運營級WLAN網絡的隱藏節(jié)點問題

薛強，馬向辰，于曉冰

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

目前，中國各大通信運營商都加大了WLAN網絡的建設力度；WLAN迎來了前所未有的高速發(fā)展機遇，但同時也面臨著許多新的挑戰(zhàn)。本文將討論運營商在部署大規(guī)模WLAN網絡時所遇到的隱藏節(jié)點問題，藉此希望引起關注并推動該問題的解決。

本文首先介紹隱藏節(jié)點定義并分析其產生的原因，接著分析在WLAN實際部署場景中隱藏節(jié)點帶來的影響，進而提出解決問題的思路。

1 隱藏節(jié)點產生的原理

隱藏節(jié)點（hidden node）是指在無線局域網中，若存在A節(jié)點可以被B節(jié)點探測到，但是卻不能被與B節(jié)點通信的C節(jié)點探測到，那么A節(jié)點對于C節(jié)點來說就是一個隱藏節(jié)點。

如圖1所示，B既在A的覆蓋范圍內、也在C的范圍內，但是A和C不在相互的覆蓋范圍內。所以，當A向B發(fā)送數(shù)據時，C并不知道A正在發(fā)送數(shù)據，所以如果這時C也發(fā)送數(shù)據，便會在B節(jié)點產生沖突，即造成節(jié)點B無法解析A或C發(fā)送的任何信息，這就是隱藏節(jié)點問題。

圖1 隱藏節(jié)點示意圖

2 隱藏節(jié)點對運營商WLAN網絡的影響

在傳統(tǒng)的家庭級或企業(yè)級WLAN應用環(huán)境中，由于AP覆蓋范圍小，WLAN隱藏節(jié)點的問題并不十分突出；即使存在隱藏節(jié)點，由于網絡容量壓力較小，用戶一般情況下也不會明顯感知其帶來的影響。

但是在大規(guī)模部署運營級的WLAN網絡時，由于覆蓋范圍的擴大、網絡容量需求的提高，隱藏節(jié)點帶來的影響越來越顯得不可忽視。

運營商WLAN網絡根據部署方式的不同可分為幾種場景，而每種場景下隱藏節(jié)點的影響也有所不同，所以下文將分別討論。

2.1 室內獨立放裝方式

室內獨立放裝建設方式是在目標覆蓋區(qū)域或目標覆蓋區(qū)域附近直接部署AP，AP通過其自帶天線實現(xiàn)WLAN覆蓋。如圖2所示，AP可以部署于房間內部、走廊或其它便于安裝和覆蓋的區(qū)域。

在場景（a）中，AP的覆蓋范圍相對較小，每個AP下的用戶相隔較近、阻擋也較少，用戶之間能夠互相發(fā)現(xiàn)對方，所以在這種場景中，基本不存在隱藏節(jié)點問題。在場景（b）中，用戶之間可能存在一些阻擋，所以在這種場景中，會存在一些隱藏節(jié)點問題；當用戶較少、網絡壓力較小的情況下，隱藏節(jié)點帶來的影響也會較小。

2.2 室內分布系統(tǒng)合路方式

室內分布系統(tǒng)合路是將WLAN信號通過合路器與GSM/TD共室內分布系統(tǒng)，各系統(tǒng)信號共用天饋系統(tǒng)進行覆蓋。如圖3所示，AP安裝于弱電井，通過合路器、功分器、耦合器等將信號均勻分布到各個房間，從而實現(xiàn)WLAN對整個樓層的覆蓋。

在這種場景下，一個AP可以覆蓋一層甚至幾層樓。由于墻體等的阻擋，相當多的用戶之間相互不可見，于是將存在較多的隱藏節(jié)點；在網絡負荷比較重的時候，隱藏節(jié)點帶來的沖突就會非常明顯，將大幅降低網絡的實際容量。

2.3 室外建設方式

室外建設方式包括：室外獨立放裝、室外分布系統(tǒng)合路和Mesh組網等方式。這幾種方式都是通過在室外架設AP及天線，實現(xiàn)對室外或室內區(qū)域的覆蓋。如圖4所示，AP通過連接架在室外的天線，可以覆蓋樓宇或者廣場。

當采用室外建設方式覆蓋樓宇、地形復雜的街區(qū)等場景時，AP的覆蓋范圍比較廣，且用戶之間由于阻擋、或長距離的傳播損耗原因，使得很多用戶相互不可見，隱藏節(jié)點問題也將十分突出。

圖2 室內獨立放裝

圖3 室內分布系統(tǒng)合路

圖4 室外建設

當采用室外建設方式覆蓋面積較小、較空曠的廣場時，用戶之間阻擋較小，產生隱藏節(jié)點的概率較低；但若用戶密度過大、存在阻擋時，則依然可能存在隱藏節(jié)點問題。

上述3種場景是運營商最常使用的WLAN部署方式，從分析可以看出，室內分布系統(tǒng)合路和室外建設兩種場景下，比較容易出現(xiàn)隱藏節(jié)點問題，在用戶較多的情況下，可能對網絡吞吐量造成明顯的影響。

