詳解WIFI 6、CSMA/CA、CCA與BSS COLORING

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)于更快速、更穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求日益增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)這一需求，WiFi 6作為最新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代表，引入了一系列先進(jìn)的機(jī)制，其中包括CSMA/CA、CCA和BSS Coloring。本文從通信物理層算法，MAC協(xié)議角度對(duì)這三個(gè)策略原理機(jī)制進(jìn)行通透的闡明，帶您更加深入地理解WiFi 6背后的關(guān)鍵概念和原理。

1. CSMA/CA:CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）

在wifi6之前，wifi系統(tǒng)采用CSMA/CA機(jī)制，避免信道干擾。CSMA/CA 工作流程如下：

（1）檢測(cè)信道是否空閑。通過(guò)檢測(cè)信道上的信號(hào)功率與設(shè)定功率門(mén)限值比較得出結(jié)論，下文細(xì)講如何判斷信道空閑（CCA機(jī)制）。若空閑則準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待。

（2）若信道空閑，則發(fā)射設(shè)備向目標(biāo)設(shè)備發(fā)射RTS(request to send)請(qǐng)求發(fā)送，目標(biāo)設(shè)備回復(fù)CTS(clear to send)。發(fā)送設(shè)備發(fā)射數(shù)據(jù)，目標(biāo)設(shè)備回復(fù)ACK信號(hào)。見(jiàn)下圖。

2. CCA(Clear Channel Assessment 空閑信道評(píng)估)

首先我們要搞清楚一個(gè)概念就是信道底噪，信道底噪概念接近于RF接收天線的底噪，常用計(jì)算方法：（-174+信號(hào)帶寬對(duì)數(shù)+噪聲系數(shù)，單位dBm），是計(jì)算接收機(jī)靈敏度的噪聲部分。通常CCA有兩個(gè)門(mén)限一個(gè)信號(hào)檢測(cè)門(mén)限（Signal Detect，SD），一個(gè)是能量檢測(cè)門(mén)限（Energy Detect,ED）。

信號(hào)檢測(cè)門(mén)限(CCA-SD)：用于檢測(cè)信道中是否有802.11信號(hào)的前導(dǎo)碼，由于前導(dǎo)碼是周期性時(shí)域信號(hào)，也是所有802.11物理包共用的，可以用相關(guān)算法檢測(cè)出來(lái)。只要信噪比SNR>4dB，就是前導(dǎo)碼功率與底噪功率比值>4dB。

能量檢測(cè)門(mén)限（CCA-ED）：通常為高于信號(hào)檢測(cè)門(mén)限(CCA-SD)20dB,CCA-ED=CCA-SD+20dB。

判斷信道是否忙，通常把接收信號(hào)功率與信號(hào)檢測(cè)門(mén)限，能量檢測(cè)門(mén)限比較判斷，各個(gè)設(shè)備商不一樣。

3. BSS coloring

3.1 BSS color 標(biāo)記

BSS coloring 策略就是不同AP 有不同的身份標(biāo)記，在PHY就是6bits bss color 標(biāo)記。該標(biāo)記在PHY PPDU的前頭HE-SIG-A的HE-SIG-A1中共6bits。放在這個(gè)位置的原因是接收機(jī)不用對(duì)整個(gè)PPDU解包，就可以直接判斷。BSS color 標(biāo)記見(jiàn)下圖。HE-SIG-A在PPDU包中的位置，參考802.11 spec。

HE-SIG-A 分為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，見(jiàn)下圖，參考802.11 spec。

3.2 利用BSS color 標(biāo)記加強(qiáng)空間復(fù)用提高系統(tǒng)容量

下圖中不同數(shù)字符號(hào)表示不同WiFi 設(shè)備所使用信道分布圖。

若沒(méi)有BSS coloring，以36信道為例子，則周?chē)G線和藍(lán)線使用36信道設(shè)備會(huì)對(duì)左上角的使用36信道設(shè)備產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致左上角設(shè)備一直認(rèn)為信道被占用，不發(fā)包。使用BSS coloring機(jī)制后，不同顏色的BSS coloring，如綠線連接使用36信道的設(shè)備不會(huì)造成干擾，只有紅線連接的兩個(gè)使用36信道設(shè)備會(huì)互相干擾。這與在BSS color 下CCA 評(píng)估信道空閑方法變化有關(guān)。

在BSS color 機(jī)制下，接收端接收到數(shù)據(jù)包，計(jì)算接收信號(hào)功率，并解調(diào)判斷HE-SIG-A1中的BSS color 字段，并判斷是否與相關(guān)聯(lián)的AP一致，如果一致則認(rèn)為信號(hào)來(lái)于MYBSS，這時(shí)判斷信道干擾門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)就比較低，例如使用上文提到的CCA信號(hào)檢測(cè)門(mén)限（CCA-SD）標(biāo)準(zhǔn)，把接收信號(hào)功率于CCA-SD比較，判斷信道是否空閑，若接收信號(hào)功率高于信號(hào)檢測(cè)門(mén)限則認(rèn)為信道忙。若BSS color 字段與相關(guān)聯(lián)的AP不一致，則認(rèn)為信號(hào)來(lái)自O(shè)BSS（Overlapping Basic Service Sets），判斷信道是否空閑的門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)要比CCA信號(hào)檢測(cè)門(mén)限高，可以采用CCA-ED門(mén)限，這個(gè)門(mén)限可以自適應(yīng)調(diào)整，這樣就不輕易認(rèn)為存在信道干擾，而不敢發(fā)包。從而提高空間復(fù)用。

下圖（參考cisco圖）中左邊是wifi4，5判斷信道干擾方法，沒(méi)有BSS 機(jī)制，判斷信道空閑同一采用CCA-SD 門(mén)限，這樣很輕易就判斷信道忙。而右邊圖是wifi6 采用BSS color 用兩個(gè)門(mén)限，如果解析HE-SIG-A的BSS color 字段是與相關(guān)聯(lián)的AP 一致則采用 CCA-SD 門(mén)限判斷信道是否空閑，否則用CCA-ED判斷信道是否空閑。

WiFi 6的引入為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了更高的速度、更低的延遲和更好的容量，同時(shí)也提供了一系列創(chuàng)新的技術(shù)機(jī)制。通過(guò)深入理解WiFi 6中的CSMA/CA、CCA和BSS Coloring等關(guān)鍵概念和原理，我們能夠更好地把握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性，并為未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展做出更有價(jià)值的貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和演進(jìn)，我們可以期待WiFi 6在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為我們的數(shù)字化生活帶來(lái)更好的體驗(yàn)和便利。