第3章


家庭网络技术



3.1PON技术



3.1.1PON网络架构
如图31所示，PON(Passive Optical Network，无源光网络)采用的是点到多点(P2MP)结构的网络架构。PON网络是一个二层的网络架构，网络中只有两端的OLT和ONT部件是有源部件，中间的ODN网络都是无源部件，OLT统一对所有的ONT进行管理。


图31PON网络架构


PON网络主要由以下3个部件构成。
(1) OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)： 一般放置在中心机房，是终结PON协议的汇聚设备，通过PON接口和ODN网络连接，对ONT进行集中管理。
(2) ONT(Optical Network Terminal，光网络终端)： 放置在用户侧，提供各种接口连接用户设备(例如用户的PC、打印机、话机等)，将用户设备信号转换成PON协议，通过PON上行接口与ODN连接后传输给OLT进行处理。
(3) ODN(Optical Distribution Network，光分配网络)： OLT和ONT通过中间的无源光分配网络ODN连接起来进行互相通信。ODN是由光纤、一个或多个无源分光器(Splitter，也叫无源光分路器)等无源光器件组成的无源网络。
3.1.2PON工作原理
PON按照复用技术分为3种，分别是TDM(Time Division Multiplexing，时分复用)PON、WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)PON和TWDM(Time and Wavelength Division Multiplexed，时分波分复用)PON。
当前在家庭网络中主要使用的是TDM PON技术，本章节主要针对TDM PON进行介绍(书中TDM PON简称为PON)。
全光家庭组网与技术
第3章家庭网络技术
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1. 工作原理概述
PON系统如图32所示，PON系统上行/下行采用不同的波长进行数据承载，采用波分复用原理实现上行/下行不同波长在同一个ODN网络上传输，实现单纤双向传输。


图32PON系统传输原理


以GPON系统为例，系统工作原理如下。
(1) GPON网络采用单根光纤将OLT、分光器和ONT连接起来，上下行采用不同的波长进行数据承载。上行采用1290~1330nm范围的波长，下行采用1480~1500nm范围的波长。
(2) GPON系统采用波分复用的原理通过上下行不同波长在同一个ODN网络上进行数据传输，下行通过广播的方式发送数据，而上行通过TDMA的方式，按照时隙进行数据上传。
2. 上行工作原理
PON上行方向的基本原理如图33所示。


图33PON上行方向工作原理


PON上行方向采用的是时分复用TDM的方式，这样保证ONT的报文在上传到OLT的过程中不会产生冲突。
ONT收到UNI侧的用户单元设备如PC、AP等发送的数据报文后，向OLT申请发送数据报文。OLT根据各ONT的带宽申请情况，通过多点控制协议MPCP控制每个ONT在指定的时间起始点发送指定时间长度的数据，给不同的ONT分配不同的时隙，各个ONT就在分配给自己的时隙内有序发送数据报文。
通过OLT控制的时分复用方式，多个ONT可以共享整个上行带宽，而且PON还有光纤长度测距等关键技术，确保多个ONT在同一个光纤上不会出现多个ONT发送碰撞而退避等问题。
在PON的上行方向，受光分路器的实现原理和光信号的直线传输，光信号只会发往OLT，而不会发到其他ONT，所以上行方向相当于点对点的传输。从安全方面考虑，PON的上行方向使用了安全加密等手段，保障了家庭业务的安全性。
3. 下行工作原理
PON下行方向的基本原理如图34所示，PON下行方向采用的是广播的方式。


图34PON下行方向工作原理


在下行方向，OLT发送的数据报文通过分光器(一个无源光分路器或几个光分路器的级联)广播到达各个ONT，发往不同的ONT的报文携带不同ONT的标识，各ONT根据报文中的ONT标识选择取出发给自己的数据报文，丢弃其他ONT的无效报文。
为了保证PON下行方向的报文安全，每个ONT的UNI接口发往用户设备的报文只是这个用户设备所需要的报文，其他非发往这个用户设备的报文已经在ONT的PON端口丢弃，不会发往该ONT的UNI接口。
此外，OLT和ONT之间还做了增强安全处理，OLT和不同ONT之间采用不同的密钥来加密报文并进行发送，若ONT收到其他ONT的报文，没有密钥也无法识别，从而保障了业务的安全性。
3.1.3PON带宽分配
PON上行方向是多个ONT通过时分复用方式共享，对数据通信这样的变速率业务不适合，例如，若按业务的峰值速率静态分配带宽，则整个系统带宽很快就被耗尽，而且带宽利用率很低，所以需要采用DBA(Dynamic Bandwidth Assignment，动态带宽分配)提升系统的带宽利用率。
对于从ONT到OLT的上行传输，多个ONT采用时分复用的方式将数据传送给OLT，必须实现对上行接入的带宽控制，以避免上行窗口之间的冲突。
DBA动态带宽分配技术在OLT系统中专用于带宽信息管理和处理，是一种能在微秒或毫秒级的时间间隔内完成对上行带宽的动态分配的机制。在OLT系统中，在上行方向可以基于各个ONT进行流量调度。
DBA的实现过程如图35所示，ONT如果有上行信息发送，会向OLT发送报告申请带宽，OLT内部的DBA模块不断收集DBA报告信息进行计算，并将计算结果以BW Map(Bandwidth Map，带宽地图)的形式下发给各ONT。各ONT根据OLT下发的BW Map信息在各自的时隙内发送上行突发数据，占用上行带宽。这样就能保证每个ONT都可以根据实际的发送数据流量动态调整上行带宽，从而提升了上行带宽的利用率。


图35DBA实现过程


DBA对PON的带宽应用情况进行实时监控，OLT根据带宽请求和当前带宽利用情况，以及配置情况进行动态的带宽调整。
DBA可以带来以下好处： 
(1) 可以提高PON端口的上行线路带宽利用率。
(2) 可以在PON口上增加更多的用户。
(3) 用户可以享受到更高带宽的服务，特别适用于对带宽突变比较大的业务。
PON的上行方向采用DBA进行带宽的分配，每个ONT的带宽是由OLT集中控制和分配，在带宽的分配上，可以支持独享+共享的方式，实现带宽利用的最大化。
(1) 每个ONT可以单独配置一个独享的带宽，例如，配置为Fixed固定带宽，或者Assured保证带宽(其他Fixed固定带宽的分配优先级要高于Assured保证带宽)。
(2) Fixed固定带宽是不能共享的，如果OLT给某个ONT分配了Fixed固定带宽之后，如果本ONT没有报文需要发送，那么也会为这个ONT继续保留Fixed固定带宽。
(3) Assured保证带宽指的是在某个ONT配置了Assured保证带宽之后，如果这个ONT需要发送报文，那么所配置的Assured带宽一定可以被该ONT使用，不会被其他ONT抢走； 如果某个ONT配置了Assured带宽，但是该ONT又不使用，那么这部分的带宽会被分给其他ONT共享。
(4) 每个ONT可以在配置了独享带宽之后，再配置一个共享带宽(Non Assured和BestEffort)，在这种配置下，如果某个ONT突发需要一个大的带宽，而其他ONT暂没有大带宽发送的时候，那么该ONT可以把其他ONT不用的带宽拿过来使用。采用这种配置，某个ONT在某个时刻可以支持千兆以上的带宽，从统计复用的角度看，各个ONT都有能力达到千兆的带宽。例如，当前的上网业务，也只是在打开网页的瞬间下载流量会比较大，这时需要一个高带宽用于网页信息的下载。客户在浏览网页的时候，基本不需要下载流量，此时，这部分的流量就可以给其他客户使用。
带宽分配可以按照ONT为单位(也支持按照更细粒度的TCONT为单位)进行分配，分配过程分四轮。按带宽类型的优先级对总带宽进行分配，每轮对于含特定带宽的ONT(或者更细粒度的TCONT)进行遍历计算。如图36所示，DBA带宽的分配顺序如下。