3 隱藏節(jié)點測試結果

為測試驗證隱藏節(jié)點的影響，選取某室外存在隱藏節(jié)點的場景進行了測試。如圖5所示。

圖5 隱藏節(jié)點測試場景

場景中樓頂建設有室外型AP，選取測試點A、B點互為隱藏節(jié)點，A、B處放置筆記本終端，測試時終端與AP之間運行吞吐量測試軟件。A點、B點的終端單獨運行以及兩點處終端同時運行的吞吐量如表1所示。

從測試結果可以看出，A、B點終端同時運行時，由于存在隱藏節(jié)點問題，所以吞吐量較A點或B點的終端單獨運行時低：其中下行吞吐量下降幅度較小，上行的吞吐量下降非常明顯——這可以從隱藏節(jié)點產生的原理分析得到，如圖1中終端A、C同時向B發(fā)送數(shù)據（即上行）時，會產生沖突，造成數(shù)據無法被解析，吞吐量大幅下降。

表1 隱藏節(jié)點測試結果

4 隱藏節(jié)點問題的解決思路

4.1 RTS-CTS機制

IEEE 802.11采用CSMA/CA協(xié)議，通過載波偵聽/沖突避免機制為各個設備分配信道。為解決隱藏終端問題，IEEE 802.11協(xié)議包含了RTS-CTS 4次握手機制，包括RTS-CTS-DATA-ACK 4個過程，該機制工作步驟如圖6所示。

（1）源站在發(fā)送數(shù)據幀之前，首先發(fā)送一個RTS（Request to Send）幀預約信道，要求接收到這一消息的除目的站外的其它工作站停止發(fā)言；

（2） 目的站收到后，回復一個CTS（Clear to Send)幀，為源站預留帶寬同時通告所有站點（包括隱藏的）保持靜默；

（3）源站開始發(fā)送DATA幀；

圖6 RTS-CTS握手機制

（4）目的站回復ACK進行確認。

由于RTS和CTS長度很短，其本身沖突的概率減少，因此RTS/CTS機制可以有效運行。但整個RTS/CTS 傳輸過程會增加管理幀的數(shù)量，且?guī)g延遲也會消耗一定的資源，因此RTS-CTS的不恰當使用可能會降低網絡效率。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

雖然WLAN的AP及終端設備均支持RTSCTS，且該功能默認開啟，但其開啟的門限值缺省值為2347byte；由于大多數(shù)的以太網幀長度小于上述值，使得RTS-CTS實際上基本沒有發(fā)揮作用。

用戶可以通過調整RTS 門限值來控制RTS-CTS流程：只要大于此門限值，就會進行RTS-CTS交互；小于此門限值則會直接傳送數(shù)據幀。

在運營商建設的網絡中，AP的管理較容易實現(xiàn)，可以根據需要調整RTS-CTS門限值。而多數(shù)終端上沒有開放該參數(shù)的修改權限，用戶一般也不會主動修改相關參數(shù)；但是，可以通過安裝具有調整RTS-CTS參數(shù)功能的客戶端軟件實現(xiàn)相關門限的調整。

下面對在AP和終端上修改RTS-CTS門限的效果進行討論。在運營商建設的網絡中，AP與AP之間、終端與終端之間不通過無線信道直接通信，因此，網絡中只存在互為隱藏節(jié)點的多個AP、或互為隱藏節(jié)點的多個終端，而不存在AP和終端互為隱藏節(jié)點的情況。下面就針對這兩種情況進行分析：

（1）AP互為隱藏節(jié)點：AP的數(shù)量相對較少，且AP發(fā)射功率大、接收靈敏度高，所以這種情況出現(xiàn)的概率較低。而且，在運營商建設的WLAN網絡中，多數(shù)時間內，終端僅與一個固定的AP關聯(lián)并通信；終端僅在初次關聯(lián)或切換時才可能與多個AP通信，這進一步降低了AP互為隱藏節(jié)點的概率；

（2）終端互為隱藏節(jié)點：終端的數(shù)量相對較多、發(fā)射功率小、接收靈敏度低，且終端較為分散，在室外建設和室內分布場景中相互不可見的概率更高。

因此，實際網絡中隱藏節(jié)點影響更多的是上行數(shù)據通信，即終端向AP發(fā)送數(shù)據。所以，AP的RTS-CTS門限調整效果有限，終端側相關參數(shù)的優(yōu)化更為重要。

此外，由于采用RTS-CTS保護會增加信令開銷，所以開啟RTS-CTS的場景也需要正確選擇：

（1）在采用室內獨立放裝方式建設，且用戶數(shù)量少、單AP下用戶較為集中的場景下，不建議開啟RTSCTS機制；

（2）在采用室內分布系統(tǒng)合路和室外建設、且用戶較多的場景下，建議開啟RTS-CTS機制。

4.3 網絡規(guī)劃

除上述手段外，在網絡規(guī)劃中，也可以通過合理的設計，在一定程度上減少隱藏節(jié)點的數(shù)量：

（1）控制每個AP的覆蓋范圍，避免單個AP關聯(lián)用戶過多；

（2）合理規(guī)劃AP覆蓋邊界，減少每個AP的覆蓋范圍內的隔斷、阻擋的數(shù)量。

但規(guī)劃手段只起輔助作用，在條件具備的時候，還應主要依靠RTS-CTS參數(shù)的合理設置來減少、避免隱藏節(jié)點對網絡的影響。