行動數據用量攀升拖慢Wi-Fi速度?

作者 : University of Chicago

美國芝加哥大學(University of Chicago)的研究人員發現,日益激烈的網路競爭可能會對於用戶的網際網路服務造成負面影響。由於多個網路之間相互競爭,可能限制了每個網路的運行速度...

當您嘗試很快地在智慧型手機上發送email時,如果服務變慢了,您可能會檢查設定中的網路選項,接著就會發現有很多的Wi-Fi網路選項。事實上,這種過多的網路選擇本身就是問題所在。因為這些網路之間相互競爭,從而限制了每個網路的運行速度。

美國芝加哥大學(University of Chicago)的研究人員在一項研究中證實,日益激烈的網路競爭可能會對日常用戶的網際網路服務造成負面影響。

如圖中這個位於芝加哥大學校園內的 LAA 站點,可讓行動服務供應商接取Wi-Fi所用的相同共享頻譜頻段。

特別是,Wi-Fi 使用的是“未經許可”的頻譜,這意味著只要遵守聯邦通信委員會 (FCC) 規定的某些傳輸規則,任何設備或網路都可以使用該頻譜。

當網路在共享頻段或電磁波頻率範圍上運行時,網路之間的競爭就會出現。特別是,Wi-Fi使用的是「非授權」(unlicensed)的頻譜,這意味著任何裝置或網路只要遵守聯邦通信委員會(FCC)規定的特定傳輸規則,就可以使用該頻譜。

芝加哥大學電腦科學系副教授兼普利茲克分子工程學院(Pritzker School of Molecular Engineering;PME)研究教授Monisha Ghosh解釋說:「免授權的頻譜實際上是免費的;任何人都可以在FCC規定的範圍內使用。」

蜂巢式手機服務主要依賴於一個完全獨立的頻段,供應商經由頻譜拍賣從FCC獲得授權,然而,隨著對於蜂巢式數據的需求不斷增加以及頻寬受限,這種情況已經發生了變化。

當T-Mobile或AT&T等蜂巢式服務供應商從FCC授權頻段時,他們會保留其獨佔使用權。因此,在授權頻段上運作的網路幾乎不會受到干擾。這讓供應商建立快速且可靠的服務,但這也是必須付出代價的。

Ghosh說:「過去五年來,行動世界的用戶數量及其所需要的數據量都在成長。蜂巢式服務供應商已經開始缺乏頻譜,但授權頻譜花費動輒數十億美元。」

為了提高頻寬,供應商開始透過蜂巢式網路使用免授權的頻譜,使用一種稱為授權輔助接取(LAA)的模式,在用於Wi-Fi 的相同頻段上運作。Ghosh的團隊著手研究共享使用這種免授權的頻譜(稱為共存),如何影響Wi-Fi訊號和行動用戶。

Ghosh說,我們在芝加哥大學校園中確實找到了一個LAA基地台,就在書店前面的桿子上,而在此校園外部空間中也使用了Wi-Fi。這讓我們在後院提供了一個實驗平台,並且開始進行測量。」

坐在書店外的長椅上,電腦科學系研究生Muhammad Rochman和博士後研究員Vanlin Sathya設置了五台筆記型電腦和智慧型手機,並用它們來接取本地Wi-Fi網路或使用蜂巢式數據連接到LAA。他們還接取至不同的數據類型以改變對這些網路的需求,從低(例如存取網站上的文本)到高(串流傳輸視訊)。每台裝置都配備了讓研究小組能夠測量每個網路連接品質的應用程式(App)。

透過同時接取至多個網路,該研究小組發現這種競爭會降低性能——減少傳輸的數據量、傳輸速度以及訊號品質。

這種競爭對於Wi-Fi尤其不利。當LAA也處於活躍狀態時,Wi-Fi用戶傳輸的數據減少了97%。相反地,當同時使用Wi-Fi時,LAA數據僅顯示減少了35%。

Ghosh解釋說,Wi-Fi和LAA之間不相容,部份原因在於其各自採用不同協議來處理大量網際網路流量。

Ghosh說:「如果每個人都同時開始使用頻譜,就會產生干擾,沒有人的資訊能順利傳送。但Wi-Fi和蜂巢式網路已經開發了非常不同的機制來處理這個問題。」

由於Wi-Fi完全依賴於免授權的頻譜,因此使用針對不可預測需求量身打造的協議。這種稱為「先聽後說」(listen-before-talk)的協議模擬了一群聚會者的禮讓互動。參與者傾聽並等待對話中的空檔再發言。如果兩個人同時開始說話,一個人就會禮貌性地退讓給另一個人發言,之後再插話。同樣地,如果多個Wi-Fi用戶嘗試同時接取網路,每個用戶都會被分配一個短暫的等待時間,這些等待時間之間的隨機性降低了衝突的可能性。

相反地,行動服務供應商可以根據蜂巢式接取預測需求,從而為每個用戶分配特定的傳輸時間。因此,LAA用戶更像是在安排緊湊的座談會(而不是非正式聚會)上的演講者。

當行動服務供應商僅限於使用授權頻譜時,協議中的這種差異幾乎沒什麼問題,但隨著他們轉向免授權頻譜,LAA使用的通道存取參數使得Wi-Fi用戶難以平等地接取至媒體。儘管LAA最近修改了蜂巢式頻段中使用的緊密調度以實現「先聽後說」,但仍然以不同的參數運作。一個重要的區別在於每個系統獲得接取權限後保留介質的時間:LAA傳輸時間最長可達10毫秒,而Wi-Fi傳輸時間最長可達4毫秒。

共享頻譜的競爭不僅發生在Wi-Fi和行動服務供應商之間,也發生在每種網路類型。

Ghosh說:「我們在實驗中將Wi-Fi/Wi-Fi共存與Wi-Fi/LAA共存進行了比較。Wi-Fi/Wi-Fi共存並不是太糟糕,因為「先聽後說」的程序,所以我們用它作為公平的標準。但Wi-Fi/LAA表現更差,這讓我們深感驚訝。」

在未來的研究中,研究人員希望探索不同行動服務供應商提供的LAA網路如何相互競爭。此外,他們也希望根據研究結果向監管機構建議如何更有效地調整網路協議。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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