图36DBA带宽的分配顺序


(1) 第一轮保证Fixed带宽： 无论ONT实际上行需求是多少，都按静态配置的值进行分配。
(2) 第二轮保证Assured带宽： 根据ONT实际上行需求进行分配，最大值为静态配置的Assured大小。
(3) 第三轮分配NonAssured带宽： 当前两轮分配后有剩余时，对NonAssured带宽有需求的ONT按策略进行分配。
(4) 第四轮分配BestEffort带宽： 当前3轮分配后有剩余时，对BestEffort带宽有需求的ONT均分剩余带宽。

3.1.4PON多ONT处理技术
1. 测距
由于PON技术属于无源汇聚技术，所以在上行方向需要确保各个不同物理距离下的ONT所发送的数据能按顺序到达OLT，不能由于光纤传输时延导致不同ONT发送的数据报文到达OLT后产生冲突。
对OLT而言，各个不同的ONT到OLT的物理距离不相等，光信号在光纤上的传输时间不同，到达各ONT的时刻不同。此外，OLT与ONT的RTD(Round Trip Delay，环路时延)也会随着时间和环境的变化而变化。因此在ONT以TDMA方式(也就是在同一时刻，OLT一个PON口下的所有ONT中只有一个ONT在发送数据)发送上行信元时可能会出现碰撞冲突，为了保证每一个ONT的上行数据在光纤汇合后，插入指定的时隙，彼此间不发生碰撞，且不要间隙太大，OLT必须对每一个ONT与OLT之间的距离进行精确测定，以便控制每个ONT发送上行数据的时刻。
测距的过程： 
(1) OLT在ONT第一次注册时就会启动测距功能，获取ONT的往返延时RTD，计算出每个ONT的物理距离。
(2) 根据ONT的物理距离指定合适的均衡延时参数(Equalization Delay，EqD)。
OLT在测距的过程需要开窗，即Quiet Zone，暂停其他ONT的上行发送通道。OLT开窗通过将BWmap设置为空，不授权任何时隙来实现。
通过RTD和EqD，使得各个ONT发送的数据帧同步，保证每个ONT发送数据时不会在分光器上产生冲突。相当于所有ONT都在同一逻辑距离上，在对应的时隙发送数据即可，从而避免上行信元发生碰撞冲突。
2. 突发光电技术
PON上行方向采用时分复用的方式工作，每个ONT必须在许可的时隙才能发送数据，在不属于自己的时隙必须瞬间关闭光模块的发送信号，才不会影响其他ONT的正常工作。
如图37所示，ONT侧需要支持突发发送功能，ONT的激光器应能快速地打开和关闭，防止本ONT的发送信号干扰到其他的ONT。测距保证不同ONT发送的信元在OLT端互不冲突，但测距精度有限，一般为±1b，不同ONT发送的信元之间会有几burst的防护时间(但不是比特的整数倍)，如果ONT侧的光模块不具备突发发送功能，则会导致发送信号出现叠加，信号会失真。


图37连续光模块和突发光模块发送信号对比


如图38所示，对于OLT侧，必须根据时隙对每个ONT的上行数据进行突发接收，因此，为了保证PON系统的正常工作，OLT侧的光模块必须支持突发接收功能。


图38连续光模块和突发光模块接收信号对比


(1) 由于每个ONT到OLT的距离不同，所以光信号衰减对于每个ONT都是不同的，这可能导致OLT在不同时隙接收到的报文的功率电平是不同的。
(2) 如果OLT侧的光模块不具备光功率突变的快速处理能力，则会导致距离较远、光功率衰减较大的ONT光信号到达OLT的时候，由于光功率电平小于阈值而恢复出错误的信号(高于阈值电平才认为有效，低于阈值电平则无法正确恢复)。动态调整阈值功能可以在OLT按照接收光信号的强弱动态调整收光功率的阈值以保证所有ONT的信号可以完整恢复。
GPON下行是按照广播的方式将所有数据发送到ONT侧，因此，要求OLT侧的光模块必须连续发光，ONT侧的光模块也工作在连续接收方式，所以在GPON下行方向，OLT光模块无须具有突发发送功能，ONT光模块无须具有突发接收功能。
3.1.5PON安全保障技术
1. 传输介质安全
PON和XG(S)PON采用光纤作为传输介质，需要采用支持光接口的设备才能对接，相比以太网电接口而言更安全。
光纤和传统的以太网线缆相比，天然具有防电磁干扰的能力，在恶劣环境的可靠性会更好。
2. 帧结构复杂保证数据传输安全
如图39所示，PON系统光纤中采用PON帧格式进行传输，而不是通用的以太网报文格式，采用通用的以太网抓包工具无法进行抓包分析，只能通过专业的昂贵的PON协议分析仪，才有可能进行抓包分析，保证了数据传输的安全性。


图39PON上下行帧传输原理


3. ONT内部处理安全
PON系统中下行数据采用广播的方式发送到所有的ONT上，通常情况下，每个ONT只处理发给自己的报文，丢弃非发给自己的报文。具体的处理过程如图310所示，非自己的PON报文在转换为以太网报文前被丢弃。 


图310ONT内部处理机制


(1) ONT上的PON协议处理模块，判断该PON格式的帧是不是发送给本ONT，如果不是发送给本ONT，则直接丢弃，以太网处理模块对该GPON帧不可见。如果是发给本ONT的，则转换为以太网报文送到以太网报文处理模块。
(2) ONT的每个以太网端口，只会看到该用户相关的报文，ONT类似以前的接入交换机。
(3) ONT的多个以太网端口之间默认是互相隔离的，相互之间不能访问； 但也可以通过下发命令的方式支持多个以太网端口之间的互通。
4. 多ONT互相隔离安全
如图311所示，在GPON和对称10G GPON系统中，ONT的上行信息是互相隔离的。


图311多ONT相互隔离原理


(1) 受限于光的直射性(光只能直线传输)，所以每个ONT发送的光信号只能发送给OLT设备，无法反射到其他ONT。
(2) 所以ONT在上行方向是互相隔离的，无法接收到其他ONT发送的信息。
5. 数据加密技术
PON技术在正常情况下可以通过上述方式保证安全，但是因为PON下行传输采用的是广播方式，ONT可以接收到其他ONT的下行数据，也存在一些不安全的因素，所以需要针对每个ONT进行数据加密操作。采用加密操作，既可以保证在光纤线路上无法被侦听识别，也可以实现多个ONT之间的互相隔离。
PON系统采用线路加密技术解决这一安全问题。PON系统采用加密算法将明文传输的数据报文进行加密，以密文的方式进行传输，提高安全性。
如图312所示，OLT和ONT之间采用密钥进行加密后在光纤中传输。


图312线路加密原理


(1) OLT侧： OLT将从上行以太网接口收到的以太网报文采用密钥加密之后，转换为PON协议帧，通过PON下行的光纤送往ONT。
(2) ONT侧： ONT将从光纤中收到的OLT加密后的PON帧，采用同样的密钥解密并转换为以太网报文之后，从ONT的以太网接口发送到终端设备上。
PON系统使用的密钥使用定期更新机制，以提高安全性。
GPON和对称10G GPON的OLT和ONT之间采用AES128进行加密。密钥是由ONT生成，发给OLT(避免了由OLT生成密钥，广播给ONT，其他的ONT也会收到该密钥的风险)，每个ONT加密的密钥会定期更新，减少密钥被捕获破解的可能性。
GPON和对称10G GPON系统定期地进行AES密钥的交换和更新，提高了传输数据的可靠性。 
(1) OLT发起密钥更换请求，ONT响应并将生成的新的密钥发给OLT。
(2) OLT收到新的密钥后，进行密钥切换，使用新的密钥对数据进行加密。
(3) OLT将使用新密钥的帧号通过相关的命令通知ONT。
(4) ONT收到使用新密钥的帧号后，在相应的数据帧上切换校验密钥。
多个ONT之间的加密处理如图313所示。


图313多个ONT之间的加密处理


6. ONT认证技术
PON系统的P2MP架构下行数据采用广播方式发送到所有的ONT上，这样会给非法接入的ONT提供接收数据报文的机会。
为了解决这个问题，如图314所示，PON系统通过ONT认证确保接入的ONT的合法性，OLT基于上报的认证信息(比如序列号SN、密码Password)对ONT合法性



