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Wi-Fi提供了基本的无线连接的家庭数据通道，它的技术不断得到发展，它的用户体验也越来越受到关注。但大多数用户对于Wi-Fi的家庭使用了解得并不是非常多，例如，用户可能把Wi-Fi的设备放置在室内的各个位置，很多家庭用户在安置这些无线设备的时候并没有关注Wi-Fi网关或路由器发射Wi-Fi信号的覆盖率和信号强度的影响，不会注意摆放位置和天线角度对Wi-Fi性能使用上的区别。一户多室的家庭一般也不会想到购买额外的AP来提高室内的Wi-Fi覆盖率。
普通用户在室内移动时，遇到Wi-Fi终端设备出现语音卡顿或视频播放有停滞的情况，并没有专业的参考意见和很好的解决方法。家庭用户对运营和维护光终端家庭网关的运营商的投诉大部分是和Wi-Fi使用有关，运营商对于通信管道的维护有丰富的经验，但对于家庭用户在Wi-Fi使用上碰到的问题并没有非常好的应对手段，没有很好的系统收集和监控家庭用户Wi-Fi的使用情况。通常运营商的技术人员在收到投诉后会上门查看情况，但这样维护成本就不能得到有效控制，并且Wi-Fi的问题在申报之后不容易复现。随着Wi-Fi设备的普及，各处的Wi-Fi信号都会占据有限的无线信道而影响数据转发的性能。本章节讨论家庭Wi-Fi的组网技术，希望能为家庭Wi-Fi覆盖率的提升和无缝漫游技术提供参考信息。
关于室内Wi-Fi信号的覆盖率，运营商或者研究人员对于不同标准的Wi-Fi技术做过很多测试，例如典型的场景测试包含了多个房间，每次测试是在这些房间中的不同位置放置不同数量的AP进行接收信号强度（RSSI）和数据传输吞吐量的测量。有兴趣的读者可以利用专门观察信号强度的手机APP在室内走动，跟踪信号强度在不同位置的变动，不管是谁来做这样的实验，从多次测试的结果都可以看到，因为房间不同位置的差异以及固定或移动障碍物对Wi-Fi传播路径的影响，Wi-Fi的信号强度在室内分布的变化比较大，覆盖情况参差不齐，在房间内的不同位置上进行数据转发性能的测量，可以看到有些区域有较高的数据流量，但有些区域也可能没有任何流量。通常影响测试结果的因素是由AP的数量和安放的位置、AP发射的功率、障碍物的物理属性（例如厚度、导电性等）等引起的。另一方面，不同于前面介绍的自由空间的传播路径损耗的公式可以直接根据距离和频率来得到信号损耗的结果，在真实的室内环境中很难直接定义信号损耗的公式，无法判断是哪个因素（路径损耗、散射、衍射、反射）对信号的衰减起了主导作用。所以Wi-Fi的无线信号强度在没有额外技术支持的情况下，室内的覆盖率和用户体验有很多可以提升的空间。
对于在客厅安置了Wi-Fi路由器或光终端家庭网关室内环境，Wi-Fi的信号透过混凝土墙传送时可能有20 dB的衰减，通过门窗则可能有1～2 dB的衰减，所以在隔壁的卧室上网的时候，数据传输性能远远不如在客厅中上网。
在家庭Wi-Fi的使用中，为了能在室内环境中有更好的Wi-Fi覆盖但又不提高Wi-Fi的发射功率，可以通过在室内增加AP的数量来达到增强覆盖率的效果，这是目前家庭中提高无线数据传输性能的一种重要方式。这些AP组成室内的无线网络，不管用户的无线终端在室内的哪个位置，都能连接到信号较强的AP，而相关的AP之间能建立数据通道，从而把无线终端的数据接入互联网。对于终端用户来说，这些AP之间的数据通道应该是透明和非业务影响的，这就是Wi-Fi组网的基本技术方案。
这里介绍的是Wi-Fi组网中已定义的IEEE 802.11标准，即无线网状网络（Wireless Mesh Network，WMN）802.11s协议。该标准的研究可以追溯到2003年802.11学习组的成立，在2012年被正式包含在802.11的规范中。802.11s是802.11 MAC层协议的补充，规定如何在802.11a/b/g/n协议的基础上构建网状网络（Mesh Network）。目前的无线局域网是单跳网络，即无线设备是直接通过一个固定的AP来访问互联网。在Mesh网络中，网络中的每一个节点都可以接收和转发数据，每个节点都可以直接跟一个或多个节点进行通信。如果一个节点遇到故障或者流量拥塞，或者受到外界一定程度的信号干扰，则跟该节点相关的数据通道就不能正常工作，相当于有线网络中的物理线路断开连接。这时候数据就需要路由到另一个邻近节点进行转发。该节点又继续把数据转发给最近的节点，最后数据到达目的地。这就是Mesh多跳网络的功能。
