频繁的碰撞和重传，尤其是在2.4 GHz频段（802.11b/g使用的频段）中，干扰较为严重，降低了有效带宽。
    802.11n
    ：引入了MIMO（多输入多输出）技术，提升了数据传输效率，但仍然采用传统的CCA机制。当多个设备竞争同一信道时，碰撞和信道占用问题仍然存在。尤其是在高密度环境中，重试次数增加，效率降低。
    
    
      
      
      
      
    

    退避算法（Backoff Algorithm）
    ：Wi-Fi协议使用退避机制来避免冲突。当信道忙碌时，设备会随机等待一段时间再尝试发送数据。这种退避算法在设备数量较多时，可能导致大量的重传和网络拥塞，特别是在频段有限的情况下（如2.4 GHz频段）。
    重传次数
    ：如果数据包丢失，设备需要通过重新传输来恢复丢失的部分，这会导致网络性能进一步下降。在高丢包率和信道干扰较大的环境中，频繁的重传会显著降低数据传输效率。
    无ACK确认机制
    ：某些早期的Wi-Fi协议并没有实现智能的自动重传请求（ARQ）机制，导致了对数据传输失败的响应较慢，并且没有采用更智能的协议来优化重传的数量和时机。
    
    
      
      
      
      
      
      
    

    多设备唤醒瓶颈
    ：在传统的Wi-Fi协议中，设备需要定期“唤醒”以检测是否有数据需要接收（例如通过PSM—省电模式）。然而，这种周期性的唤醒机制存在以下问题：
    带宽浪费
    ：设备即使不需要发送或接收数据，也会在特定时间周期内“唤醒”并检查信道。这导致带宽浪费，尤其是在高设备密度的环境中。
    设备间冲突
    ：大量设备频繁唤醒时，容易导致信道拥堵和冲突，增加数据传输的延迟。
    延迟和吞吐量下降
    ：设备必须等待其他设备的传输完成才能唤醒并获得数据，这样会造成较高的延迟和吞吐量下降。
    802.11n的改善
    ：相比于802.11a/b/g，802.11n引入了更为先进的省电机制，但仍然无法解决高设备密度环境下的多设备唤醒问题。尤其是在传输大量小数据包或短时间内大量设备频繁唤醒的场景中，仍会产生较大的效率损失。
    
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    

    1024 QAM物理速率提升25%
    
    
      
    

    调制编码改进
    
    
      
    

    有效波的概念可以等价于symbols，一个子载波承载一个symbol;
    不同的调制方式、不同的频宽对应的子载波数量不一样；
    Wi-Fi6将子载波间隔缩小到了312.5kHz->78.125kHz，相比之前缩小了四倍，也意味着子载波数量扩大了四倍；
    Exceple:
    20Mhz的信道有256个子载波（子载波频宽为78.125KHz）,实际26-tone RU(Resource Unit)总共使用234(26*9)个，剩下22个子载波用作帧间保护，其中DC7个，空子载波4个，保护子载波11个；
    
    
      
      
      
      
      
    

    在固定传输周期的情况下，减小GI 的时长，即可相应的提高Payload的时间占比。
    Wi-Fi6协议规定了三种GI时长，分别是0.8us/1.6us/3.2us，当GI时长为0.8us时，Wi-Fi6的Payload时间占比效率提升了5.23%，即物理层的协商速率提升了5.23%。当GI时间为1.6us和3.2us时效率对比Wi-Fi 4/5是没提升的，但通过这种更长的GI时长设计，提升了多路径干扰和室外远距离传输场景下无线传输的稳健性。
    Wi-Fi6 AP和终端会根据使用环境的不同，自动协商出不同的GI时长，来保证各种类型环境下的最优体验。
    
    
      
      
      
    

    使用下行MUMIMO设备可以并发地发送到多个接收器（Wi-Fi5支持）使用上行MU MIMO设备可以同时从多个发射机接收。在一些术语中，表达为M*N MIMO，也有MTNR，MIMO可以理解为空间流或者天线个数，M/N在这里分别代表的是TX的天线数和RX的天线，也有一些术语写作M*N:M，冒号后边的M就代表用户数量，例如4*4:4;
    为了启用上行MU传输，AP传输一个新的控制帧(Trigger)，除了包含调度信息(每个STA的RUs分配、应使用的MCS），Trigger还为上行传输提供同步。 
    
    
      
      
    