图314ONT认证机制


进行校验，只有通过认证的合法ONT才能接入PON系统，ONT经认证上线后才可以传输数据。即ONT上线后，向OLT发起认证请求，认证成功后ONT才能上线，只有ONT上线才能够被OLT管理和配置业务。
3.1.6PON技术演进
随着大带宽业务的推出，GPON存在带宽不足，不能满足最终用户需要的情况，也需要开发下一代的PON技术，以提升PON线路上的带宽。
GPON的下一代增强技术是XG(S)PON，又称10G GPON，包括XGPON(10Gigabcapable asymmetric PON，非对称10G PON)和XGSPON(10Gigabcapable symmetric PON，对称10G PON)两种技术。
(1) XGPON： 下行线路速率为9.953Gb/s； 上行线路速率为2.488Gb/s。
(2) XGSPON： 下行线路速率为9.953Gb/s； 上行线路速率为9.953Gb/s。
1. 演进思路
10G GPON支持XGPON ONT、XGSPON ONT和GPON ONT在同一个ODN下共存，支持不同种类的ONT平滑演进。
如图315所示，XGSPON和GPON的上下行方向都是通过波分共存。


图315GPON和XGSPON技术波长分布


(1) XGPON和XGSPON的下行方向都是10Gb/s，下行方向采用1577nm波长窗口(使用1575~1580nm波长)，与GPON的下行1490nm波长窗口(使用1480~1500nm波长)不冲突，通过波分方式共存。
(2) XGPON ONT的上行是2.5Gb/s，XGSPON ONT的上行是10Gb/s，两者都是采用1270nm波长窗口(使用1260~1280nm波长)，和GPON的1310nm波长窗口(使用1290~1330nm波长)波分共存。
(3) XGPON的ONT和XGSPON ONT采用相同的波长窗口，采用时分共存，不同的ONT占用不同的时隙发送报文。
2. 演进方案
GPON演进到10G GPON，可采用PON Combo演进方案。
如图316所示，在OLT侧插入一块XGSPON合一单板(XGSPON Combo板，包括PON Combo光模块)，XGSPON Combo端口同时支持XGSPON和GPON，当需要GPON升级为XGSPON的时候，只需要将GPON ONT更换为XGSPON ONT即可完成演进。GPON ONT、XGPON ONT和XGSPON ONT在同一个ODN下共存。


图316PON Combo演进方案


GPON演进到XGSPON，不需要变更ODN的连接关系，也就是说，ODN网络可以继续使用。
XGSPON和GPON支持共存，复用相同的ODN网络，由于XGSPON和GPON之间采用的波分共存技术，所以GPON和XGSPON之间互相隔离，不会互相影响。
3.1.7PON技术标准
PON标准制式主要分为两大类，分别对应两个标准组织： 国际电信联盟电信标准部ITUT(International Telecommunications UnionTelecommunication Standardization Sector)和电气电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)，ITUT和IEEE分别定义了一套PON的标准并进行演进。
在ITU和IEEE两个标准组织之间，存在着一定的协同，例如，在PON的物理层上尽量共用波长和速率等，共享PON产业链。
ITUT制定的GPON、10G GPON等标准和技术，是业界的主流PON技术。
当前世界上使用绝大部分PON接入都是基于ITUT标准体系制定的GPON、10G GPON标准和技术。
家庭网络采用的是GPON和10G GPON系列标准。
ITUT在原来的APON、BPON的基础上进行了技术增强，定义了GPON技术，并在市场和应用上取得了巨大成功。
在ITU组织中，除了工程师之外，还有很多运营商也作为客户和需求提出者加入，大家都非常关注现网已有业务或者将来可能使用的业务在GPON上的支持情况，所以在制定GPON的标准过程中，除了关注以太网业务在PON上的传输，也关注以前的语音、E1专线等各种业务在PON上的承载，包括关注后续的视频业务传输，所以对PON上承载业务的QoS保证等提出较高的要求，GPON标准也更适用于支持多业务承载。
GPON是目前全球主流的PON网络建设技术。
ITUT定义的GPON标准如下： 
(1) ITUT G.984.1Gigabitcapable Passive Optical Networks(GPON)： General characteristics，主要讲述GPON技术的基本特性和主要的保护方式。
(2) ITUT G.984.2Gigabitcapable Passive Optical Networks(GPON)： Physical Media Dependent (PMD) layer specification，主要讲述了GPON的物理层参数，如光模块的各种物理参数，包括发送光功率、接收灵敏度、过载光功率等。同时定义了不同等级的光功率预算。
(3) ITUT G.984.3Gigabitcapable Passive Optical Networks(GPON)： Transmission convergence layer specification，主要讲述了GPON的TC层协议，包括上下行的帧结构及GPON的工作原理。
(4) ITUT G.984.4Gigabitcapable Passive Optical Networks(GPON)： ONT management and control interface specification，主要讲述GPON的管理维护协议，包括OAM、PLOAM和OMCI协议。
(5) ITUT G.988ONT management and control interface(OMCI) specification，主要讲述OMCI管理协议。

ITUT定义的10G GPON标准如下： 
(1) ITUT G.987.110Gigabcapable passive optical networks(XGPON)： General requirements，主要讲述非对称的10G GPON技术的基本要求。
(2) ITUT G.987.210Gigabcapable passive optical networks(XGPON)： Physical media dependent (PMD) layer specification，主要讲述了非对称10G GPON的物理层参数，如光模块的各种物理参数，包括发送光功率、接收灵敏度、过载光功率等。同时定义了不同等级的光功率预算。
(3) ITUT G.987.310Gigabcapable passive optical networks(XGPON)： Transmission convergence layer(TC) specification，主要讲述了非对称10G GPON的TC层协议，包括上下行的帧结构及工作原理。
(4) ITUT G.9807.110Gigabcapable symmetric passive optical network(XGSPON)，主要讲述了对称的10G GPON技术的要求。
ITUT定义的40G GPON标准如下： 
(1) ITUT G.989.140Gigabcapable passive optical networks(NGPON2)： General requirements，主要讲述了40G GPON技术的要求。
(2) ITUT G.989.240Gigabcapable passive optical networks 2(NGPON2)： Physical media dependent(PMD) layer specification，主要讲述了40G GPON的物理层参数，如光模块的各种物理参数，包括发送光功率、接收灵敏度、过载光功率等。
ITUT定义的50G GPON标准已经发布，相信不久的将来就会有更多应用。


3.2WiFi基础技术



WiFi是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)技术。
3.2.1WiFi系统介绍
如图317所示，WiFi系统包括工作站、接入热点、无线介质以及分布式系统。


图317WiFi系统组成


(1) 工作站： 指带WiFi功能的笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。
(2) 接入热点(Access Point，AP)： 指带WiFi功能的ONT、CPE、CM、路由器等。
(3) 无线介质： 采用射频和天线，通过空气传播信号。
(4) 分布式系统： 由工作站、接入热点、无线介质组成的系统。
AP提供无线接入服务时，需要配置服务集标识符(Service Set IDentifier,SSID)，STA打开WiFi时，扫描到的WiFi热点名称，就是SSID。
一个物理AP可以配置多个SSID，相当于有多个虚拟AP(VAP)，STA打开WiFi时，可以扫描到多个热点。多个VAP只是用于区分业务，并没有增加空口资源。
3.2.2WiFi数据传输机制
AP和STA发送数据时，需要错开时间，否则会相互干扰，对方收不到数据。为了成功发送数据，WiFi有3种协调机制。
(1) DCF： 分布式协调功能(Distributed Coordination Function)，AP和STA通过载波侦听多路访问、碰撞避免机制发送数据。
(2) PCF： 点协调功能(Point Coordination Function)，由AP统一协调每个设备发送数据的时间。
(3) HCF： 混合协调功能(Hybrid Coordination Function)，混合使用DCF和PCF方式。
空口中可能有多个AP，PCF的效率不高，实际广泛应用的是DCF方式。
通过DCF方式发送数据的过程如图318所示。


