截止目前，電信在校園等高流量區(qū)域已布置多張WLAN精品網(wǎng)絡(luò)，完成無線信號(hào)深度覆蓋，力爭打造數(shù)字智能化校園網(wǎng)絡(luò)，提升電信品牌形象。
然而在9月份進(jìn)入秋季營銷后（注*：指2011年9月份），我們在現(xiàn)場優(yōu)化，處理投訴的時(shí)候，常常會(huì)遇到用戶甚至前端同事的疑問："電信的WLAN信號(hào)那么強(qiáng)，為什么速度還是很慢呢？特別是晚上，常常連網(wǎng)頁都很難打開。"
我們的現(xiàn)場優(yōu)化人員往往會(huì)答復(fù)用戶：由于WLAN是共享信道，且用戶較多時(shí)干擾較大，造成空口速率較低。
那么，到底干擾是如何產(chǎn)生的？干擾是如何影響無線網(wǎng)絡(luò)的？在復(fù)雜環(huán)境下到底該怎么優(yōu)化？為什么我們優(yōu)化了那么多次，甚至和其他運(yùn)營商進(jìn)行合作優(yōu)化，效果始終不夠明顯？
帶著這些問題，本文針對(duì)無線AP布置較密，甚至有多家運(yùn)營商共存的復(fù)雜環(huán)境下的WLAN干擾問題進(jìn)行討論，并通過定性和定量分析給出優(yōu)化手段及建議。
一、 從WLAN空口原理說起
根據(jù)無線局域網(wǎng)協(xié)議802.11系列的規(guī)定，2.4GHz頻段WLAN可供選擇1～13號(hào)共13個(gè)頻點(diǎn)，相鄰頻點(diǎn)間隔為5MHz。由于WLAN單信道帶寬為22MHz，所以2.4G頻段內(nèi)互不干擾的可選頻點(diǎn)只有3個(gè)：一般我們設(shè)置為1，6，11。這也就是我們經(jīng)常說的WLAN只有3個(gè)頻點(diǎn)可選的主要原因。
當(dāng)AP選擇某個(gè)頻點(diǎn)傳輸信號(hào)，相應(yīng)連接該AP的用戶（STA）也會(huì)在此頻點(diǎn)進(jìn)行通信。由于AP和STA共享該信道，雙方發(fā)送報(bào)文時(shí)極易產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致空口丟包率上升，傳輸質(zhì)量下降。
為避免碰撞，提高傳輸成功率，IEEE802委員會(huì)定義了CSMA/CA總線網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制MAC和物理層規(guī)范。CSMA/CA的工作原理為：發(fā)送數(shù)據(jù)前，先偵聽信道是否空閑，若空閑則進(jìn)行窗口退避以競爭信道使用權(quán)，最早到達(dá)競爭窗口的設(shè)備率先進(jìn)行傳輸，傳輸完成后，信道再次空閑，再次進(jìn)入窗口退避競爭階段，如此循環(huán)。
二、 復(fù)雜環(huán)境中的WLAN干擾分析
根據(jù)CSMA/CA協(xié)議的定義，WLAN網(wǎng)絡(luò)中AP和STA處于同等地位，它們都處在互相競爭的環(huán)境中。一旦STA或AP檢測到同信道有其他信號(hào)發(fā)送，就會(huì)隨機(jī)延遲，避免碰撞。當(dāng)空口有多臺(tái)設(shè)備工作在同頻段，相互可見時(shí)，由于無線信號(hào)的廣播特性，信道繁忙概率提升，發(fā)送端退避時(shí)間增大，總帶寬利用率進(jìn)一步下降。
因此我們認(rèn)為：如需保證理想的無線傳輸速率，必須滿足以下三個(gè)條件：
AP和STA之間穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度
AP側(cè)較低的空口占用率，保證AP傳輸速率
STA側(cè)較低的空口占用率，保證STA傳輸速率
如圖1所示，典型的AP密集環(huán)境中，同頻AP1和AP2分別覆蓋STA1和STA2。STA1能收到較強(qiáng)的AP1信號(hào)，同時(shí)收到的AP2/STA2信號(hào)較弱（相隔多堵水泥墻），STA1傳輸信道無干擾。然而對(duì)于AP1來說，它會(huì)收到較強(qiáng)的AP2信號(hào)。此時(shí)如果AP2在大量廣播數(shù)據(jù)，AP1的空口占用率就會(huì)較高，AP側(cè)信道干擾嚴(yán)重。STA2和AP2的干擾情況相似。
為了定性的分析WLAN干擾，以下對(duì)典型的學(xué)校宿舍環(huán)境建模，進(jìn)行計(jì)算討論。
圖1 宿舍環(huán)境中的同頻干擾模型
1. 模型及目的
根據(jù)目前的校園建設(shè)模型，AP接入WLAN室分系統(tǒng)，通過定向天線板覆蓋學(xué)生宿舍。如圖1所示，定向天線布置在宿舍走道上，主瓣對(duì)準(zhǔn)宿舍正門。一般學(xué)生宿舍尺寸為3.5m×6m，居住4-6名學(xué)生。AP1和AP2工作在相同頻點(diǎn)，分別下聯(lián)用戶STA1和STA2。假設(shè)AP1輸出至定向天線功率為Pt，定向天線距離STA1為6m，同頻AP的定向天線之間距離為d(m)。
