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Wi-Fi 6能否成功取决于其控制系统?

2021-06-09 Bill McFarland 阅读:
尽管Wi-Fi 6在技术上已经取得了不小的突破,但如果不对家庭Wi-Fi网络进行智能化管理和优化,这种技术的新功能就无法发挥其全部价值。本文将介绍Wi-Fi 6最重要的几项功能、可能出现的问题以及解决方法。

Wi-Fi 6终于进入了消费者家庭!如果业界预测正确,这项技术将成为未来十年的主要技术之一。Wi-Fi联盟预期仅今年就会有将近20亿台Wi-Fi 6设备提供给消费者、商业实体和政府机构。人们热烈地讨论着Wi-Fi 6将如何改变消费者体验和互联环境,热闹的背后隐藏着一个事实:Wi-Fi 6的成败将取决于其控制系统。Zq9ednc

尽管Wi-Fi 6在技术上已经取得了不小的突破,但如果不对家庭Wi-Fi网络进行智能化管理和优化,这种技术的新功能就无法发挥其全部价值。Wi-Fi 6要在拥挤的家庭网络环境中真正改善用户体验,需要其他一些工具进行辅助,例如网络优化和控制。Zq9ednc

本文将介绍Wi-Fi 6最重要的几项功能、可能出现的问题以及解决方法。Zq9ednc

160MHz信道带宽

大多数Wi-Fi 6设备都会支持160MHz信道,尽管Wi-Fi 5也具有这种能力,但很少有Wi-Fi 5设备支持带宽超过80MHz的信道。理论上讲,信道带宽加倍,吞吐量也会翻倍,因此用户可以体验到加倍的下载速度和加倍的分辨率。Zq9ednc

问题在于,包括美国在内的大多数国家目前都只有两个独立的160MHz信道可用,而且带宽较小的设备也在共享这些信道。在密集环境中,这将造成很大的问题。在这种环境中,多个设备相互竞争,并且不同用户的信道相互重叠,最终产生很大的干扰。Zq9ednc

为了缓解这个问题,可以进行特殊的网络配置。首先,需要对160MHz传输中80MHz子信道上的干扰进行检测及预测,以便信道分配和带宽选择能够智能地完成。另外,考虑环境中的整体干扰情况也很重要,这样才能优化整个楼栋(或相邻楼栋)里信道分配,并且在需要的地方分配更多的资源。Zq9ednc

这样的配置通过本地管理的网络是无法实现的,必须在云端进行集中处理。例如,在一个楼栋中,云平台将分析负载和设备类型等因素,并考虑每个接入点(AP)网络中曾经和现在存在的所有客户端和负载,然后根据这些数据进行分析,为整个建筑楼栋中的每个AP分配信道带宽。Zq9ednc

为了尽量减少相邻楼栋之间产生冲突,还可以将频道“铺开”。而且,在不得不复用信道的情况下,优化平台会对之前的状况进行分析,并选择问题最少的楼栋来共享频道。Zq9ednc

OFDMA

正交频分多址(OFDMA)是Wi-Fi 6的一项主要技术,它通过对信道进行更小的频率分配(资源单元)来提高效率和容量,数据从一个AP并行发送,因此可以同时传输到大量设备。这避免了802.11数据包开销和时间浪费,尤其是在物联网和其他低数据速率设备的数据传输中。Zq9ednc

但是有一个问题,只有当大量物联网设备共享一个AP时,OFDMA才能发挥其作用提高效率。这种情况在今天的智能家居中并不常见,现在的智能家居网络已经发展成为包含网状网络、中继器或多个网关的多AP拓扑。Zq9ednc

如果只允许客户端连接到最近的AP,那么每一个AP不会有足够的设备组合起来进行OFDMA传输。但是,强迫客户端连接到距离较远的AP又将导致数据速率下降。这意味着OFDMA运行需要严格的优化和客户端匹配。Zq9ednc