图318WiFi网络的DCF发送数据的过程


(1) 首先检测空口是否繁忙。
(2) 如果空口空闲，则等待DIFS+随机时间。
(3) 等待之后，如果空口仍然空闲，则发送数据。
在图318中，SIFS(Short InterFrame Space)是一个连续过程的间隔，PIFS(PCF InterFrame Space)用于PCF，DIFS(DCF InterFrame Space)用于DCF方式。
如果多个设备的随机时间刚好相同，那么仍然会存在冲突，需要重新等待发送机会重发数据。为了确保对方能够收到数据，发送数据时需要对方确认。帧和ACK是一个连续的过程，发送ACK时不需要检测空口，如图319所示。


图319WiFi数据传输机制


3.2.3工作信道和工作频宽
WiFi设备通过无线电波发送数据时，需要工作在一定的频率范围，这个频率范围称为信道。由AP选择工作信道，STA跟随AP的工作信道。工作在不同信道的WiFi设备，可以同时发送数据。工作在相同信道的WiFi设备，不能同时发送数据。WiFi工作的频率范围大小可以不同，称为工作频宽，包括20MHz、40MHz、80MHz、160MHz频宽。
2.4GHz频段，中国内地开放1~13信道，这些信道相互重叠，如图320所示。802.11b/g/n频宽为22MHz，不重叠的只有1、6、11 3个信道。采用40MHz频宽时，不重叠的信道只有1个。


图320WiFi 2.4GHz频段的信道


在5GHz频段，中国内地开放36~64信道以及149~165信道，其中52~64信道需要支持DFS/TPC，进行雷达检测和功率控制，如图321所示。与2.4GHz频段不同，5GHz频段的40MHz、80MHz、160MHz频宽的信道由标准定义，不能随意组合。


图321WiFi 5GHz频段的信道



3.2.4WiFi速率
1. 物理速率
IEEE 802.11定义了多种物理层标准，不同标准可以支持不同的物理速率。
1) IEEE 802.11b
IEEE 802.11b工作在2.4GHz频段，支持的物理速率如下： 1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s、11Mb/s。
2) IEEE 802.11g和IEEE 802.11a
IEEE 802.11g工作在2.4GHz频段，IEEE 802.11a工作在5GHz频段，支持的物理速率如表31所示。


表31IEEE 802.11g和IEEE 802.11a支持的物理速率



调 制 方 式编码率物理速率/(Mb/s)

BPSK1/26.0
BPSK3/49.0
QPSK1/212.0
QPSK3/418.0

续表


调 制 方 式编码率物理速率/(Mb/s)

16QAM1/224.0
16QAM3/436.0
64QAM2/348.0
64QAM3/454.0

WiFi设备需要根据空口情况动态调整调制方式和编码率，工作在不同的空口速率。
3) IEEE 802.11n
IEEE 802.11n工作在2.4GHz频段或5GHz频段。支持MIMO，多空间流的物理速率在单空间流的物理速率基础上乘以空间流个数。支持40MHz频宽。支持的物理速率如表32所示。


表32IEEE 802.11n支持的物理速率



MCS索引空间流个数
/MIMO调制方式码率20MHz空口速率
/(Mb/s)40MHz空口
速率/(Mb/s)

01BPSK1/27.215.0
11QPSK1/214.430.0
21QPSK3/421.745.0
3116QAM1/228.960.0
4116QAM3/443.390.0
5164QAM2/357.8120.0
6164QAM3/465.0135.0
7164QAM5/672.2150.0
…
15264QAM5/6144.4300.0…
23364QAM5/6216.7450.0
…
31464QAM5/6288.9600.0

空间流个数取决于AP和STA共同的能力，如果STA支持的空间流个数较少，则无法达到较高的速率。2.4GHz频段的信道比较少，往往无法工作在40MHz频宽。应用比较广泛的IEEE 802.11n设备，一般支持2条空间流，20MHz频宽下可以达到144.4Mb/s物理速率。
4) IEEE 802.11ac
IEEE 802.11ac工作在2.4GHz频段或5GHz频段。在IEEE 802.11n的基础上，提高调制方式，支持更多的空间流个数，更大的频宽。支持的物理速率如表33所示。


表33IEEE 802.11ac支持的物理速率



MCS空间流个数
/MIMO调制方式码率20MHz
空口速率
/(Mb/s)
40MHz
空口速率
/(Mb/s)
80MHz
空口速率
/(Mb/s)
160MHz
空口速率
/(Mb/s)

01BPSK1/27.215.032.565.0…
7164QAM5/672.2150.0325.0650.0
81256QAM3/486.7180.0390.0780.0
91256QAM5/6—200.0433.3866.7
…92256QAM5/6—400.0866.71733.3…
93256QAM5/6—600.01300.02600.0
…94256QAM5/6—800.01733.33466.7…
98256QAM5/6—1600.03466.76933.4

应用比较广泛的IEEE 802.11ac设备，支持80MHz频宽，2条空间流可以达到866.7Mb/s物理速率，3条空间流可以达到1300Mb/s物理速率，4条空间流可以达到1733.3Mb/s物理速率。
5) IEEE 802.11ax
IEEE 802.11ax工作在2.4GHz频段或5GHz频段，在IEEE 802.11ac的基础上，进一步提高调制方式，改善编码方式。支持的物理速率如表34所示。


表34IEEE 802.11ax支持的物理速率



MCS空间流个数
/MIMO调制方式码率
20MHz
空口速率
/(Mb/s)
40MHz
空口速率
/(Mb/s)
80MHz
空口速率
/(Mb/s)

01BPSK1/28.617.236.0
…

91256QAM5/6114.7229.4480.4
1011024QAM3/4129.0258.1540.4
1111024QAM5/6143.4286.8600.5

续表


MCS空间流个数
/MIMO调制方式码率
20MHz
空口速率
/(Mb/s)
40MHz
空口速率
/(Mb/s)
80MHz
空口速率
/(Mb/s)

…
1121024QAM5/6286.8573.51201.0
…1131024QAM5/6430.1860.31801.5
…1141024QAM5/6573.51147.12401.9
…1181024QAM5/61147.12294.24803.9

主流IEEE 802.11ax设备支持2条空间流，160MHz频宽，物理速率达到2401.9Mb/s。 如果支持4条空间流，160MHz频宽，或8条空间流，80MHz频宽，物理速率可以达到4803.9Mb/s。
2. 承载速率
WiFi实际承载以太网报文的速率，和物理速率有很大区别，原因如下： 
(1) IEEE 802.11帧头部开销大。
(2) 空口冲突避免机制需要消耗时间。
(3) ACK帧需要消耗时间。
(4) 管理帧需要消耗时间。
(5) 其他无线设备消耗时间。
(6) 由于障碍物、空间衰减，达不到最大的物理速率。
(7) STA空间流个数较少，或不支持最近的技术标准，或没有工作在最大频宽。
评估空口承载速率时，需要确认当前工作的技术标准、频宽、空间流个数、信号强度、干扰情况等因素。排除这些因素以后，一般可以达到的承载速率如表35所示。


表35WiFi各空口类型的实际感知速率



空口类型工作频宽
/(Mb/s)空口速率
/(Mb/s)理想测试速率
/(Mb/s)实际感知速率
/(Mb/s)

2×2 802.11n
20
144
80~95
60~75
3×3 802.11n
20
216
110~130
80~100
2×2 802.11ac
80
866
500~530
370~420

3×3 802.11ac
80
1300
650~750
580~650
续表


空口类型工作频宽
/(Mb/s)空口速率
/(Mb/s)理想测试速率
/(Mb/s)实际感知速率
/(Mb/s)

2×2 802.11ax
80
1200
900~960
700~750
4×4 802.11ax
80
2400
1800~1920
1400~1500
2×2 802.11ax
160
2400
1800~1920
1400~1500
4×4 802.11ax
160
4800
3600~3840
2800~3000