如果原来的节点恢复正常工作，则该节点的数据通道又可以恢复原来的数据转发功能。Mesh网络中的设备应具备选择最佳路由通道的功能，能在两个通道中判断和决定优选路径。在这样的网络应用的要求下，考察性能的重要指标就包含了通道受到影响而发生路由切换的时间，以及故障恢复后的优选路径开始重新转发数据的时间。Mesh网络在干扰情况下如何减少对性能的影响是厂家开发设备关注的技术重点。
在IEEE 802.11s协议中，Mesh网络有两种基本结构，即基础设施的网络结构和终端设备的网络结构。在基础设施的网络结构中，802.11s定义了基于802.11 MAC层的协议，用来支持在MAC层进行数据转发的无线分布式系统（Wireless Distribution System，WDS）。在终端设备的网络结构中，802.11s定义的设备是工作在点对点的模式。
很多厂家在开发Wi-Fi组网产品的时候并没有直接使用802.11s协议，因为在家庭网络中AP数量非常有限，例如用户购买2个或3个AP放置在家里，上述Mesh网络中两两相连的作用没有有效发挥出来。厂家通常自己定义AP产品的消息传递格式以及内部的管理方式，所以异厂家AP之间不能组成有效网络。Wi-Fi联盟在2018年公布了新认证的组网方案，即EasyMesh，它定义的是多AP组网的规范，就是为了让AP之间的通信有标准协议可以遵循，让AP产品可以进行功能认证，认证后的AP产品可以在家庭中互相进行组网。
EasyMesh关键的技术在于AP的数据链路层所要遵循的互通协议和数据格式，以及设备连接和控制管理的方式。支持EasyMesh的不同厂家的设备可以连接到同一个Wi-Fi网络中进行通信。网络在建立后是自我组织和自我优化，不需要人为地手动干预。支持EasyMesh的AP会引导无线终端连接到最佳的接入点，这样有利于流量的负载均衡。EasyMesh的系统包含一个作为网络控制器的设备（通常是家庭网关），一个或多个作为代理的设备（通常是接入点AP）。作为网络控制器的设备从各个代理那里收集它们所能支持的吞吐量、信号强度和支持的射频数量等，然后根据网络的情况进行自适应的连接管理，优化网络运行状态等。
EasyMesh为各个厂家Wi-Fi产品的互连互通提供了解决方案，对于Wi-Fi芯片厂商来说，如果家庭用户愿意进行组网，那么就会有更多芯片销量的增长，所以芯片厂商其实是支持Wi-Fi联盟的新标准的，不过设备厂商起初并没有非常积极地表示对新组网标准的支持，这是因为设备厂商通常有私有的网络连接技术和内部管理协议，他们的系统能够为用户提供完整的组网方案，如果支持异厂商设备的连接，则在他们的家庭网络中就会有其他厂家的产品来分享他们的市场，这并不是他们所期望的。电信的运营商已经注意到了Wi-Fi组网的需求和标准的演进，即使他们没有马上对EasyMesh标准的遵循提出企业规范，但是在2019年，已经有些运营商开始把Wi-Fi组网作为设备厂家进入其市场的重要门槛。
AP之间无线组网通过AP相互之间指定的频段（2.4GHz或5GHz）和信道进行互连互通。如果AP设备只支持一个频段，则该频段和相应的信道既是AP互联的数据转发通道，也是终端无线接入的频段和信道，这就降低了该信道连接终端的吞吐量和性能。所以推荐进行组网的AP需要具有双频段或者甚至三频段的硬件资源，例如使用5GHz作为AP设备之间连接的骨干通道（Backhaul），而同时5GHz和该AP上的2.4GHz都能作为用户终端的前传接入（Fronthaul）。
在家庭中增加AP的数量进行组网，那么紧跟着就会出现如何处理无线终端在多个AP之间移动和切换的问题。当无线终端在室内移动的时候，和它关联的AP信号逐渐减弱而其他AP的信号逐渐增强，这样无线终端对渐弱信号和渐强信号之间的特定阈值做判断，决定何时断开原来旧的AP的连接，然后接入新的AP。这种在不同AP之间进行无线设备移动，然后断开AP连接和重新关联新AP的技术就是Wi-Fi设备完整的漫游过程。
