某高校圖書館Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)測試分析與優(yōu)化建議

楊宗衡，李曉峰

(電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，四川 成都 611731)

Wi-Fi無線接入方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場所，包括一些大型的公共場所。近年來，在高校校園網(wǎng)絡(luò)中Wi-Fi系統(tǒng)得到了大量的部署，為師生提供便利的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。但因該接入技術(shù)自身的協(xié)議特點，用于大型公共場所的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)需要進行仔細的設(shè)計與配置，否則很容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)速度慢、應(yīng)用效果差的結(jié)果。

本文針對西南某高校圖書館的Wi-Fi系統(tǒng)進行了實地測量，發(fā)現(xiàn)并分析了其使用效果不佳的情況與基本原因，給出了改善該系統(tǒng)性能的一些建議。本文的分析對于很多高密度大型場的Wi-Fi建設(shè)具有很好的參考價值。

1 圖書館無線網(wǎng)實測

某高校圖書館的校園無線網(wǎng)絡(luò)(以下稱為網(wǎng)絡(luò)A)，其Wi-Fi的整體架構(gòu)采用的是瘦AP與AC集中控制的方法。為了評估網(wǎng)絡(luò)性能，本文重點測量了信號強度、區(qū)域覆蓋情況、無線網(wǎng)絡(luò)信道使用情況與網(wǎng)絡(luò)實際使用情況。測量中，我們使用的基本工具有Acrylic Wi-Fi(學(xué)生與教育版本)系列軟件、筆記本電腦、迅雷下載軟件等。為了保證測量的結(jié)果真實可靠，測量地點包括圖書館所有樓層的閱覽區(qū)，并且每一個測量點都在不同時段進行了多次測量，避免測量結(jié)果受隨機性干擾的影響。測試參考文獻[1-3]使用的測試方法，而對于Acrylic Wi-Fi軟件的具體測量方案則參考了文獻[4]中的測試案例。

1.1 Wi-Fi信號強度以及區(qū)域覆蓋測量

進行信號強度測量時采用RSSI(receieved signal strength indiciton)來度量，單位為dBm。當RSSI>-60 dBm時，通常可以認為信號強度優(yōu)良；而RSSI<-70 dBm時，可以認為信號衰減過多，難以滿足正常的使用要求。

該校圖書館各樓層的閱覽區(qū)是到館閱覽者集中使用網(wǎng)絡(luò)A的區(qū)域，所以本文對這些區(qū)進行了精細化的測量。測量時發(fā)現(xiàn)在每一個閱覽區(qū)都能探測到RSSI>-60 dBm的網(wǎng)絡(luò)信號，僅從信號強度看，網(wǎng)絡(luò)A在各樓層的閱覽區(qū)都是達標的。如圖1所示，我們選取一個典型情況，是該圖書館二樓主閱覽區(qū)的測試情況的部分截圖。圖中有意刪除了網(wǎng)絡(luò)標識的部分內(nèi)容，其第一項就是網(wǎng)絡(luò)A的測量數(shù)據(jù)，下面的其他項為該校圖書館中還存在的其他Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)數(shù)據(jù)。可以明顯看到，網(wǎng)絡(luò)A的RSSI值高達-43 dBm,信號強度非常高。

圖1 Wi-Fi信號典型測試數(shù)據(jù)

在對覆蓋能力進行測量時，本文使用了Acrylic Wi-Fi HeatMaps軟件與筆記本電腦對各樓層的每個區(qū)域進行實地測量。在信號覆蓋測試中發(fā)現(xiàn)各樓層A信號的覆蓋情況基本相同，均可以完整地覆蓋各個閱覽區(qū)。測量結(jié)果繪制成信號熱點圖，圖書館三樓的信號熱點圖如圖2所示。圖中對稱的四個區(qū)域就是閱覽區(qū)?？梢园l(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)A的信號基本做到了對閱覽區(qū)的完全覆蓋。

圖2 圖書館三樓網(wǎng)絡(luò)A的信號熱點圖

從最基本的信號強度和信號覆蓋面的測試中我們看到網(wǎng)絡(luò)A的信號都達到了滿足正常網(wǎng)絡(luò)通信的需要。然而，實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)并不好。所以，有必要進行Wi-Fi信道的測試。

1.2 WIFI信道情況測量

理論上講，802.11系列協(xié)議規(guī)定中，在2.4G頻段只有1,6,11三個完全互不干擾的信道，在Wi-Fi部署中同區(qū)域應(yīng)盡量避開相同信道的使用以避免同頻干擾。

然而對于圖書館的Wi-Fi環(huán)境進行測試時發(fā)現(xiàn)在每一個閱覽區(qū)都會探測到大量Wi-Fi信號，其中RSSI>-90 dBm的高達60余個，無線環(huán)境十分雜亂。圖3為一個信道使用情況測量結(jié)果。

圖3 信道使用情況

60多個信號包括辦公室網(wǎng)絡(luò)與個人網(wǎng)絡(luò)，此外還有兩大部分信號。一部分來自于相鄰區(qū)間網(wǎng)絡(luò)A自身發(fā)射的同信道信號，它們不僅可見，并且信號強度強，差異不大。在各個AP發(fā)射功率控制方面存在較大問題。還有很大一部分來源于某些運營商的兩個盈利性無線網(wǎng)絡(luò)(以下稱為網(wǎng)絡(luò)B和網(wǎng)絡(luò)C)。

