手机数据使用量的增加对 Wi-Fi 性能产生负面影响

芝加哥大学的研究人员发现网络之间的竞争会降低性能。

如果当您尝试在智能手机上快速发送电子邮件时服务变慢，您可以滚动浏览网络选项并发现有多少 Wi-Fi 网络。事实上，这种过多的选择本身就是问题所在。这些网络相互竞争，限制了每个网络的运行速度。

芝加哥大学的研究人员已经证明，这种日益激烈的网络竞争会对日常用户的互联网服务产生负面影响。

当网络在共享频段或电磁波频率范围上运行时，网络之间的竞争就会出现。特别是，Wi-Fi 使用的是“未经许可”的频谱，这意味着只要遵守联邦通信委员会 (FCC) 规定的某些传输规则，任何设备或网络都可以使用该频谱。

“未经许可的频谱实际上是免费的；任何人都可以在 FCC 规定的范围内使用它，”芝加哥大学计算机科学系副成员、普利兹克分子工程学院研究教授莫妮莎·戈什解释说。

蜂窝电话服务主要依赖于一个完全独立的频谱频段，提供商通过频谱拍卖从 FCC 获得许可，尽管随着对蜂窝数据的需求不断增长和带宽有限，这种情况已经发生了变化。

当 T-Mobile 或 AT&T 等蜂窝服务提供商从 FCC 许可频段时，他们会保留其独占使用权。因此，在许可频段上运行的网络几乎不会受到干扰。这允许提供商建立快速可靠的服务，但这是有代价的。

“在过去的五年里，蜂窝世界的用户数量和他们需要的数据量都在增长，”Ghosh 说。“蜂窝服务提供商已经开始缺乏频谱，许可频谱的成本高达数十亿美元。”

为了在不破坏银行的情况下提高带宽，这些提供商还开始通过蜂窝网络使用非授权频谱，使用一种称为授权辅助接入 (LAA) 的模式，该模式在用于 Wi-Fi 的相同频段上运行。Ghosh 的团队着手研究这种共享使用未经许可的频谱（称为共存）如何影响 Wi-Fi 和蜂窝用户。

“我们实际上在芝加哥大学校园内发现了一个 LAA 站，在书店前面的一根杆子上，在这个外部太空校园里也使用了 Wi-Fi，”Ghosh 说。“这为我们的后院提供了一个实验平台，所以我们开始进行测量。”

坐在书店外的长凳上，计算机科学研究生 Muhammad Rochman 和博士后研究员 Vanlin Sathya 设置了五台笔记本电脑和智能手机，并使用它们来访问本地 Wi-Fi 网络或使用蜂窝数据连接到 LAA。他们还访问了不同类型的数据以改变对这些网络的需求，从低（例如访问网站上的文本）到高（流式传输视频）。每台设备都配备了应用程序，使小组能够测量每个网络连接的质量。

通过同时访问多个网络，该小组发现竞争会降低性能——减少传输的数据量、传输速度和信号质量。

这种竞争对 Wi-Fi 尤其不利。当 LAA 也处于活跃状态时，Wi-Fi 用户传输的数据减少了 97%。相反，当同时使用 Wi-FI 时，LAA 数据仅显示出 35% 的下降。

Ghosh 解释说，Wi-Fi 和 LAA 之间的不兼容部分是由于各自用于处理大量互联网流量的不同协议。

“如果每个人同时开始使用频谱，就会产生干扰，并且没有人的信息通过，”Ghosh 说。“但 Wi-Fi 和蜂窝已经开发出非常不同的机制来处理这个问题。”

由于 Wi-Fi 完全依赖于未经许可的频谱，因此它使用针对不可预测的需求量身定制的协议。这种称为先听后谈的协议模仿了一群有礼貌的聚会者的互动。参与者倾听并等待对话中的间隙发言。如果两个人同时开始说话，一个人礼貌地退后让另一个人说话，然后再插话。同样，如果多个 Wi-Fi 用户尝试同时访问网络，每个用户都会被分配一个短暂的等待时间，这些等待时间之间的随机性降低了冲突的可能性。

相比之下，蜂窝提供商可以根据蜂窝接入预测需求，从而为每个用户分配特定的传输时间。因此，LAA 用户更像是在安排紧凑的座谈会上而不是非正式聚会上的演讲者。

当蜂窝提供商仅限于许可频谱时，协议上的这种差异几乎没有问题，但随着他们转向非许可频谱，LAA 使用的信道访问参数使 Wi-Fi 用户难以平等访问媒体。尽管 LAA 最近修改了蜂窝频段中使用的紧密调度以实现先听后谈，但它仍然以不同的参数运行。一个重要的区别是每个系统在获得访问权限后保留介质的时间：LAA 传输时间最长可达 10 毫秒，而 Wi-Fi 传输时间最长可达 4 毫秒。

共享频谱的竞争不仅发生在 Wi-Fi 和蜂窝服务提供商之间，也发生在每种网络类型中。

“在我们的实验中，我们将 Wi-Fi/Wi-Fi 共存与 Wi-Fi/LAA 共存进行了比较，”Ghosh 说。“由于先听后谈程序，Wi-Fi/Wi-Fi 共存并不算太糟糕，因此我们将其用作公平标准。但 Wi-Fi/LAA 表现更差，我们对更糟糕的程度感到惊讶。”

在未来的研究中，她还希望研究不同蜂窝提供商提供的 LAA 网络如何相互竞争。

此外，Ghosh 还根据她的研究就如何更好地调整网络协议向监管机构提供建议。

“这些变化带来了更好的共存和更好的共享机制。但还有很长的路要走，”她说。