Wi-Fi漫游的技术有IAPP、IEEE 802.11i的预认证技术、IACTP、WAPI漫游协议、IEEE 802.11r协议等。漫游中关键的衡量指标是漫游切换的时间，在802.11网络中重新关联和鉴权的过程需要几百毫秒，这对于实时的业务（例如VoIP的50 ms时延间隔就能让人的耳朵有所感知，如果是250 ms的单向时延则有明显的重叠语音）是有影响的。有不少IEEE技术文献就如何在用户业务（例如VoIP、视频等）不受影响的情况下完成无线终端在AP之间的快速切换进行了研究。
Wi-Fi漫游目前普遍应用的场合是在办公大楼、酒店、商场等有多个甚至数十个AP部署的场景。但是既然家庭中也出现了多个AP的使用，Wi-Fi的漫游作为家庭用户体验提升的技术手段也有它应用的重要性。国内家庭住房放置的AP可能是2～3个，那么漫游过程中的不同AP切换只要在数据链路层完成即可，不用实现网络层的切换。漫游切换过程顺序分为扫描、重新认证和重新关联过程，漫游过程触发的前提是设备连接的状态满足了特定的门限条件。门限条件不仅仅是当前关联的AP的信号强度已经很低，也可以是受到环境干扰导致信噪比变得很差，或者AP信道上已经有很多设备导致信道的负载性能很低等。这里并没有标准来定义漫游的触发条件，厂家根据自己设计的要求来判断何时允许设备进行AP间的切换。厂家对于支持漫游切换时间的长短决定了用户体验的高低。
虽然没有漫游的触发条件的规范，但是IEEE 802.11有漫游过程本身相关的标准和协议，例如802.11r、802.11k和802.11v协议。这些协议需要AP和终端的支持，市场中较早的终端不一定支持这些标准。802.11r定义了快速BSS （Basic Service Set）的切换机制，这种方式可以在重新关联请求的时候甚至关联之前就完成认证的过程，优化了整体的漫游切换时间。为了进行切换决策，无线终端首先需要获得附近新的AP信息，并且把这样的信息传递给目前连接的AP，802.11k定义了相关的消息（Local Configuration Information，LCI），由当前连接的AP触发（LCI或者Beacon请求）无线终端来获得临近AP的信息。当无线终端从当前连接的AP信号范围进入了新的AP信号范围区后，通过802.11v（支持BSS Transition Management）能让无线终端向优选的AP发出新的连接请求。最后是通过802.11r的机制来完成AP之间的切换。
很多旧的无线设备不支持802.11k/r/v协议来完成漫游的功能。终端设备在移动的情况下，会主动判断信号质量，然后自己决定是否要断开旧的AP ，并且自己主动建立跟新的AP的连接。在这种主动由终端设备控制的切换过程中，AP无法采取有效的措施来减少切换的时间，终端与旧的AP断开连接到与新AP的重新连接可能需要几秒或者更多时间，如果是VoIP电话或者视频播放等实时性的业务，用户会明显感受到业务出现中断。为了提高用户体验，厂家设计的AP产品可以让AP来主动控制连接漫游的触发条件和漫游的过程。例如组网的AP之间通过内部消息交互能获取当前终端设备的连接信息，如果终端设备发生移动，AP主动判断漫游的触发条件，如果满足前面所述的特定门限，则AP主动断开与终端设备的连接，然后让新位置的AP能接受设备的连接请求。
前面提到2.4GHz频段上802.11的标准根据国家不同，AP支持11个、13个或14个信道，其中只有个别信道（例如1、6、11）在频谱上互不重叠，而相邻信道会互相产生干扰。减少干扰的措施是提高信道的选择算法，尽量降低邻近信道干扰。在自动信道选择的领域已经有很多算法研究，例如通过802.11k的信道负载和噪声模式来进行信道选择、定义数学模型计算干扰的数量来动态分配最优的信道、调整AP的布局和信道选择的方案等。
