5G 和 Wi-Fi 市场与技术的一些思考系列之一

笔者作为多年的通信人，曾经在四大洲的不同国家以及多家运营商和厂商工作。特别是在瑞士的领先运营商 Sunrise 工作期间曾经深度参与 5G 的战略规划、部署和实施，同一期间推出了相应的 VoWifi 技术。围绕着 Wifi 特别是 Wifi6 及后续技术和传统无线语音技术，在曾经的项目实施中，很多公司和个人有很多困惑，在两种技术的选择上迟疑不决，即使是在 B2B 的领域不乏有技术实力和充分资金的公司。本文将分三篇，从 Wi-Fi 技术回顾，Wi-Fi 技术发展和一些特别的环节对这个话题结合自身的经验进行尽可能充分的讨论

1      Wi-Fi 技术回顾

Wi-Fi 更为人所熟知的一个名称是无线热点，它是基于 IEEE 802.11 标准族的无线局域网络技术。相比于传统的有线局域网络，是利用无线技术进行传输的系统。在该技术的发现之初，主要的应用场景是对局域网的一种补充，而随着技术的不断发展，可以应用的场景越来越多，技术手段也越来也越丰富。Wi-Fi 商标属于 Wi-Fi 联盟(Wi-Fi Alliance)， 通常经过 Wi-Fi 联盟认证的商品用 Wi-Fi Cerficiated 来进行标识。无论通过维基或者 IEEE 的网站，我们最早所能了解的 Wi-Fi 技术可以回溯到上世纪 7/80 是年代，而 Wi-Fi 在民用品中大规模的展开，是随着几项关键的技术和标准一起而展开的。在 1999 年发布的 IEEE 802.11a 修正案成为最早广泛使用的一个标准，而通过 2.4GHz（延用至今）提供 11Mbps 的 802.11b 则取得了真正意义上的市场成功。除了 2.4GHz，另外一个今天为人所熟知的 Wi-Fi 频段 5GHz（区别于 3GPP 的第五代无线通信技术 5G，下文会继续阐述），则使用了另外一种重要的技术手段：OFDM，正交频分复用。

2      Wi-Fi 技术发展趋势

在本节中我们会先简要的阐述一下 Wi-Fi 技术的关键构成，相应的标准所针对的 OSI 的层面，在此基础上再来看过去二十年中 Wi-Fi 技术发展的历史和趋势。

2.1    802.11 协议族

为了保证技术讨论的连贯性，一个老生常谈却无法避免的话题是关于 IEEE 802.11。熟悉 OSI 的技术人员都知道七层模型，其中的一层和二层分别针对物理层 Physical layer 和数据链路层 Data Link Layer，而数据链路层又分别有两个子层：LLC 和 MAC。

IEEE 802.11 特指 IEEE 802 标准委员会下属的的工作组和相应的标准，所有 Wi-Fi 相关的 802.11 协议族都是围绕着 MAC 子层和物理层相关的技术来展开的，例如我们所熟知的 OFDM、MIMO 都是通信调制技术，而 WEP、WPA、WPA2 等都属于加密技术。在后面的技术对比中会围绕着相关的话题选择性的展开。在 IEEE 的 Communications Survey & Tutorials 的杂志上于 2016 年第四季度发表了关于高效无线局域网的调查，其中就 802.11 协议族做了一个系统性的总结

通读全文，我们可以简单的将 802.11 协议族归纳为几个大的方面：

l  频谱

l  管理层

l  连接

l  安全

l  漫游

l  应用

除专业的读者外，我们多数时候主要的关注点集中在连接和安全这两个方面，即例如 802.11a/b/g/n/ac/ad/ax 主要演进都是在 PHY 和 MAC 层上，也如前面的章节所述。

下面用一张表简单的总结一下从第一代 Wi-Fi 到第六代 Wi-Fi 的技术差异点。

2.2    802.11 协议的帧结构详解

熟悉以太网的读着都会对以太网 802.3 的帧结构了然于胸，802.11 协议的发展和 802.3 协议有类似也有不同，其中一个显著的不同是在 MAC 层面上，802.11 协议族在几代 Wi-Fi 的发展上对 MAC 做成了各种各样的变化。举个例子来说，在 Wi-Fi6 802.11ax 中引入的 BSS coloring 技术，其主要的目的就是为了提高空间复用率，同时兼顾由于 BSS 互相干扰导致的速率降低问题。BSS coloring 技术通过 PHY 和 MAC 层的一些字段增加，进行了着色标记，从而实现前面所说的目的。在后面的章节中需要讨论 Wi-Fi 技术的发展，比较几代特别是 Wi-Fi6 和技术亮点，尽可能的前瞻未来 Wi-Fi 的发展如 Wi-Fi7，所以在此之前很有必要将 802.11 协议的基础细节如帧结构做一个快速和全面的回顾。

确切的说 802.11 协议和 Wi-Fi 并不能够划等号，我们平时口中的 Wi-Fi，Wi-Fi5，Wi-Fi6 只是整个 802.11 协议族的一个子集，802.11 协议的帧结构包括三大类型：数据，控制，管理，其中数据帧 0b10 主要用于传输数据，控制帧 0b01 用于握手通信和正向确认，管理帧 0b00 则用于 AP 和 STA 之间的协商和控制。当然随着技术的发展现在还有新的扩展帧 0b11。这四大类帧结构下面又分别定义了近五十种子类型，下面我们主要聚焦在通用的帧结构以期先对全景图有一个了解。