3.2.5WMM(WiFi多媒体标准)
通过WiFi承载视频，语音业务时，可以通过WMM机制，避免数据业务影响视频或语音业务的质量。前面说到，发送数据之前，需要等待“DIFS+随机时间”，支持WMM以后，DIFS改为AIFS。WMM定义了VO、VI、BE、BK 4种业务类型，不同业务类型的AIFS不同，随机时间的窗口不同，通过AIFS和随机窗口的差异，确保语音和视频业务更容易获得发送机会。WMM原理图如图322所示。


图322WMM原理图


语音和视频报文需要在IP头或VLAN tag中填写正确的优先级，确保能够映射到VO或VI队列。以VLAN tag优先级为例，6和7对应VO，4和5对应VI，3和0对应BE，2和1对应BK。
3.2.6WiFi测试标准TR398
在2019年世界移动大会上，BBF(Broadband Forum)携手华为、瑞士电信(Swisscom)、土耳其移动(Turkcell)、UNH等产业伙伴发布业界首个WiFi性能测试标准——《TR398 WiFi室内性能测试标准》。
该标准系统规范了一整套WiFi性能测试的范围、条件、测试用例及标准阈值，第一次完整地阐述了WiFi的测试标准，为用户WiFi体验提供了一把刻度精确的测量标尺，帮助电信运营商更高效地测试室内家庭网关的WiFi 性能，如图323所示。


图323为什么需要TR398


针对WiFi速率低，覆盖差，干扰多，质量不可视，问题难定位、难解决等影响WiFi体验的问题都有了详细的标准和测试规则，帮助运营商发展家庭网络和视频业务，把更好的宽带体验带入每个家庭。
1) TR398涵盖场景
TR398涵盖六大主要场景，针对用户体验和业务承载的关键要素进行评估量化。
(1) RF性能： 接收弱信号的能力，如64QAM IEEE 802.11an，其最小射频灵敏度＞38dB； 256QAM IEEE 802.11ac，其最小射频灵敏度＞21dB。
(2) 广覆盖： 通过墙壁和不同房间的性能为IEEE 802.11ac，短距离＞560m； 长距离＞100m； 吞吐量变化＜40%。
(3) 大带宽： 最大吞吐量为IEEE 802.11n 2×2＞100Mb/s； IEEE 802.11ac 2×2＞560Mb/s。
(4) 多用户： 支持32个STA，至少2Mb/s吞吐量。
(5) 抗干扰： 各种干扰下的性能损失为同频＜60%； 叠频＜60% ； 邻频＜5%。
(6) 稳定性： 24h吞吐率偏差＜20%。
2) TR398测试环境
WiFi性能测试环境容易受到外界因素和环境的影响，使用屏蔽房测试环境就是为了测试过程中减少这些外部因素带来的影响。
TR398测试环境主要是在实验室通过模拟无干扰的环境下，验证网关与一个及多个终端设备间性能测试，以验证设备在理想环境下的极限性能和真实家居场景中的实际表现，如图324所示。


图324TR398 TOP3 典型测试组网环境


TR398测试分类与测试项目如表36所示。


表36测试分类与测试项目



TR398测试类别测 试 用 例测 试 目 的适用组网环境

RF性能接收灵敏度测试(可选测试)测试网关接收和正确解调弱信号的能力A

大带宽
最大链接数测试验证网关最大接入数的能力，能否支持32个用户同时上线，且业务正常B
最大吞吐量测试最大吞吐量测试目的是测量DUT的最大吞吐量性能
通过空口短距离连接测试(结合WiFi实际使用情况)C

续表


TR398测试类别测 试 用 例测 试 目 的适用组网环境

大带宽
空口公平测试空口公平性测试旨在验证WiFi设备的能力C

广覆盖
RVR测试(拉锯测试)RVR测试： 测试WiFi性能随距离(信号强度)的变化测试A
空间一致性测试为了验证空间域内WiFi信号的一致性A

多用户
多终端性能测试多终端性能测试的目的是测量多个STA同时连接的WiFi设备的性能C
频繁上下线测试测试在频繁变化连接状态的动态环境下测量WiFi设备的稳定性B
下行MU MIMO性能测试(可选测试)测试网关下行MUMIMO的性能C

稳定性/健壮性长期稳定性测试长期稳定性测试是为了测量在压力下WiFi设备的稳定性。长时间(24h)持续监控吞吐量、连接可用性C

抗干扰同频领频干扰测试测试网关在干扰场景下的性能C

TR398标准首次系统性地从WiFi的RF发射功率、吞吐量、覆盖、多用户、抗干扰、稳定性六大维度出发，通过客观量化最终用户的体验，定义了WiFi 等效带宽(吞吐量)、不同距离下的速率和多用户在线的吞吐量等关键KPI指标，帮助电信运营商构建最佳视频体验的家庭网络。
虽然TR398标准清晰明确，但普通用户在挑选WiFi 网关时没有条件亲自测试，好在越来越多的机构已经认识到了WiFi用户体验的重要性，国内的测试机构百佳泰曾经发布了一份WiFi网关测试报告，其测试参考了TR398的标准，给普通消费者提供了一把衡量WiFi 质量的标尺。


3.3WiFi 6技术



随着视频会议、无线互动VR、移动教学等业务应用越来越丰富，WiFi接入终端越来越多以及IoT的发展，更多的移动终端接入了无线网络，家庭WiFi网络也随着众多智能家居设备的接入而变得拥挤。因此WiFi网络仍需不断提升速度，同时还要考虑是否能接入更多终端，适应不断扩大的客户端设备数量，满足不同应用的用户体验需求。
WiFi 6是IEEE 802.11ax标准的简称，随着WiFi标准演进，WFA为了便于WiFi用户和设备厂商轻松了解其设备连接或支持的WiFi型号，选择使用数字序号来对WiFi重新命名。IEEE 802.11ax标准于2019年正式推出，致力于解决因更多终端的接入导致整个WiFi网络效率降低的问题，引入了包括上行MUMIMO、OFDMA频分复用、1024QAM高阶编码等技术，从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题，目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量相比WiFi 5提高至少4倍、并发用户数提升3倍以上，因此，WiFi 6(IEEE 802.11ax)也被称为高效率无线标准High efficiency WLAN(HEW)技术。
3.3.1OFDMA频分复用技术
IEEE 802.11ax之前，数据传输采用的是OFDM模式，用户是通过不同时间片段区分出来的。在每一个时间片段，一个用户完整占据所有的子载波，并且发送一个完整的数据包，如图325所示。


图325OFDM模式


IEEE 802.11ax中引入了一种更高效的数据传输模式，叫OFDMA(因为IEEE 802.11ax支持上下行多用户模式，因此也可称为MUOFDMA)，它通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPP LTE。此外，IEEE 802.11ax标准也仿效LTE，将最小的子信道称为“资源单位”(Resource Unit，RU)，每个RU中至少包含26个子载波，用户是根据时频资源块RU区分出来的。我们首先将整个信道的资源分成一个个小的固定大小的时频资源块RU。在该模式下，用户的数据是承载在每一个RU上的，故从总的时频资源上来看，在每一个时间片上，有可能有多个用户同时发送，如图326所示。


图326OFDMA模式


OFDMA相比OFDM有3点好处。
(1) 更细的信道资源分配： 特别是在部分节点信道状态不太好的情况下，可以根据信道质量分配发送功率，来更精准地分配信道时频资源。不同子载波频域上的信道质量差异较大，IEEE 802.11ax可根据信道质量选择最优RU资源来进行数据传输。
(2) 提供更好的QoS： 因为IEEE 802.11ac及之前的标准都是占据整个信道传输数据的，如果有一个QoS数据包需要发送，那么其一定要等之前的发送者释放完整个信道才行，所以会存在较长的时延。在OFDMA模式下，由于一个发送者只占据整个信道的部分资源，一次可以发送多个用户的数据，所以能够减少QoS节点接入的时延。
(3) 更多的用户并发及更高的用户带宽： OFDMA是通过将整个信道资源划分成多个子载波(也可称为子信道)，子载波又按不同RU类型被分成若干组，每个用户可以占用一组或多组RU以满足不同带宽需求的业务。IEEE 802.11ax中最小RU尺寸为2MHz，最小子载波带宽是78.125kHz，因此最小RU类型为26子载波RU。以此类推，还有52子载波RU、106子载波RU、242子载波RU、484子载波RU和996子载波RU，表37显示了不同信道带宽下的最大RU数。