我們通過該模型，可以獲得兩個(gè)重要參數(shù)：
1) 為保證STA1端接收到AP1信號(hào)強(qiáng)度>-65dBm，Pt應(yīng)該為多少？
2) AP1和AP2保持最小的發(fā)送功率Pt同時(shí)廣播數(shù)據(jù)包，天線之間需要隔多少距離d，才能保證同頻AP干擾<-85dBm？
我們采用如下的2.4GHz信號(hào)自由空間衰減模型：
其中D為傳播路徑，n為衰減因子（一般樓宇環(huán)境內(nèi)n取值2.76）。
2. 方法和步驟
1) AP1和STA1間隔6m，衰減為PL = PathLoss(6m)+PL'=77.5dB，其中PL'=10dB表示AP1和STA1之間的水泥墻隔斷造成的信號(hào)損耗。
為保證STA1處收到AP1信號(hào)強(qiáng)度>-65dBm，AP1發(fā)送功率Pt滿足：
Pt+Ga+Gsta-PL>-65dBm
其中Ga=9dBi表示某定向天線2.4GHz的主波瓣增益，Gsta=3dBi表示STA的天線增益。
最終獲得：Pt>0dBm
2) 當(dāng)我們設(shè)定AP發(fā)送功率為Pt=0dBm，為保證AP1和AP2的干擾信號(hào)<-85dBm，必須滿足：
Pt+2*Ga'-PathLoss(d)<-85dBm
其中Ga'=-1dBi表示定向天線90度方向角增益。
可以得到：d>22m
水平方向角 垂直方向角
圖2 某定向天線2.4GHz頻段增益方向圖
3. 分析和總結(jié)
從以上分析可以得到：為保證穩(wěn)定的用戶接收信號(hào)強(qiáng)度，AP側(cè)信號(hào)發(fā)送強(qiáng)度必須保證Pt>0dBm；為保證同頻AP間干擾足夠小，同頻AP之間間隔d>22m。學(xué)校宿舍寬度一般為3.5m，同頻AP至少間隔6個(gè)寢室才能完全避開干擾?？紤]到2.4GHz頻段只有3個(gè)頻點(diǎn)，且學(xué)校宿舍一般分布在走廊兩側(cè)。因此，根據(jù)目前的組網(wǎng)方式，AP通過裝在宿舍走廊上的定向天線進(jìn)行覆蓋，單AP覆蓋6個(gè)以上宿舍才能避免同頻干擾。
實(shí)際上，無線信道環(huán)境更為惡劣：有的寢室?guī)拷T口，增加了墻體衰減，需要更高的AP發(fā)射功率。更高的AP發(fā)送功率需要更遠(yuǎn)的同頻AP間隔距離，為了增加單AP的覆蓋范圍，需要建設(shè)WLAN室分系統(tǒng)，但同時(shí)也擴(kuò)大了空口的沖突域（從理論上來說，只要某AP下有一個(gè)天線遭遇同頻干擾，整個(gè)AP的空口即被污染）。
上面的AP1和AP2可以是同一家運(yùn)營商，也可以是不同運(yùn)營商。只要它們工作在相同頻段，就必然存在干擾。在現(xiàn)實(shí)的組網(wǎng)方式下，為了保證足夠的用戶容量，往往會(huì)將AP布置的非常密集，再加上多家運(yùn)營商共存組網(wǎng)，此時(shí)若遭遇忙時(shí)，AP側(cè)干擾將不可避免。
我們嘗試在WiFi高密度覆蓋的學(xué)校宿舍內(nèi)的走廊隨機(jī)位置上進(jìn)行測試，電信和移動(dòng)都采用單AP覆蓋4-6個(gè)房間的室分設(shè)計(jì)，同頻AP距離較近。，如圖3所示，可以看到1、6、11三個(gè)頻點(diǎn)上ChinaNet和CMCC信號(hào)都較強(qiáng)。
圖3 學(xué)生宿舍走廊上干擾示意
當(dāng)AP遭遇較強(qiáng)的干擾，空口占用率較高時(shí)，AP很難競爭到信道資源傳輸數(shù)據(jù)。此時(shí)，即使AP到STA側(cè)信號(hào)功率較強(qiáng)，AP的傳輸速率依然較低，因?yàn)锳P沒有機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)！
這也就是為什么晚忙時(shí)，我們在房間里能收到較強(qiáng)的AP信號(hào)，且同頻干擾較小，但下載速率還是較慢的主要原因。去走廊上看一看就知道AP受到干擾有多大了。
三、 復(fù)雜環(huán)境下的WLAN干擾優(yōu)化
為了進(jìn)一步提升WLAN系統(tǒng)容量，降低干擾，提高用戶感知度，必須對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。考慮到用戶行為習(xí)慣，無線用戶更多的是選擇下載（在線電視，F(xiàn)TP/BT下載等），AP發(fā)送速率直接影響用戶的體驗(yàn)，因此我們必須優(yōu)先考慮AP側(cè)干擾問題。即盡可能地降低AP側(cè)的干擾，保障AP能順利的給STA發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是僅僅只關(guān)注STA側(cè)的干擾。
