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Feb 11, 2025
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2025-02-11-the-BSS-coloring-feature-of-WiFi6
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WiFi
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在802.11ax也就是WiFi6中引入了一种BSS Coloring特性，这种特性用于优化和解决在高密度环境中多个基本服务集（BSS）之间的无线干扰问题。
在传统的Wi-Fi网络中，如果两个相邻的BSS网络使用相同的信道，它们之间在通信的过程中所发送的信号会相互干扰，导致两个网络的通信性能均明显下降。因为，一旦发生同信道的无限冲突，对于每一个通信节点，都需要增加重传尝试来把数据包放到通信的对端，这样才能避免潜在的数据丢失，无线冲突和重传太多，严重劣化了网络的通信性能。而WiFi6中所推出的BSS Coloring机制可以减少这种不必要的干扰，提高了网络性能和信道利用率。
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WiFi
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在802.11ax也就是WiFi6中引入了一种BSS Coloring特性，这种特性用于优化和解决在高密度环境中多个基本服务集（BSS）之间的无线干扰问题。
在传统的Wi-Fi网络中，如果两个相邻的BSS网络使用相同的信道，它们之间在通信的过程中所发送的信号会相互干扰，导致两个网络的通信性能均明显下降。因为，一旦发生同信道的无限冲突，对于每一个通信节点，都需要增加重传尝试来把数据包放到通信的对端，这样才能避免潜在的数据丢失，无线冲突和重传太多，严重劣化了网络的通信性能。而WiFi6中所推出的BSS Coloring机制可以减少这种不必要的干扰，提高了网络性能和信道利用率。
要理解BSS Coloring的工作原理，首先需要理解WiFi通信节点在信道监听中所采用的CCA（Clear Channel Assessment，信道空闲评估）机制的工作流程。
CCA信道空闲评估流程
在wifi通信中，每个通信节点在发出数据之前，都首先要监听当前的信道是否是空闲的（即同一信道下是否有另外一个节点正在发送数据）。每个通信节点只有在确认当前信道空闲的情况下，才能向外发送数据，这就是物理载波监听的机制。而对于每个通信节点而言，如何评估当前的通信信道是空闲的，就是CCA机制，即信道空闲评估。
在CCA机制的具体实现上（此处只关注物理层载波监听，不关心虚拟载波监听NAV），其核心机制可分为 能量检测（Energy Detection, ED） 和 载波侦听（Carrier Sense, CS） 两个方面。
载波侦听（CS）
物理层载波侦听的核心运行逻辑为：只要物理层能够有效的检测和解调出来Wi-Fi前导码（如802.11协议定义的OFDM符号或DSSS头），那么无论当前信号能量是否超过阈值，均判定当前的通信信道为繁忙。
具体的实现细节是，CS通过解码前导码中的 SFD（Start Frame Delimiter）字段或 PLCP头（Physical Layer Convergence Protocol）来识别合法的Wi-Fi信号，因此这一机制主要用于区分当前信道中所存在的无线信号是Wi-Fi信号还是其他的非协议干扰（如蓝牙、微波炉等）信号。如果是WiFi信号的话（也就是说能够检测到WiFi前导码），当然就判定当前信道是繁忙的；而如果无法解出正确的WiFi前导码的话，就依赖于下一步的能量检测ED阶段来判断信道是否繁忙。
简单总结：CS只要检测到当前信道中有WiFi信号，就认为当前信道繁忙。
能量检测（ED）
物理层能量检测的核心运行逻辑则是，当信道单位时间内积分上的总能量超过ED阈值时，无论信号是否为Wi-Fi协议帧，均判定信道为繁忙。ED检测的主要应用场景是判断信道是否被其他设备（无论是否遵循Wi-Fi协议）占用，当信道上的总能量（包括Wi-Fi信号、非Wi-Fi干扰、噪声等）超过ED阈值时，设备判定信道为繁忙，从而推迟发送数据。
- 不同协议标准阈值不同（如802.11b为-76 dBm，802.11a/g/n/ac更高）
简单总结，当ED检测到当前信道单位时间内的积分能量超过指定的阈值，无论这些信号是否是WiFi信号，都认为当前信道繁忙。
在实际的工作过程中，一般是CS和ED这两个检测之中，只要有一个判断结果是信道繁忙，系统就会认为当前信道为占用状态，推迟发送数据。
BSS Coloring的工作原理
在WiFi6（802.11ax）所引入的BSS Coloring工作机制中，每个AP（接入点）被分配了一个6bit的BSS颜色标识（因此其取值范围0~63），该标识嵌入在PHY层的HE-SIG-A1字段中（位于PPDU帧头），因此每个WiFi6节点所发出数据包的包头都包含有这个6bit的Coloring ID，每个BSS的Coloring ID都不同（理论上，如果检测到Coloring ID冲突可动态调整）。因此对于每个WiFi6节点而言，都可以通过载波侦听（即前面所说的SD环节）监听当前信道WiFi信号的包头前导码来判断这个数据包是自己BSS（MYBSS）的数据包还是使用相同信道的其他BSS（OSS）的数据包。