表37不同频宽下的RU数量



RU类型CBW20CBW40CBW80CBW160 and 
CBW80+80

26子载波 RU9183774
52子载波 RU481632
106子载波 RU24816
242子载波 RU1SU/MUMIMO248
484子载波 RUN/A1SU/MUMIMO24
996子载波 RUN/AN/A1SU/MUMIMO2
2x996子载波 RUN/AN/AN/A1SU/MUMIMO

RU在20MHz中的位置示意图如图327所示。


图327RU在20MHz中的位置示意图


RU数量越多，发送小包报文时多用户处理效率越高，吞吐量也越高，仿真收益如图328所示。


图328OFDMA与OFDM模式下多用户吞吐量仿真


3.3.2DL/UL MUMIMO技术
MUMIMO使用信道的空间分集在相同带宽上发送独立的数据流，与OFDMA不同，所有用户都使用全部带宽，从而带来多路复用增益。终端收天线数量受限于尺寸，一般来说只有1个或2个空间流(天线)，比AP的空间流(天线)要少。因此，若在AP中引入MUMIMO技术，则同一时刻可以实现AP与多个终端之间同时传输数据，大大提升了吞吐量。
SUMIMO与MUMIMO吞吐量差异如图329所示。


图329SUMIMO与MUMIMO吞吐量差异


1. DL MUMIMO技术
MUMIMO在IEEE 802.11ac中就已经引入，但只支持DL 4×4 MUMIMO(下行)。在IEEE 802.11ax中进一步增加了MUMIMO数量，可支持DL 8×8 MUMIMO，借助DL OFDMA技术(下行)，可同时进行MUMIMO传输和分配不同RU进行多用户多址传输，既增加了系统并发接入量，又均衡了吞吐量，如图330所示。


图3308×8 MUMIMO AP下行多用户模式调度顺序


2. UL MUMIMO技术
UL MUMIMO(上行)是IEEE 802.11ax中引入的一个重要特性，UL MUMIMO的概念和UL SUMIMO的概念类似，都是通过发射机和接收机多天线技术使用相同的信道资源在多个空间流上同时传输数据，唯一的差别在于UL MUMIMO的多个数据流是来自多个用户。IEEE 802.11ac及之前的IEEE 802.11标准都是UL SUMIMO，即只能接收一个用户发来的数据，多用户并发场景效率较低，IEEE 802.11ax支持UL MUMIMO后，借助UL OFDMA技术(上行)，可同时进行MUMIMO传输和分配不同RU进行多用户多址传输，提升多用户并发场景效率，大大降低了应用时延，如图331所示。


图331多用户模式上行调度顺序


虽然IEEE 802.11ax标准允许OFDMA与MUMIMO同时使用，但不要把OFDMA与MUMIMO混淆。OFDMA支持多用户通过细分信道(子信道)来提高并发效率，MUMIMO支持多用户通过使用不同的空间流来提高吞吐量，如表38所示。


表38OFDMA与MUMIMO的对比



OFDMAMUMIMO

提升效率提升容量
降低时延每用户速率更高
最适合低带宽应用最适合高带宽应用
最适合小包报文传输最适合大包报文传输

3.3.3更高阶的1024QAM调制技术
IEEE 802.11ax标准的主要目标是增加系统容量，降低时延，提高多用户高密场景下的效率，但更高的效率与更快的速度并不互斥。IEEE 802.11ac采用的256QAM正交幅度调制，每个符号传输8b数据(28=256)，IEEE 802.11ax将采用1024QAM正交幅度调制，每个符号位传输10b数据(210=1024)，从8~10的提升是25%，也就是相对于IEEE 802.11ac来说，IEEE 802.11ax的单条空间流数据吞吐量又提高了25%，如图332所示。


图332256QAM与1024QAM的星座图对比


需要注意的是，IEEE 802.11ax中成功使用1024QAM调制取决于信道条件，更密的星座点距离需要更强大的EVM(误差矢量幅度，用于量化无线电接收器或发射器在调制精度方面的性能)和接收灵敏度功能，并且信道质量要求高于其他调制类型。
WiFi物理速率计算方法： 
物理速率=空间流数量×［1/(Symbol+GI)］×编码方式×码率×有效子载波数量
(1) 空间流数量： 空间流其实就是AP的天线，天线数越多，整机吞吐量也越大，就像高速公路的车道一样，8车道一定会比4车道运输量更大。不同IEEE 802.11标准对应的空间流数量如表39所示。


表39不同IEEE 802.11标准对应的空间流数量



IEEE 802.11标准IEEE 802.11a/gIEEE 802.11nIEEE 802.11acIEEE 802.11ax

单射频最大空间流1488

(2) Symbol与GI： Symbol就是时域上的传输信号，相邻的两个Symbol之间需要有一定的空隙(GI)，以避免Symbol之间的干扰。就像中国的高铁一样，每列车相当于一个Symbol，同一个车站发出的两列车之间一定要有一个时间间隙，否则两列车就可能会发生碰撞。不同WiFi标准下的间隙也有不同，一般来说，传输速度较快时GI需要适当增大，就像同一车道上两列350km/h时速的高铁发车时间间隙要比时速250km/h时速的高铁发车间隙要大一些。IEEE 802.11标准对应的Symbol与GI数据如表310所示。


表310IEEE 802.11标准对应的Symbol与GI数据



IEEE 802.11标准IEEE 802.11ac之前IEEE 802.11ax

Symbol
3.2μs
12.8μs
Short GI
0.4μs
/

续表

IEEE 802.11标准IEEE 802.11ac之前IEEE 802.11ax

GI
0.8μs
0.8μs
2×GI
—
1.6μs
4×GI
—
3.2μs

(3) 编码方式： 编码方式就是调制技术，即1个Symbol中能承载的比特数量。从WiFi 1到WiFi 6，每次调制技术的提升，都能给每条空间流速率带来20%以上的提升。IEEE 802.11标准对应的QAM如表311所示。


表311IEEE 802.11标准对应的QAM



IEEE 802.11标准IEEE 802.11a/gIEEE 802.11nIEEE 802.11acIEEE 802.11ax

最高阶调制64QAM64QAM256QAM1024QAM
比特数/Symbol66810

(4) 码率： 理论上应该是按照编码方式无损传输，但实际情况总有各种干扰和损耗。传输时需要加入一些用于纠错的信息码，用冗余换取高可靠度。码率就是排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。IEEE 802.11标准对应的码率如表312所示。


表312IEEE 8802.11标准对应的码率



调 制 方 式IEEE 802.11a/gIEEE 802.11nIEEE 802.11acIEEE 802.11ax

BPSK
1/2
1/2
1/2
1/2
QPSK
1/2
1/2
1/2
1/2
QPSK
3/4
3/4
3/4
3/4
16QAM
1/2
1/2
1/2
1/2
16QAM
3/4
3/4
3/4
3/4
64QAM
2/3
2/3
2/3
2/3
64QAM
3/4
3/4
3/4
3/4
64QAM
5/6
5/6
5/6
5/6
256QAM
—
—
3/4
3/4
256QAM
—
—
5/6
5/6
1024QAM
—
—
—
3/4
1024QAM
—
—
—
5/6

(5) 有效子载波数量： 载波类似于频域上的Symbol，一个子载波承载一个Symbol，不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样。IEEE 802.11标准对应的子载波数量如表313所示。


表313IEEE 802.11标准对应的子载波数量



IEEE 802.11标准频宽IEEE 802.11nIEEE 802.11acIEEE 802.11ax

最小子载波带宽—312.5kHz312.5kHz78.125kHz

有效子载波数量
HT205252234
HT40108108468
HT80—234980
HT160—2×2342×980

至此，我们可以计算一下IEEE 802.11ac与IEEE 802.11ax在HT80频宽下的单条空间流最大速率，如表314所示。


表314IEEE 802.11ac与IEEE 802.11ax单条空间流速率



PHY1/(Symbol+GI)比特数/Symbol码率有效子载波速率

IEEE 802.11ac1/(3.2μs+0.4μs)85/6234433Mb/s
IEEE 802.11ax1/(12.8μs+0.8μs)105/6980600Mb/s