支持OFDMA的客户端匹配原理很复杂。这需要一个集中式智能网络控制器来了解哪些AP和客户端具有Wi-Fi 6功能,同时还要考虑历史观察数据,以便对每个客户端的数据需求都做出前瞻性预测。Zq9ednc

然后,控制器会根据功能、需要承载的流量、信号强度和设备的数据使用情况,对每个设备应连接到哪个AP做出最佳选择。最后,控制器还要具备对每个设备进行匹配的能力(每种设备类型都有专用的匹配机制),并将其保持在正确的AP上,即便它不是离设备最近的AP。图1显示了相邻接入点之间的争用问题。Zq9ednc

目标唤醒时间

目标唤醒时间(TWT)可延长设备电池寿命,因为它使设备只是偶尔传输数据或以低占空比运行。AP为此保留了一个时间窗口,用来唤醒每个客户端、进行快速通信并返回睡眠状态,同时预留广播时间,使其不被其他通信占用。Zq9ednc

在家庭网络中,几个AP经常在同一频道上运行,这意味着多个AP可能会尝试为不同的设备安排相同的TWT。为了避免重叠,可利用云端的中央调度程序来协调同信道AP的TWT周期。为使家庭网络中每个AP上的TWT安排达到最优,调度程序需要了解所有TWT客户端的传输要求、AP间的共享信道、哪些客户端连接到哪个AP以及AP与客户端之间的信号强度。Zq9ednc

在一个楼栋中,优化器还可以查看它所控制的所有重叠网络,并对整个楼栋内的TWT分配和设备分组进行规划。控制器会考虑哪些房屋的数据相互干扰,以及每套房屋的客户端功能和负载要求。Zq9ednc

6GHz频率

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图1:处理相邻接入点之间的争用问题。(图片来源:IEEE)Zq9ednc

6GHz频谱的低功率应用和高功率应用都存在一些问题。由于低功率传输(18dBm/63mW)无法进行远距离传输或以高数据速率传输,因此一个优化系统就需要更复杂的多AP配置来选择合适的网络拓扑,以及进行频率分配和客户端匹配。另一方面,如果要使用自动频率控制(AFC)系统(30dBm/1W),则用于传输的频道不能与附近的微波系统冲突。这就涉及AP与智能控制器之间的通信,智能控制器用于查找FCC数据库、考虑地理数据及计算干扰水平,然后将指令返回AP。Zq9ednc

无论哪种模式,控制器在分配网络无线电资源之前都必须考虑客户端类型、负载和功能这些因素。AP使用6GHz频段并非总是最佳选择,而是要视网络中客户端的能力而定。例如,AP将6GHz频段用于回程连接可能会有助于回程,但性能却很可能不如使用5GHz频段好。因此,不具备6GHz的高性能客户端可能会以较低的速度连接,从而影响了家庭使用体验。Zq9ednc

审慎而乐观

家庭网络会变得更加拥挤和复杂。美国家庭现在已经平均拥有14.5台联网设备。到2023年,全球智能设备的出货量预计将增长至14亿。Wi-Fi 6的黄金时代已经来临。Zq9ednc

然而,家庭网络如果没有智能化管理和优化,Wi-Fi 6将无法发挥其优势。这个新的连接时代若要满足大家的期望,必须解决技术的局限性。这是一项复杂的任务,但只要方法正确,Wi-Fi 6仍然触手可及。Zq9ednc

作者介绍:Zq9ednc

Bill McFarland是Plume公司首席技术官,负责数据科学、优化、标准、知识产权和法规事务相关项目。Bill曾是高通公司的技术副总裁和Atheros Communications的首席技术官,有80多项专利,撰写了35篇技术论文。他拥有斯坦福大学电气工程学士学位和加利福尼亚大学的电气工程硕士学位,并于2014年当选为IEEE院士。Zq9ednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版,参考链接:Potential of WiFi 6 Limited Without Intelligent Management,由Jenny Liao编译。Zq9ednc

本文为《电子技术设计》2020年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Zq9ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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