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。