3.3.4空分复用技术SR和BSS着色机制
WiFi射频的传输原理是在任何指定时间内，一个信道上只允许一个用户传输数据，如果WiFi AP和客户端在同一信道上侦听到有其他IEEE 802.11无线电传输，则会自动进行冲突避免，推迟传输，因此每个用户都必须轮流使用。所以说信道是无线网络中非常宝贵的资源，特别在高密场景下，信道的合理划分和利用将对整个无线网络的容量和稳定性带来较大的影响。IEEE 802.11ax可以在2.4GHz或5GHz频段运行(与IEEE 802.11ac不同，只能在5GHz频段运行)，高密部署时同样可能会遇到可用信道太少的问题(特别是2.4GHz频段)，如果能够提升信道的复用能力，则会提升系统的吞吐容量。
IEEE 802.11ac及之前的标准，通常采用动态调整CCA门限的机制来改善同频信道间的干扰，通过识别同频干扰强度，动态调整CCA门限，忽略同频弱干扰信号实现同频并发传输，提升系统吞吐容量。
IEEE 802.11默认CCA门限如图333所示。


图333IEEE 802.11默认CCA门限


如图334所示，AP1上的STA1正在传输数据，此时，AP2也想向STA2发送数据，根据WiFi射频传输原理，需要先侦听信道是否空闲，CCA门限值默认为-82dBm，发现信道已被STA1占用，那么AP2由于无法并行传输而推迟发送。实际上，所有的与AP2相关联的同信道客户端都将推迟发送。引入动态CCA门限调整机制，在AP2侦听到同频信道被占用时，可根据干扰强度调整CCA门限侦听范围(比如从-82dBm提升-72dBm)，规避干扰带来的影响，即可实现同频并发传输。


图334动态CCA门限调整


由于WiFi客户端设备的移动性，WiFi网络中侦听到的同频干扰不是静态的，它会随着客户端设备的移动而改变，因此引入动态CCA机制是很有效的。
IEEE 802.11ax中引入了一种新的同频传输识别机制，叫BSS着色机制，在PHY报头中添加BSS color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”，为每个通道分配一种颜色，该颜色标识一组不应干扰基本服务集(BSS)，接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收，避免浪费收发机的时间。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟； 如果颜色不同，则认为两者之间无干扰，两个WiFi设备可同信道同频并行传输，如图335所示。以这种方式设计的网络，那些具有相同颜色的信道彼此相距很远，此时再利用动态CCA机制将这种信号设置为不敏感，事实上它们之间也不太可能会相互干扰。


图335无BSS着色机制与有BSS着色机制对比


3.3.5扩展覆盖范围ER
由于IEEE 802.11ax标准采用的是Long OFDM Symbol发送机制，每次数据发送持续时间从原来的3.2μs提升到12.8μs，更长的发送时间可降低终端丢包率，如图336所示； 另外IEEE 802.11ax最小可仅使用2MHz频宽进行窄带传输，有效降低频段噪声干扰，提升了终端接收灵敏度，增加了覆盖距离。


图336Long OFDM Symbol与窄带传输带来覆盖距离提升


3.3.6支持2.4GHz频段
我们都知道2.4GHz频宽窄，且仅有3个20MHz的互不干扰信道(1、6和11)，在IEEE 802.11ac标准中已经被抛弃，但是有一点不可否认的是2.4GHz仍然是一个可用的WiFi频段，在很多场景下依然被广泛使用，因此，IEEE 802.11ax标准中选择继续支持2.4GHz，目的就是要充分利用这一频段特有的优势。
(1) 覆盖范围。无线通信系统中，频率较高的信号比频率较低的信号更容易穿透障碍物，而频率越低，波长越长，绕射能力越强，穿透能力越差，信号损失衰减越小，传输距离越远。虽然5GHz频段可带来更高的传播速度，但信号衰减也越大，所以传输距离比2.4GHz要短。因此，我们在部署高密无线网络时，2.4GHz频段除了用于兼容老旧设备，还有一个很大的作用就是边缘区域覆盖补盲。
(2) 低成本。现阶段仍有数以亿计的2.4GHz设备在线使用，就算如今成为潮流的IoT网络设备也使用2.4GHz频段，对有些流量不大的业务场景(如电子围栏、资产管理等)，终端设备非常多，使用成本更低的仅支持2.4GHz的终端是一个性价比非常高的选择。
3.3.7目标唤醒时间
目标唤醒时间(Target Wakeup Time，TWT)是IEEE 802.11ax支持的另一个重要的资源调度功能，它借鉴了IEEE 802.11ah标准。它允许设备协商它们什么时候和多久会被唤醒，然后发送或接收数据。此外，WiFi AP可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，对采用电池供电的终端来说，大大提高了电池寿命。
IEEE 802.11ax AP可以和STA协调目标唤醒时间(TWT)功能的使用，AP和STA会互相交换信息，其中将包含预计的活动持续时间，以定义让STA访问介质的特定时间或一组时间，这样就可以避开多个不同STA之间的竞争和重叠情况，如图337所示。



图337广播目标唤醒时间操作


另外，支持IEEE 802.11ax标准的STA可以使用TWT来降低能量损耗，在自身的TWT来临之前进入睡眠状态。AP还可另外设定TWT编排计划并将TWT值提供给STA，这样双方就不需要存在个别的TWT协议，此操作称为“广播TWT操作”。


3.4WiFi Mesh组网技术



3.4.1WiFi Mesh组网概述
WiFi Mesh组网是几个网元通过Mesh协议自动协商形成一个互联互通的网络，包括如下几个部分： 
(1) WiFi Mesh组网模式包括树形组网、全网状组网。
(2) WiFi Mesh组网协议包括各种Link协议、EasyMesh等。
(3) WiFi Mesh组网工作流程包括网络拓扑生成、配置同步、拓扑自愈、漫游等。
3.4.2WiFi Mesh组网模式
在实际组网中， WiFi Mesh组网模式可以分为树形组网模式和全网状组网模式。
1. 树形组网模式
在树形组网环境中，用户可以预先指定与其相连的邻居，如图338所示。


图338树形组网模式


通过光纤、网线、电力等有线连接， WiFi回传都能正常传递。但对于WiFi回传，会存在以下限制。
(1) 理论上对于WiFi，如果采用相同5GHz信道组网，每经过一级连接后性能将减半。
(2) 对于扩展AP组网，采用5GHz高频和低频信道交叉组网，可实现性能不衰减。
2. 全网状组网模式
网状拓扑组网可以检测到其他局域网设备，并且形成链路。该网络拓扑会引起网络环路，使用时可以结合Mesh路由选择性地阻塞冗余链路来消除环路，在Mesh链路故障时还可以提供备链路备份的功能，如图339所示。


图339全网状组网模式


通过光纤、网线、电力等有线连接， WiFi回传都能正常传递。但对于WiFi回传，会存在以下限制。
(1) 进行AP节点全连接时，一般节点间连接采用同一个WiFi信道，多个节点连接后，性能快速下降。理论上，经过两级连接后性能将减半。
(2) AP节点间进行全连接后，保持信号弱的连接将直接带来开销，即使不考虑实际流量，但为了维持连接的管理报文一般采用低速连接，也会带来明显开销。
3.4.3WiFi Mesh组网协议
WiFi Mesh组网协议定义了网关和扩展AP之间互联互通的管理协议，Mesh组网协议目前有WFA联盟推出的EasyMesh 1.0/2.0，运营商也定义了eLink/AndLink/WoLink协议，还有许多设备厂商也定义了一些私有协议，比如华为SmartLink、高通SON等协议。这些协议的目标都是为了提高家庭WiFi Mesh组网效率、性能和保障家庭设备WiFi接入的一致性体验。
如图340所示，WiFi Mesh组网协议都是定义在链路层以上的管理协议。


