WLAN射频优化

背景

与有线网络相比，WLAN摆脱了线缆的束缚，用户使用起来会感觉更自由、更方便。因此，随着笔记本等便携终端的普及，WLAN日益成为常见的网络接入方式。

由于WLAN的传播介质是空气，遵循的协议标准是802.11,在其给用户带来方便的同时，也有自身的一些特殊性。比如，同信道的无线设备共享空口传输介质，设备之间易互相影响。在信号部署良好，用户较少的场所，无线用户的体验可能与有线用户类似。但在用户较多的高密场所，在使用高峰时间段，常常会出现速率慢、易掉线的现象。为此，H3C提供一定优化WLAN网络的技术手段，用以提升网络的整体性能，改善用户体验。

影响WLAN空口性能的因素
无线空口是个比较复杂的环境，WLAN空口的性能与许多因素相关：

非WLAN无线设备干扰：

如果环境中存在蓝牙、微波炉等同样工作在ISM频段的非WLAN设备，将会对WLAN通讯造成很大的干扰，WLAN性能也将急剧降低。因此，在WLAN环境中，需要首先排除这些干扰，至少保证周边不存在长时间的与WLAN同时工作的类似设备。

WLAN无线设备间同频、邻频干扰：

由于WLAN空口采用的是CSMA/CA通讯机制，同频设备如果可见，通讯实体间会互相退让，因此，如果同频设备互相之间可见性太强，会使得多个设备共享同样的容量，整体信道容量大打折扣。邻频设备太近信号太强时，会导致整体的噪声变高，对通讯性能也会产生影响。

用户处的信号强度：

信号强度是保证用户获得良好体验的一个基本条件。信号强度太差，会导致用户只能使用低速率报文通讯，同时丢包、重传也会增加，空口的整体性能会被大大拉低。当然，信号强度只是一个基本条件，在周边干扰比较大的情况下，既使信号强度很强，也不会获得很高的空口性能。

用户数目：

单用户下，由于没有竞争，空口可以达到最大性能。用户数增多后，由于竞争信道的消耗增加，空口总的性能会下降。比如，有研究机构指出，在有10个用户存在的情况下，每用户带宽实际可能只有1~2Mbps;在有20个用户存在的情况下，每用户带宽实际可能只有300~500kbps。

用户应用（影响报文大小比例等）与工作速率：

报文大小和工作速率对空口性能影响非常大。比如，对于11g，如果发送报文都是1500字节的大包，且都用54M发送，则理想情况下，空口性能可达29Mbps左右。同样速率，如果发送报文都是100字节以下的报文，则空口性能将会降到3~4M。同样报文大小（即1500字节），如果发送速率是1M，则空口性能将会下降到1M左右。因此，用户应用所导致的报文大小分布比例不同，在具体环境下所使用的工作速率不同，空口的性能差异很大。目前，一般上网应用涉及的小报文比例为40%~70%，对11g来说，理想54M速率情况下，综合空口性能大约在7~14M左右。

终端网卡差异：

用户终端所使用的网卡所属厂家是多种多样的，个别质量较差的低端网卡或老网卡，会使用户连接状况较差，同时影响整体的空口性能。

在实际应用中，首先要对现场环境进行仔细的工勘，并参考用户数目、用户应用等情况，确定合适的AP与天线的类型、数目和位置，明确每个AP的目标覆盖范围。如果根据情况天线需要伸入室内，可以使用H3C的室内美化天线。
在以上基础上，需要通过调整部分参数和实施一定的控制策略，以便将WLAN空口的性能优化到最佳水平。以下将对主要的优化技术进行说明。

功率调整
传统的射频功率控制一般缺省将发射功率设置为最大值，单纯地追求信号覆盖范围。这对于用户稀疏、主要目标是达到基本覆盖要求的场景是可以的，但对于高密场所，每个AP设备既是服务的提供者，同时也是整个射频环境的影响者，功率过大可能导致对其他无线设备造成不必要的干扰。因此，需要选择一个能平衡覆盖范围和系统容量的最佳功率。
功率调整可以手工进行，也可以自动调整。虽然调整方式不同，但两者的调整目标是一样的，即通过调整功率，使得每个AP在自身的目标覆盖内保证有比较强的信号，最好不弱于-75dB，但在目标覆盖范围之外信号很弱。
如果受环境条件限制，即使输出功率已经是最大值，但目标覆盖范围内仍有比较大的区域的信号较差，此时说明部署方式不是很合理，比如目标覆盖范围太大、天线放置位置不合适等等。这种情况下，需要优先考虑优化部署方式。

信道划分
对于无线局域网，信道是非常稀缺的资源。对于2.4G频段，只有３个非重叠信道（即相互之间几乎没有干扰的信道）。对于5.8G频段，我国也只有5个非重叠信道（有些国家放开了更多频段，多达24个）。由于目前大部分设备工作在2.4G频段，因此，每个AP的radio一般只能在三个中选择一个。
尽管可以调整功率，但毕竟信号的衰减是个相对连续、渐进的过程，每个AP设备在目标覆盖范围之外还是有信号的，因此，为了提高系统容量，一般会选择相邻AP间使用不同的信道，从而达到规避干扰的目的。
当然如果部署不合适或者功率调整不当，导致在很大的范围内设备之间都是可见的，比如，6楼的设备的信号到达1楼时信号都仍然比较强，此时，仅仅依赖三个信道隔离是不够的，仍然不能避免与其他同频AP之间的互相影响。这种情况下，需要根据建筑特点，改变部署方式，并根据情况进一步考虑减小功率。信道调整可以手工进行，也可以自动进行。