    由AP端发送NDP-A、NDP和Trigger帧，然后STA端通过Feedback frame反馈信道矩阵信息，此时AP端再根据反馈信息进行预编码，以实现波束成形，避免了用户之间的互相干扰。
    在完成信道信息反馈之后，AP就向所有的MU-MIMO用户同时发送数据信息，并会指定STA1采用隐式块确认（BA帧）请求应答的方式；STA2和STA3采用块确认（BA帧）请求应答方式；11AC中在STA1收到数据后，会等待SIFS时间，之后回复隐式块确认（BA帧），其余STA在收到数据后记录状态，等待AP回复轮询帧（BAR）后才能发送BA帧，AP依次发送BAR帧来取回对应STA的BA帧，等BA帧全部拿到后，AP再发送下一个MU数据帧；而11ax中是多个STA可以同时传输的；
    
    
      
      
    

    AP发送Trigger帧启动多个STA上行同步传输时，AP将信道矩阵应用于所接收的波束，并将每个上行波束包含的信息分开，从而接收来自所有参与STA的波束形成反馈信息。
    在VHT UL MU序列中，多个STA竞争访问媒质，并按顺序发送；
    
    在HE UL MU序列中， AP通过发送一个触发帧的方式来启动多个STA的上行同步传输（OFDMA DL ACK）；
    
    
      
      
      
      
    

    OFDM(正交频分复用)：在传输数据时，无论传输数据量多少，单用户在每次通信时占用整个信道，因此，单用户场景传输的数据量很少，但是对应信道资源的浪费十分严重，并且单个信道只能被单个用户占用，因此传输效率比较低；
    OFDMA(正交频分多址)：将信道划分为更小的、连续的时频单元(RU)，一个信道周期内支持多个用户并发传输数据，信道利用率和传输效率得到提升，减少用户之间的竞争；
    
    OFDM：同一时间同一个信道资源只能被一个用户占用
    
    
      
      
      
      
    

    OFDMA：同一时间同一个信道资源可以被多个用户占用
    
    
      
    

    OFDM:主要设计用于单用户场景，它将整个频谱划分成多个子载波，并在这些子载波上进行数据传输。虽然OFDM可以有效利用频谱，但它不能直接支持多个用户同时传输数据。
    
    OFDMA:在OFDM的基础上引入了多用户接入的功能。OFDMA允许将频谱分成多个资源单元（Resource Units, RUs），每个用户可以分配到不同的资源单元。这使得多个用户可以同时在不同的子载波上进行数据传输，从而提高了系统的容量和效率。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:由于其单用户设计，OFDM的频谱效率在多用户环境下可能不是最佳的。
    
    OFDMA:通过为不同用户分配不同的频谱资源，OFDMA可以更有效地利用可用频谱。它可以动态分配频谱资源，适应用户需求的变化，提高频谱利用率。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:主要关注单个用户的数据传输，系统容量在多用户环境下受到限制。
    
    OFDMA:由于支持多用户同时接入，OFDMA显著提高了系统的总体容量。多个用户可以共享相同的频谱资源，但不会相互干扰，从而提高了网络的总吞吐量。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:在高负载环境下，OFDM可能会遇到较高的延迟，因为所有数据都在一个用户的时间窗口内传输。
    
    OFDMA:通过将频谱和时间资源分配给多个用户，OFDMA可以减少每个用户的等待时间和响应时间，特别是在高密度用户场景中。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:资源分配较为固定，不具备灵活性。
    
    OFDMA:提供灵活的资源分配策略，可以根据网络负载、用户需求和服务质量（QoS）要求动态调整资源。这种灵活性有助于优化系统性能和用户体验。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:在多用户环境中可能面临较高的干扰问题，因为它不支持多用户接入。
    
    OFDMA:通过将频谱分成多个独立的资源单元，OFDMA能够更有效地管理和减少干扰。不同用户之间的干扰被显著减少，从而提高了系统的整体性能和可靠性。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:对服务质量支持有限。
    
    OFDMA:可以通过分配不同的资源单元和调度策略来支持不同的服务质量要求。例如，实时应用（如语音和视频）可以获得更多的资源，以满足低延迟和高带宽的需求，而非实时应用可以获得适当的资源。
    
    
      
      
      
    

    OFDM:适应性有限，主要用于稳定的无线环境。
    
    OFDMA:可以适应动态变化的无线环境和用户需求。它能够根据实时的网络条件和用户需求调整资源分配，提高系统的整体适应性。
    
    
      
      
      
    