图340WiFi Mesh组网协议


1. xLink协议
xLink协议基于TCP/CoAP/UPnP等协议扩展，主流的有eLink/AndLink/WoLink和SmartLink等。SmartLink是华为制定的双频智能网关与AP的组网协议，实现网关和AP间WiFi配置同步、漫游控制、拓扑调整、WiFi信息采集等功能。这些协议基于TCP/CoAP/UPnP协议扩展，在中国运营商已经大量应用，其协议的完整性、互通性都非常成熟，如图341所示。通常采用点到点的L3协议。


图341xLink协议


2. EasyMesh
EasyMesh连接管理协议基于IEEE 1905.1协议扩展实现，目前是WFA联盟推动的可选认证之一。
控制协议部分基于IEEE P1905.1协议扩展，属于L2.5协议，如图342所示。


图342EasyMesh协议


(1) 单播(Unicast)。
(2) 邻居组播(Neighbor Multicast)。
(3) 转发组播(Relayed Multicast)。
EasyMesh是WiFi联盟制定的网关与AP的组网协议，实现网关和AP间WiFi配置同步、漫游控制、拓扑调整、WiFi信息采集等功能。
3.4.4WiFi Mesh工作流程
WiFi Mesh工作流程如图343所示。首先生成拓扑，然后同步配置参数，接着拓扑自愈，最后进行漫游切换。


图343WiFi Mesh工作流程图


1. 拓扑生成流程
拓扑生成流程完成WiFi Mesh组网内网关与AP设备间的相互发现、连接建立。
以EasyMesh为例介绍整个Mesh建立的过程，如图344所示。


图344WiFi Mesh邻居发现流程


(1) 设备上线完成初始化之后，发送Topology Discovery报文。 Topology Discovery为组播报文，所有该设备的直接邻居都会收到该报文。然后通过Topology Query和Topology Response的交互，来获取详细的设备信息，更新到自己的列表中。
(2) 更新邻居关系表，当列表有变化时，就会触发发送Topology Notification报文。Topology Notification为转发组播报文，网络内所有设备都会收到该报文。收到Topology Notification报文的设备，又可以通过Topology Query和Topology Response的交互来获取到Topology Notification报文发送者的详细设备信息。
2. 参数配置同步流程
在WiFi Mesh连接建立之后，双频智能网关通过Mesh管理协议，将WiFi配置参数自动同步到扩展AP上，从而与扩展AP一起构成WiFi家庭覆盖网络。
下面仍以EasyMesh为例介绍WiFi参数配置同步流程。
(1) 当新的扩展AP接入EasyMesh网络时，网关通过APAutoConfig消息将当前WiFi接入参数下发给扩展AP，如图345所示。


图345WiFi Mesh参数配置同步1


用户STA接入到各个扩展AP与双频智能网关WiFi时，都是采用相同的SSID配置(SSID名称、认证加密方式、密码等)，因此不管当前是连接Mesh网络的哪个WiFi接入点，用户设备都不用做任何配置修改。
(2) 当网关的WiFi接入参数发生变更时，网关通过APAutoConfig Renew消息通知各扩展AP及时做同步刷新，如图346所示。


图346WiFi Mesh 配置同步2


当双频智能网关侧的WiFi接入参数变更时，双频智能网关也会通过Mesh协议将修改后的WiFi配置参数下发给各扩展AP实施更新，从而使得整个Mesh网络始终保持统一的WiFi接入参数。
3. 拓扑自愈流程
在AP都通过有线介质(比如以太网线、光纤)连接网关的情况下，WiFi Mesh组网的拓扑是固定的，不会发生变化，因此不存在拓扑选路的问题。
当AP通过WiFi级联时，由于WiFi空口连接存在不确定性，且WiFi链路可以根据连接质量进行切换，因此就存在组网拓扑选路的问题，该问题的核心诉求是优化Mesh组网的整体性能。组网拓扑选路通常在下述情况下触发。
(1) 当AP上电启动时，该AP自动去选择一条性能最佳的级联路径，如图347所示。


图347AP启动时自动选择最佳级联路径示意图


(2) 当WiFi组网内的某个AP发生故障或者断电时，与之相连的扩展AP需要自动调整组网，如图348所示。


图348AP故障时组网拓扑优化图


(3) 当某AP上线时，也可能会导致组网拓扑需要相应做优化调整，如图349所示。


图349AP重新上线时组网拓扑优化图


通常组网拓扑选路会考虑以下因素： 
(1) WiFi回传通道的带宽。
(2) WiFi回传通道的链路质量，可通过RSSI、丢包率、干扰等指标来衡量。
(3) WiFi级联的层级。
网关也可根据WiFi Mesh整网状态主动要求其中某扩展AP进行重新选路。以EasyMesh规范为例，它定义了网关如何控制扩展AP去执行拓扑调整的消息交互，如图350所示。EasyMesh规范当前还没有规定具体触发拓扑调整的条件以及如何选择出最合适的拓扑路径，不同厂商会根据自身理解去实现算法，最终所表现出来的拓扑调整时机、拓扑是否最优选路等方面也会有差异。


图350网关控制扩展AP执行拓扑调整


4. 漫游切换
当家庭网络WiFi Mesh组网完成后，在使用诸如手机、平板等无线终端在家庭内部移动的过程中，如果无线终端逐渐远离了原先连接的AP，那么其WiFi信号将越来越弱。这时候就要将无线终端切换其WiFi连接到一个距离更近的AP，以保障WiFi接入服务的质量，这种切换过程就称为WiFi漫游，如图351所示。


图351WiFi 漫游切换


WiFi漫游具有如下特征： 
(1) 用户STA可以在同一个WiFi网络中任意移动，对家庭网络而言，同一WiFi体现为WiFi Mesh组网各设备提供相同的SSID名称及密码。
(2) 用户STA的标识(IP地址)不改变，客户端在连接网络初期获得了IP地址，在整个漫游过程中IP地址不改变。
(3) 保证用户当前业务不中断，在漫游的整个过程中，客户端的业务不中断。
用户STA在家里移动过程中，能否及时且成功地执行WiFi漫游切换、业务是否会中断，这些都是会影响用户体验的重要因素。
早期WiFi标准未针对WiFi漫游做明确规定，各厂商STA要么不支持WiFi漫游、要么根据各自算法来实施漫游，导致用户体验参差不齐。进入WiFi 5时代之后，IEEE标准组织及时发布了IEEE 802.11k/IEEE 802.11v等协议规范，为在WiFi组网内如何实施漫游控制给出了标准指导。
家庭网络WiFi Mesh组网场景下，基于IEEE 802.11k/IEEE 802.11v协议实施WiFi漫游切换控制的参考流程如图352所示。


图352基于IEEE 802.11k/IEEE 802.11v协议实施WiFi漫游切换流程


(1) AP不断对STA信号质量进行实时检测，比如RSSI、速率、丢包率等指标，以RSSI为例，当某STA的RSSI低于某阈值或者弱化趋势明显时，则AP判断该STA可能需要漫游，AP(如图352中的AP1)将该STA信息上报给网关、触发后续的漫游判断。
(2) 网关根据WiFi Mesh组网信息及各AP当前工作状态，筛选出可供备选的AP(如图352中的AP2)。
(3) 网关给该STA当前接入AP1下发Mesh控制指令，让它通过IEEE 802.11k指示该STA去探测出备选AP的信号情况。
(4) AP1与STA直接进行IEEE 802.11k beacon request/report交互，从STA获取到备选AP的信号强度，将此结果上报给网关。
(5) 网关根据WiFi漫游算法对备选AP做判决，选取出合适的作为最终要切换过去的目标AP，之后给AP1下发Mesh控制指令、让它将该STA切换到目标AP。
(6) AP1给该STA下发IEEE 802.11v BSS Transition Management切换指令、指示STA漫游到目标AP。
(7) STA根据指示，重关联到目标AP，WiFi信号变好，完成本次漫游切换过程。
网关与各AP之间控制消息的传递均是通过WiFi Mesh组网协议来完成，而AP与STA之间的指令交互则是通过标准的IEEE 802.11k/IEEE 802.11v消息来完成。