负载均衡
在有些场所，存在AP之间用户负载极不均衡的现象。比如，相邻的2个AP，1个携带20个用户，另1个仅携带3个用户。这种情况下，可以考虑根据用户配置，进行AP间的负载均衡，将部分用户合理的引导到负担轻的AP上。H3C的智能负载均衡技术，实现了对无线用户的实时跟踪，能够动态地准确地发现负载均衡组，结合高负载AP自动隐藏技术，既有效了实现了无线用户的负载均衡，又保证了用户的快速接入。
另外，除了AP间的负载均衡外，还可以进行信道、频段之间的用户分担。对于用户密度非常高的场所，建议使用双频AP，通过频段分担用户。

过滤干扰

在高密场所，AP设备和用户station非常多，在采取降低功率和信道隔离的措施后，对于某个AP来说，仍然能看到稍远处其他多个同频WLAN设备的弱信号。如果不采取任何措施，众多的弱信号也仍然会对设备通讯造成影响。
因此，在高密场所，WLAN干扰信号比较多的情况下，需要开启设备的高密工作模式。在这种模式下，设备会主动过滤干扰信号，减少干扰信号对本设备通讯性能的影响。

试验表明该项技术十分有效。如下图所示，11g下，当AP1与AP2的信道部署在非重叠的不同信道时，则同时从AP1和AP2打下行流，可以获得约40M左右的吞吐。当两个AP部署在同一个信道时，缺省情况下，获得20M左右的吞吐，即只相当于1个信道的容量。当开启设备的高密模式后，进行优化后，可以获得30M左右的吞吐量，即提升50%。

图1 同频部署的AP

图2 优化前后吞吐量对比效果图

速率保优
无线与有线通讯最大的区别是空口稳定性差，容易受到各种因素的影响，正是这一点，也注定了AP与station之间的速率是动态调整的。使用高速率发送报文对环境要求比较高，需要存在较好的信噪比的情况下，才能保证正确接收。低速率发送的报文对环境要求相对低些，即使存在一些干扰使得到达的信号产生一定变形，在容忍度内仍然能正确接收。因此，WLAN设备会提供专门的速率调整算法，以根据情况，动态的调整发送速率。
在没有干扰和冲突的干净环境下，发送速率一般是稳定的，很少变化。但在高密场所，WLAN自身干扰信号比较多的情况下，一般的速率调整算法适应性会比较差，常常会使得工作速率偏低，从而使得设备性能也整体降下来。因此，针对WLAN干扰较多的高密环境，专门提供了适应该环境的速率调整算法，使得发送速率保持在一个最优的水平，从而保证了该环境下的性能最优。

除使用专用的动态速率调整算法保证AP发送的数据报文保持在最优的水平外，还有一些其他辅助措施，比如：

l 无线用户间实施二层隔离，减少空口的广播报文发送。缺省情况下，每一个来自无线客户端的广播、组播报文都会向所有有用户的AP上广播一份，而且在空间媒质中发送广播报文的时候通常会使用最低速率发送广播报文，所以当广播报文比较多时候，会占用较多的空间带宽，从而在一定程度上影响到整个大楼的网络应用。而用户通过无线主要的需求是上网应用，互相访问的需求并不强烈，所以，建议无线用户间实施二层隔离。

l 实施智能带宽限速。在用户数比较多用户应用多样的情况下，限制每个用户最多可以占用的带宽，从而避免过多影响他人。

降低个别用户影响
因用户所使用网卡的差异（或者所处位置等其他差异），同一AP下各个用户的表现往往也有差异，也常常会出现个别用户的速率非常低的情况。如果某AP下存在一个高速率用户，一个低速率用户，则因两个人抢到的空口机会差不多相等，高速率每次快速发完自己的数据后都要等待低速用户慢腾腾的发完它的数据，所以，高速率用户的性能基本上与低速率用户的性能是一样的，因此，整体的性能也被大幅拉了下来。所以，当环境中存在低速率用户时，需要考虑降低其对整体性能的影响。

图3 有一个高速用户和一个低速用户时，空口的吞吐量效果图

通过启动减少低速用户影响的特性，可以有效抑制低速率用户大量占用空口时间，从而降低其对空口性能的影响，保证整体空口性能的最优。

小结
在工勘仔细、部署合理的情况下，采用优化技术可以使得WLAN网络获得最优的性能。优化策略总结如下：
1） 降低功率：从自身做起，主动减少对他人影响；
2） 划开信道：与邻居之间进行信道隔离，尽量规避同频干扰；
3） 负载均衡：邻里互助，分担压力；
4） 过滤干扰：提高自身免疫力，进一步增加系统吞吐；
5） 速率最优：保持自身最佳状态；
6） 降低个别用户影响：顾全大局；

缩略语：

缩略语 英文全名 中文解释
WLAN Wireless Local area network 无线局域网
ISM Industrial, Scientific and Medical (ISM) 工业、科学、医疗用无线公开频段
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 多路载波侦听/冲突避免
AP Access Point 无线接入点设备