    空间复用: MU-MIMO 使用多个发射和接收天线在空间域上对多个用户进行并行数据传输。通过不同的空间路径来传输数据，利用空间复用来提高网络容量。
    
    空间分离:通过在发射端和接收端使用多个天线，MU-MIMO能在同一时间和频率资源上实现对多个用户的数据流进行分离，提高数据传输效率。
    
    空间域复用:MU-MIMO的核心在于利用空间资源进行复用，通过空间域的分离来增加系统的容量。
    
    
      
      
      
      
      
    

    适用场景: 适用于高密度用户环境，如大型会议、体育场馆、密集的办公区域等。在这些场景中，MU-MIMO可以显著提高系统容量和用户体验。
    
    高并发: 适合于天线数量多的无线接入点或基站，通过空间复用技术实现多个用户的并行通信。
    
    
      
      
      
    

     频谱效率高: 提高了频谱的利用效率，通过细分频谱来减少干扰。

    
     支持更多用户: 适合于用户带宽需求差异较大的场景。
    
     更好的 QoS: 能够提供更精细的资源分配和更好的服务质量控制。
    
    
         
         
         
         
         

     时延和复杂性: 频谱分配和调度较为复杂，可能引入额外的时延。

    
    
         

    优点:
    
    提高系统容量: 通过空间复用来提高网络的总容量。
    
    并发传输: 在同一时间内可以与多个用户并行通信，提升用户体验。
    
    信号质量提高: 提高了信号的传输质量和网络的覆盖范围。
    
    限制:
    
    天线要求高: 对发射和接收端的天线数量有较高要求。
    
    信道估计和干扰管理复杂:需要精确的信道估计和干扰管理技术来确保有效的空间复用。
    
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    

11ax AP向802.11ax STA们进行多用户下行传输。 AP首先需要通过CSMA/CA竞争胜利后，其发起一个TXOP传输时间，相当于这一段TXOP时间内，信道都是被AP所预约占据的，其余所有节点都会被延迟。一旦AP获得了TXOP传输时间，AP可以给多个目标终端发送MU-RTS帧，进行信道预约和RU分配。
    
    
      
    

    UL-OFDMA与UL-MU-MIMO一样，在触发时，也需要AP发一个trigger帧；
    该触发帧（Trigger frame）的主要作用是表明空间流数量、OFDMA相应的资源分配(包括频率以及每个用户的RU大小)、PPDU（PHY Protocol Data Unit，物理层协议数据单元）的持续时间、用户的发送功率控制信息以保证多个用户在AP处的接收功率基本相同。
    基于触发帧的上行传输机制，对发送用户STA端在传输时间、频率、采样时钟以及功率有要求，目的在于减少接收AP端的同步问题。频率和采样时钟的同步可以防止ICI（信道间干扰,Inter Channel Interference）干扰，功率预补偿可以减少接收端用户信号的互相干扰。
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    OBSS包检测是动态的，由AP管理;每个BSS (AP)使用不同的“颜色”(前导码中的6位);
    每个STA在关联后学习其BSS颜色，允许它识别其他BSS;
    STA检测相同的BSS颜色(intra-BSS)，使用较低的RSSI阈值进行延迟，这可以减少内部BSS冲突;
    STA检测不同的BSS颜色(Inter-BSS)，使用更高的RSSI阈值，这允许更多的同步传输;
    
    
      
      
      
      
    

    在BSSColoring中引入的动态CCA，也可以和虚拟载波监听的NAV组合使用，由于动态CCA中已经引入了两个不同的监测阈值，那么意味着其和NAV机制组合使用时，也需要两个独立的NAV定时器。
    
    
      
    

    BSS内部NAV定时器（intra-BSS NAV timer）：只能通过来自于同一个BSS内部的终端来设置，通过BSS内部终端传输的Duration/ID字段来设置NAV定时器的数值。
    基本NAV定时器（basic NAV timer）：由来自于不同BSS区域的终端来设置，也是根据这些终端传输的Duration/ID字段来设置NAV定时器的数值。
    
    
      
      
    

    PSM关注的是：beacon周期间的节点节能，终端在一个beacon周期内，要不是睡眠，要不是苏醒。
    U-APSD关注的是：在一个beacon周期内的间隔睡眠问题，即在一个beacon周期内，终端会不断切换睡眠和工作的状态，从而达到节能的目的。
    
    
      
      
    

    针对MSDU的帧聚合（A-MSDU），将多个MSDU组合成一个数据帧，共享一个MAC头部
    针对MPDU的帧聚合（A-MPDU），将多个MPDU组合，其结构如下图所示：