但是非重叠的信道数量毕竟有限，Wi-Fi设备在家庭中的使用数量越来越多，在单个AP的固定频段上进行信道切换并确保性能也越来越困难。要整体提高家庭Wi-Fi的使用效果，不仅是在2.4GHz频段上进行信道切换，同时设备要支持2.4GHz和5GHz的双频资源以及动态的频段切换。当AP设备上拥有两个频段的时候，无线终端在进行连接的时候相当于有两个AP可以选择。频段切换（Band Steering）技术指的就是无线终端在AP的2.4GHz和5GHz之间进行选择并连接的过程。
在实际的家庭Wi-Fi使用中，要有综合的技术手段来提高Wi-Fi在室内各个场景的覆盖率，让用户在家庭的各个位置都能获得较好的无线数据转发的吞吐量，对于周围环境中有较强的干扰信号或者突发性信号干扰插入的时候，用户业务在体验中要不受影响，以及用户在移动中语音或视频业务的流畅性也不会受到影响。
下面通过图2-10的例子综合性地归纳在家庭Wi-Fi应用中如何提高用户的体验。
图2-10 家庭Wi-Fi组网方案和技术
这个例子是在国内家庭中放置3个AP的典型的家庭网络，其中第1个是放在客厅的具有Wi-Fi功能的光终端，通过光纤上行连接到互联网，第2个和第3个分别是放在两间卧室中的Wi-Fi AP。图中手机终端是通过第3个AP的Wi-Fi功能在卧室中进行上网。3个AP互相组成通信的网络，每个AP都是双频设备，即同时支持802.11n （2.4GHz）和802.11ac （5GHz）。数据传输通道从1到3有两条途径，分别是1→2→3和1→3，3个AP都是利用5GHz （802.11ac）作为相互之间的联网管道，同时利用2.4GHz作为终端业务接入的频段。假设根据网络的信号干扰情况，1→2→3是优选路线。初始阶段的时候手机通过卧室中第3个AP的2.4GHz的信道1来进行上网。
经过一段时间后，在AP 1和AP 2附近出现较强的外部干扰，例如可能是邻居家的无线路由器引起对5GHz频段的信道的影响，或者是家庭中有其他相邻设备新启动后运行在相同的频段和信道上。这时候AP 1根据算法对环境干扰和网络状况判断是否需要切换信道，是否需要切换频段（通常设备厂家自己来定义如何对具有双频功能的设备在2.4GHz或5GHz之间选择优选的频段），是否需要切换网络中AP之间的路由通道。对于实际的方案可以优先处理基于信道的切换，其次是基于频段或者AP之间的通道进行判断和选择。这个例子说明的是数据通道切换成1→3，AP1与AP3之间直接进行数据交换。
当AP1和AP2附近的外部干扰消失后，Wi-Fi网络能恢复原先1→2→3的优先方式。通道受到影响后发生路由切换的时间，以及故障路由恢复后的优选路径开始重新转发数据的时间是该AP产品功能的重要参考指标。
当手机在拨打VoIP电话（例如常见的微信电话）并在房间内走动时，手机分别在AP1、AP2和AP3之间的连接进行切换，这是前面讨论的Wi-Fi漫游技术。放置这三个AP位置的时候要注意让信号强度有重叠的部分，这样手机能够在保持和旧的AP连接的时候已经能够扫描到新的AP。快速切换的结果包含了新AP、新的频段以及信道三者的选择，让手机在移动中保持最好的连接效果。如果Wi-Fi网络中把AP和无线终端之间的切换过程的时间降低到50 ms以下，则用户打VoIP电话的时候不会感受到明显的影响。
国内家庭Wi-Fi业务的使用已经得到全面普及，很多家庭都有支持Wi-Fi的电器产品或多个无线终端每天都在使用。就像有线网络的使用一样，在Wi-Fi的发展中，可以看到的是普通用户已经有越来越多的业务体验，包括使用不同的终端来播放在线视频，通过手机APP来完成语音业务等。用户希望Wi-Fi在室内的使用是无处不在的，希望Wi-Fi业务有更好的QoS保证，希望无线连接像有线网络一样能有稳定的带宽，用户在房间中移动设备的时候希望没有业务的中断等。本节介绍的Wi-Fi组网、漫游技术以及信道切换并不是新的802.11标准。信道切换是单个AP就能支持的功能，但Wi-Fi网络和漫游目前还没有在普通家庭中得到较多的应用。在Wi-Fi的家庭用户中，放置多个AP来进行自适应的组网以及漫游的支持是提升家庭用户体验的组合技术方案，希望本节内容能给国内Wi-Fi的应用提供参考。