通过 Data Network Resource 上的这张图，我们清晰的看到 802.11 通用帧的结构。

802.11 帧结构以两个字节的帧控制 Frame Control 开始，紧随其后的是两个字节的持续时间位 Duration，地址字段根据 Frame Control 所确定的不同帧类型定义了不同的地址类型，在地址帧之后是两个字节的控制顺序位 Sequence Control，主要的目的是防止乱序、重组帧片段，帧主体 Frame Body 则包括了 SSID，速率，安全等信息。

在上图中我们打开帧控制 Frame Control 来细看，里面一共包括 11 个部分共 16 位：

• Ver：版本位，对于目前所走的标准，协议版本均为 0

• Type 和 Subtype：定义帧的类型和子类型，前文已经有所简要介绍。

• To DS 和 From DS：定义帧的目的地或发送地是否为分布式系统

• MoreFrag：更多分片位，用于指示该帧后是否还有分片，如果一个 MSDU 还有其它分段存放在后继的帧中，该字段置 1

• Retry：重传

• Power Mgmt：是否进入省电模式

• More Data：指示有多重帧需要缓冲到 STA，如果某 STA 还有 MSDU 要发往处于节能模式的 STA，那么发送 STA 将该字段置 1；其它置 0

• WEP：帧是否收到链路层安全协议保护。

• Order：帧是否顺序传输，所有采用 StrictlyOrderde 服务级别的数据帧，该字段置 1，标识向接收 STA 声明这些帧必须按顺序处理。

除了 Frame Control 字段外，下面几个小节笔者针对比较重要的几个字段进行相应的说明。在此之前应该重申，对于一般的网络管理员了解和使用 Wi-Fi 技术并不需要对这些细节进行掌握，但是对于希望深入了解 Wi-Fi 细节，在各种主流的无线技术之间进行部署前的比较和选择，则需要构建基础的框架。举个例子而言，Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 5 即 802.11n，802.11ac 是通过 MAC 层和 PHY 层的持续优化来解决速率、服务质量、用户体验和安全等通用问题，例如聚合帧用于提交网络效率，理解帧聚合技术必须对 MSDU 和 MPDU 等概念有深入认识。而目前已商用的最新标准 802.11ax 即 Wi-Fi 6 中为了提高总的吞吐率，进一步提升终端的能耗效率，则更加进一步的优化和修改了之前的帧格式

2.2.1    Duration 位

Duration 位如图 2 所指示，占据 802.11 协议的两个字节共 16bit。Duration 位承载了 NAV 值，即 Network Allocation Vector。NAV 直接决定介质的使用时间，这个字段非常重要。从网络安全防御的角度讲，有针对 NAV 的 duration 攻击：即典型而传统的 DDoS 攻击思路，通过发送超大 Duration 时间值的帧，强迫其他节点等待，直至该值变为零。而从 802.11 协议发展的角度来看，虚拟载波监听机制是 802.11 协议基础的基础。熟悉以太网的读着都应对 CSMA/CD 机制了然于胸，即基于冲突检测的载波监听多路访问技术，英文全称为 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，在同一个冲突域中通过载波侦听，来检测传输是否冲突，检测冲突的同时会通过发送 backoff 和重传。具体机制本文不做更详细的介绍，有兴趣的读着可以参考 IEEE 802.3 相关的以太网规范。

从逻辑上而言，802.11 所使用的 CSMA/CA 机制和 CSMA/CD 机制一脉相承，其核心的思想是对将要使用的信道进行监听，只有等到信道空闲时才会接入。但是两者又有着巨大的差别，其中一个根本的原因是 802.11 只有一个冲突域。CSMA/CA 的全称是 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance。CSMA/CA 的机制在这里不再展开来叙述，有兴趣的读着也可以参照具体的规范，在未来关于 802.11 发展的章节中我们可能还会需要用到这个概念，届时会有具体介绍。

对于载波侦听而言分为两类，即物理载波侦听和虚拟载波侦听，顾名思义：物理载波侦听主要检测的是功率和信号，而虚拟载波侦听并不检测实际的物理信道，而是通过控制信息来获得信道的占用情况，这里的控制信息即 Duration 位和相应的值，各个站点将占用信道的时间通知给其他站点，这个值用 NAV 的形式表现。在 IEEE 802.11-02 (2003)中有如下描述：

当该字段被解析为 Duration 时，其作用为设置 NAV 的计数器，从而使得物理载波侦听后可以进行竞争和发送。在其他一些场合下该字段还有更多灵活的用法。

2.2.2    地址位

熟悉 802.3 以太网机制的读着都会了解 MAC 字段的目的地址和原地址的概念，802.11 和 802.3 的机制有所类似却又所不同，在下面的表中对于其用法有一个简要介绍。

实际上我们可以清晰的看到，对于 MAC Header 里面的地址位的定义实际上是通过 Frame Control 里面的两个 bit To DS 和 From DS 来实现的。其中 DA 和 SA 一目了然和易于理解，其地址的定义是通过 IEEE 802 网络的规范，地址长度 48bit，广播组播和单播地址的区分则是第一比特是否为 0 来实现。这里需要专门强调的是其不同于传统以太网地址的部分，即 BSSID，其全称为 Basic Service Set ID，在 802.11 的范畴指示基站无线界面的 MAC 地址。

在上表中第四种用法是非常特别需要强调指出的，在分布式的环境中，即由多个 AP 所组成的 WDS：Wireless Distribution System，由一个传统的 CS 架构中从源地址向目的地址发送数据的过程中需要通过中间的 AP 节点接力，TA 和 RA 则用于描述 Transmitter 和 Receiver 的地址。

802.11 的各个类型的帧具体细节非常繁复，本文的目的不是介绍 802.11 的各个细节，而是旨在为后面的技术讨论和选择打下一个坚实的对话基础。对该话题感兴趣的读着可以参考 Orielly 于 2005 年出版的“802.11® Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition”，这是一本非常详实准确的参考书。