根據(jù)該優(yōu)化思路，我們和H3C的無線技術(shù)專家共同探討，提出一些在復(fù)雜環(huán)境下的WLAN系統(tǒng)性網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議及想法：
1. 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整
在日常網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，最常用的方法就是調(diào)整各類WLAN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
通過跟蹤AP空口占用率等信道參數(shù)，配合現(xiàn)場網(wǎng)優(yōu)調(diào)整?？梢哉{(diào)整AP頻點(diǎn)，降低AP發(fā)送功率，適當(dāng)降低室內(nèi)覆蓋的同頻信號(hào)強(qiáng)度。
在信號(hào)整體覆蓋較好的熱點(diǎn)可以增大Beacon幀間隔，關(guān)閉低速率報(bào)文，關(guān)閉廣播Probe response reply報(bào)文等等，有效提升數(shù)據(jù)傳輸效率，降低空口占用率。
然而根據(jù)干擾分析，當(dāng)AP覆蓋密度較大，多家運(yùn)營商共同進(jìn)場時(shí)，由于頻譜資源受限，即使調(diào)整各類網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，空口干擾依然無法避免。遭遇晚忙時(shí)，一旦某AP開始廣播大量數(shù)據(jù)，就會(huì)造成該信道空口Rx占用率過高，空口干擾嚴(yán)重。
2. AP限速
根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的壓力測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在相同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或網(wǎng)卡品牌的差異性導(dǎo)致上網(wǎng)體驗(yàn)的差距較大。譬如4-6個(gè)用戶連接在無干擾WLAN網(wǎng)絡(luò)下，有的用戶能達(dá)到800KB/s的高速下載，但同時(shí)有的用戶只能獲得6KB/s的速率，甚至有的手機(jī)用戶還會(huì)出現(xiàn)無法競爭上網(wǎng)的情況。
為保證用戶上網(wǎng)時(shí)的平等性和感知度，建議對(duì)AP連接用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)限速，解決忙時(shí)部分用戶大幅占用資源的問題，同時(shí)也能解決閑時(shí)少量用戶連接導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)問題。
3. 選擇波瓣更窄的定向天線
目前的定向天線集束性較弱，導(dǎo)致走廊上AP側(cè)的同頻干擾較難抑制。如能采購波瓣較窄的理想定向天線，配合AP調(diào)整功率。保證每個(gè)AP收到的同頻相鄰AP信號(hào)維持在較低水平，空口占用率較低，空口干擾降低。
該方法主要的問題是理想的窄波瓣天線成本太高。另外，如一味的降低AP功率，造成室內(nèi)信號(hào)覆蓋較弱，STA連接容易斷線。
4. 建設(shè)初期規(guī)劃優(yōu)化
WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化必須從建設(shè)初期就開始考慮。在多運(yùn)營商共存的環(huán)境中室分設(shè)計(jì)尤為重要。如需新建WLAN網(wǎng)絡(luò)，必須考慮他網(wǎng)已存網(wǎng)絡(luò)的室分覆蓋。通過合理布局、設(shè)計(jì)，盡可能的實(shí)現(xiàn)干擾抑制。在建設(shè)初期便考慮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題能減少很多后期的工作。
如圖4的兩家運(yùn)營商WiFi頻點(diǎn)布局為例，相對(duì)較為合理。雙方都采用單AP帶4個(gè)天線的室分模型，兩張網(wǎng)絡(luò)室分覆蓋互相交錯(cuò)，經(jīng)頻點(diǎn)規(guī)劃后，同頻AP間隔一個(gè)房間，干擾降低。
圖4 兩家運(yùn)營商室分WLAN頻點(diǎn)分布圖
