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详解WIFI 6、CSMA/CA、CCA与BSS COLORING

随着物联网和大数据时代的到来,对于更快速、更稳定的无线网络需求日益增长。为了应对这一需求,WiFi 6作为最新一代无线网络技术的代表,引入了一系列先进的机制,其中包括CSMA/CA、CCA和BSS Coloring。本文从通信物理层算法,MAC协议角度对这三个策略原理机制进行通透的阐明,带您更加深入地理解WiFi 6背后的关键概念和原理。


  1. CSMA/CA:CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,冲突避免的载波侦听多路访问)


在wifi6之前,wifi系统采用CSMA/CA机制,避免信道干扰。CSMA/CA 工作流程如下:


(1)检测信道是否空闲。通过检测信道上的信号功率与设定功率门限值比较得出结论,下文细讲如何判断信道空闲(CCA机制)。若空闲则准备发射数据,否则继续等待。


(2)若信道空闲,则发射设备向目标设备发射RTS(request to send)请求发送,目标设备回复CTS(clear to send)。发送设备发射数据,目标设备回复ACK信号。见下图。




2. CCA(Clear Channel Assessment 空闲信道评估)


首先我们要搞清楚一个概念就是信道底噪,信道底噪概念接近于RF接收天线的底噪,常用计算方法:(-174+信号带宽对数+噪声系数,单位dBm),是计算接收机灵敏度的噪声部分。通常CCA有两个门限一个信号检测门限(Signal Detect,SD),一个是能量检测门限(Energy Detect,ED)。


信号检测门限(CCA-SD):用于检测信道中是否有802.11信号的前导码,由于前导码是周期性时域信号,也是所有802.11物理包共用的,可以用相关算法检测出来。只要信噪比SNR>4dB,就是前导码功率与底噪功率比值>4dB。


能量检测门限(CCA-ED):通常为高于信号检测门限(CCA-SD)20dB,CCA-ED=CCA-SD+20dB。


判断信道是否忙,通常把接收信号功率与信号检测门限,能量检测门限比较判断,各个设备商不一样。


3. BSS coloring


3.1 BSS color 标记


BSS coloring 策略就是不同AP 有不同的身份标记,在PHY就是6bits bss color 标记。该标记在PHY PPDU的前头HE-SIG-A的HE-SIG-A1中共6bits。放在这个位置的原因是接收机不用对整个PPDU解包,就可以直接判断。BSS color 标记见下图。HE-SIG-A在PPDU包中的位置,参考802.11 spec。



HE-SIG-A 分为2部分HE-SIG-A1,HE-SIG-A2,各26bits,HE-SIG-A1在前。BSS color 信息在HE-SIG-A1,B8-B13中,见下图,参考802.11 spec。


3.2 利用BSS color 标记加强空间复用提高系统容量


下图中不同数字符号表示不同WiFi 设备所使用信道分布图。


若没有BSS coloring,以36信道为例子,则周围绿线和蓝线使用36信道设备会对左上角的使用36信道设备产生干扰,导致左上角设备一直认为信道被占用,不发包。使用BSS coloring机制后,不同颜色的BSS coloring,如绿线连接使用36信道的设备不会造成干扰,只有红线连接的两个使用36信道设备会互相干扰。这与在BSS color 下CCA 评估信道空闲方法变化有关。


在BSS color 机制下,接收端接收到数据包,计算接收信号功率,并解调判断HE-SIG-A1中的BSS color 字段,并判断是否与相关联的AP一致,如果一致则认为信号来于MYBSS,这时判断信道干扰门限标准就比较低,例如使用上文提到的CCA信号检测门限(CCA-SD)标准,把接收信号功率于CCA-SD比较,判断信道是否空闲,若接收信号功率高于信号检测门限则认为信道忙。若BSS color 字段与相关联的AP不一致,则认为信号来自OBSS(Overlapping Basic Service Sets),判断信道是否空闲的门限标准要比CCA信号检测门限高,可以采用CCA-ED门限,这个门限可以自适应调整,这样就不轻易认为存在信道干扰,而不敢发包。从而提高空间复用。


下图(参考cisco图)中左边是wifi4,5判断信道干扰方法,没有BSS 机制,判断信道空闲同一采用CCA-SD 门限,这样很轻易就判断信道忙。而右边图是wifi6 采用BSS color 用两个门限,如果解析HE-SIG-A的BSS color 字段是与相关联的AP 一致则采用 CCA-SD 门限判断信道是否空闲,否则用CCA-ED判断信道是否空闲。


WiFi 6的引入为无线网络提供了更高的速度、更低的延迟和更好的容量,同时也提供了一系列创新的技术机制。通过深入理解WiFi 6中的CSMA/CA、CCA和BSS Coloring等关键概念和原理,我们能够更好地把握无线网络的性能和稳定性,并为未来的网络发展做出更有价值的贡献。随着技术的不断创新和演进,我们可以期待WiFi 6在物联网、云计算等领域的广泛应用,为我们的数字化生活带来更好的体验和便利。


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