- AP会在自己的Beacon Frame中广播自己的Coloring ID，这样的话，每个BSS内的STA都可以很清楚的知道自己BSS的Coloring ID是多少。
除了以上在包头信息中增加Coloring ID以外，BSS Coloring机制还在CCA的流程中引入了一个差异化及动态调整能量检测阈值的机制。所谓的差异化信道检测门限是指：
- MYBSS：如果接收到信号的BSS Coloring ID与自己的AP一致（也就是同一个BSS内部的STA发出的信号），采用一个较低的ED检测阈值（CCA-SD，Signal Detect）来判断信道是否繁忙。例如，当信号功率超过CCA-SD（如-82 dBm）时判定信道繁忙。CCA-CD这个阈值的设置比较低，确保对同BSS信号的敏感检测，避免在相同BSS的其他STA正在传输信号的时候发出数据。
- OBSS：如果接收到WiFi包头前导码序列中的Coloring ID不一致，表示这个数据包来自于其他的BSS。此时在CCA的能量检测环节采用更高的门限值（CCA-ED，Energy Detect）来判断信道是否繁忙。例如，当信号功率超过CCA-ED（如-62 dBm）时才判定信道繁忙。在这种情况下ED检测阈值较高，就允许设备忽略弱干扰信号（如相邻AP的同频信号），减少不必要的退避等待，可有效提升信道的利用效率。
此外，CCA-ED门限还可根据网络负载动态调整。例如当检测到来自OBSS的干扰较强时，可适当提高CCA-ED门限，这样就可以进一步容忍干扰并提升空间复用率。
在下图中，左侧的WiFi4对于所有的BSS，都采用相同的CCA-SD和CCA-ED阈值，这样在有OBSS存在的情况下，很容易就会被判断为当前信道繁忙，不得不等待退避一段时间后再发送数据；而右侧的WiFi6针对MYBSS和OBSS对CCA的判断阈值进行了区分并且可以动态调整，这样的话如果检测到当前是OBSS的节点正在发送数据的话，可以采用更高的CCA-ED判断阈值，只要来自OBSS的信号强度不至于影响当前BSS的信号解调，两个BSS的无线信号就可以同时发送，这样就可以有效的提升频谱的空间利用率。
BSS Coloring机制理解的相关问题
增加BSS Coloring ID可以解决通信的无线冲突吗？
当然不可以。在wifi6包头增加的BSS Coloring ID只是用于分辨这个包是否来自自己所在BSS的设备，根据这个ID可以判断出来当前无线环境正在发送的包是否是自己所在BSS的包，然后再根据这个信息来决定CCA信道繁忙状态判断的阈值。包头上增加BSS Coloring ID本身并不能解决冲突问题。
所以，如果两个wifi节点在相同的信道上同时间发出数据，而且对于接收节点而言干扰功率足够大的话，肯定还是会影响接收信号的正确解调。但是，如果两者的距离比较远，两个不同BSS的数据包被认为是弱信号，那就不会影响各自的正确解调，从而可以有效的提升频谱的空间利用效率。
在WiFi6和WiFi4的混合环境中是否还可以支持BSS Coloring？
在WiFi4和WiFi6的混合环境中，BSS Coloring特性仍然是可以工作的。在这种情况下，Wi-Fi 6设备能够按照其标准流程识别和处理BSS Color字段，而Wi-Fi 4设备由于不支持这一特性，它们不会识别这个字段。但是这并不妨碍Wi-Fi 6设备利用BSS Coloring来减少与其他Wi-Fi 6网络的干扰。因此在实际工作中，Wi-Fi 6设备会忽略来自Wi-Fi 4设备的信号，这样Wi-Fi 6设备就可以更有效地利用信道，而Wi-Fi 4设备则继续按照它们原有的方式工作，不会受到BSS Coloring的影响。
总结
BSS Coloring的具体实现，就是：
- 在WiFi6节点所发出的数据包的包头上额外增加一个BSS Coloring ID标识，理论上每个无线环境中的BSS ID表示都是不同的，那么在同一个无线环境中，通过接收和解调出来的包头信息，就可以判断当前正在传送的这个包是哪个BSS的包。
- 基于以上的BSS Coloring ID标识，判断当前收到的数据包来自于相同的MYBSS，还是不同的OBSS。针对MYBSS设置较低的冲突检测阈值CCA-SD，也就是只要检测到相同BSS的数据包正在发送，就要退避等待发送机会；而对于OBSS设置较高的冲突检测阈值CCA-ED，也就是即使检测到有另外一个同信道BSS的数据包正在发送，只要其能量不是很大（使用CCA-ED进行过滤），就认为当前信道可以正常发送数据，这样就可以提升频谱的空间利用率。
因此，按照以上工作流程，通过在WiFi6的包头序列码中增加BSS Coloring ID标识以及针对MYBSS和OBSS设置不同的冲突能量检测阈值并可支持进行动态调整阈值的方式，BSS Coloring确实是可以从一定程度上优化同频段干扰并提升整个频谱使用的空间利用率。
但需要注意的是，BSS Coloring机制并不能从根本上解决同信道无线通信中存在的冲突问题（这个问题实际上是无解的），只不过它通过对BSS的区分，使得不同BSS的数据包在相互之间干扰功率不是很大的情况下可以同时发送，以提升整个网络的通信效率。