但該優(yōu)化方法對(duì)室分建設(shè)要求較高，需要確保建設(shè)初期能獲得他網(wǎng)完整室分資料，且能做出一個(gè)完善的室分方案；同時(shí)由于定向天線問題，同頻AP之間并不能保證理想隔離，如對(duì)方運(yùn)營商室分布局不合理，無法保證同頻信號(hào)隔離。
5. 引入5GHz頻段
由于2.4GHz頻段只有3個(gè)可用不重疊信道，如能引入5GHz的802.11a頻段，便能額外增加5個(gè)頻點(diǎn)，頻譜選擇性加大，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化較易實(shí)現(xiàn)。
該方法當(dāng)前最大的問題是現(xiàn)有室分天線不支持5GHz頻段，需額外布網(wǎng)或采用AP放裝形式；此外用戶電腦不一定支持5GHz，需另配網(wǎng)卡；如三家運(yùn)營商共同組網(wǎng)，同樣面臨頻點(diǎn)缺乏的境地。
6. 與他網(wǎng)運(yùn)營商的共建共享
可以采用單運(yùn)營商建設(shè)，多家運(yùn)營商共享的模式。通過單AP釋放多SSID的形式，實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)的共建共享。由于只有一家運(yùn)營商承建，不存在他網(wǎng)干擾，可以通過各種手段調(diào)整網(wǎng)絡(luò)性能，優(yōu)化較為容易。
該方法的缺陷是，多家運(yùn)營商共享網(wǎng)絡(luò)，造成維護(hù)，投訴處理的困難；多SSID降低了每家運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)容量；AP無法同時(shí)支撐多種傳輸模式，如有的運(yùn)營商需要做空口限速，有的不需要；共享網(wǎng)絡(luò)無法大量擴(kuò)容，當(dāng)AP布置到一定的密度，干擾依然會(huì)提升。
7. 天線入室
這是最理想的干擾避免方式。由于水泥墻具有理想的信號(hào)隔離度，如能實(shí)現(xiàn)天線入室，配合AP功率大幅下調(diào)，能很容易保證同頻AP不可見，同時(shí)保持室內(nèi)信號(hào)的穩(wěn)定性。
該方法可能的困難在于和業(yè)主的協(xié)調(diào)。建議采用美化天線，同時(shí)應(yīng)加大協(xié)調(diào)力度。就目前而言，天線入室已經(jīng)不是一個(gè)不可逾越的鴻溝。
四、 結(jié)束語
以上對(duì)AP分布密集的復(fù)雜WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行了干擾分析和優(yōu)化探討。目前的建設(shè)思路往往是一味的通過增補(bǔ)AP對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容。殊不知，AP建設(shè)越密集，干擾越大，系統(tǒng)容量反而下降（大量AP的控制報(bào)文反而提升了空口占用率）。
WLAN的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化應(yīng)該著眼于AP側(cè)的干擾抑制和STA側(cè)的場強(qiáng)保障。這點(diǎn)和之前的WLAN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路有所區(qū)別（之前只需要保障STA側(cè)測試到的AP無同頻干擾即可）。
為了優(yōu)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，對(duì)新建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)，我們對(duì)各類WLAN網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行探討和分析對(duì)比。總體來說，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不是非常密集，干擾情況不是非常嚴(yán)重的環(huán)境下，可以通過調(diào)整各類網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。然而當(dāng)AP覆蓋密集，多家運(yùn)營商共存的環(huán)境下，單純的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)效果有限，只有通過改造現(xiàn)有室分系統(tǒng)（如天線入室），才能較好地解決同頻干擾問題，避免用戶出現(xiàn)晚忙時(shí)下載速率明顯減緩的現(xiàn)象。
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