這些網(wǎng)絡(luò)有著和網(wǎng)絡(luò)A幾乎相同的覆蓋范圍，并且還常常具有更大的信號強度。更為嚴重的是在多個閱覽區(qū)中都出現(xiàn)了和信號A使用同一信道的情況。如圖1所示，第二、第三個信號就對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)B以及網(wǎng)絡(luò)C，與網(wǎng)絡(luò)A同時工作于信道6。圖4是圖書館三樓網(wǎng)絡(luò)B的熱點圖，網(wǎng)絡(luò)C與網(wǎng)絡(luò)B的情況類似，這里不再列出。

圖4 圖書館二層網(wǎng)絡(luò)B熱點圖

對比圖2，同為圖書館二層，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)B覆蓋能力比網(wǎng)絡(luò)A更強，由于兩者工作在同一信道，可以說網(wǎng)絡(luò)B以及網(wǎng)絡(luò)C事實上對網(wǎng)絡(luò)A形成了嚴重的干擾與壓制作用。

1.3 網(wǎng)絡(luò)實際使用情況測量

為了測量Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實際使用情況，我們分“忙時”“閑時”對各樓層的自習(xí)區(qū)進行了多次測量，測量結(jié)果在各樓層間沒有出現(xiàn)明顯的差異性。而對于忙時和閑時的區(qū)別卻是十分明顯的。這里“忙時”指上座率超過5成，反之則為“閑時”。

第一種測試方式為PING所在城市某SDN地址?！懊r”網(wǎng)絡(luò)平均延時高達472 ms，延遲過高無法滿足使用需求。而在“閑時”的網(wǎng)絡(luò)延遲改善為“68 ms”。

第二種方法是下載速度測試。依然分為“閑時”以及“忙時”。具體的測試方法是通過對一個下載速度(通常應(yīng)該)很快的資源用迅雷下載軟件進行下載來實際測量，“忙時”速率僅為28 kb/s，下載一篇正常大小的論文資料就需要大概10 min，當然這還是網(wǎng)絡(luò)連接順暢未掉線的情況下，而掉線在這里時有發(fā)生。如果觀看一個視頻教學(xué)課程則更是不可能的事情。

1.4 測量結(jié)果小結(jié)

對于測量結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)A的信號覆蓋能力不存在顯著的問題，在圖書館各層的閱覽區(qū)都可以搜索到信號。然而圖書館的無線環(huán)境十分混亂，大量的無線信號擁擠在有限的信道中，尤其是網(wǎng)絡(luò)B以及網(wǎng)絡(luò)C對網(wǎng)絡(luò)A形成了十分嚴重的同頻干擾。關(guān)于同頻干擾對于Wi-Fi性能影響在文獻[5-6]中有比較細致的分析說明。這種狀況造成用戶在使用網(wǎng)絡(luò)A時即便直觀信號強度良好，實際網(wǎng)絡(luò)性能卻十分糟糕的情況。

2 802.11原理分析

為了對測量結(jié)果進行有效分析，并且得出可行的改進建議，我們需要從802.11空口原理中探尋出問題的根本原因。文獻[7-9]詳細敘述了802.11系列協(xié)議中的詳細原理，而針對這個具體的問題，主要關(guān)注如下幾個方面：信道劃分、隱藏節(jié)點問題、RTS/CTS、數(shù)據(jù)包傳送操作以及CSMA/CA協(xié)議對信道質(zhì)量的影響。

2.1 802.11信道劃分

802.11系列協(xié)議規(guī)定2.4G頻段可供選擇1-13號共13個頻點，相鄰頻點間隔為5 MHz。由于單信道帶寬為22 MHz,所以2.4G頻段內(nèi)互不干擾的可選頻段只有3個，一般被設(shè)置為1,6,11。如果覆蓋區(qū)域幾乎一致的Wi-Fi工作在同一個頻段上所形成的同頻干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響是巨大的。

2.2 隱藏節(jié)點問題

隱藏節(jié)點是無線網(wǎng)絡(luò)特有的問題，具體到圖書館問題中來則是兩類情況。一是同一AP下終端間不可見，即用戶彼此間不可見，同時向AP發(fā)送數(shù)據(jù)而引發(fā)沖突。第一種情況在引入了RTS/CTS機制后得到了解決。RTS/CTS利用短控制幀的沖突來代替長數(shù)據(jù)幀的沖突，提高了帶寬利用率。還有一種情況是同頻不可見AP間存在著重疊覆蓋，兩者都向同一個終端發(fā)送數(shù)據(jù)而引發(fā)沖突。這一種情況則RTS/CTS機制也無法解決，需要加入一個NAV(網(wǎng)絡(luò)分配矢量)，利用持續(xù)時間來實現(xiàn)虛擬監(jiān)聽協(xié)議，然而必然增加更多的網(wǎng)絡(luò)開銷，降低了帶寬利用率。而通過測量我們發(fā)現(xiàn)信號A廣泛存在著覆蓋區(qū)域重疊的問題，必然也會因此而影響了傳輸性能。

2.3 csma/ca對WLAM網(wǎng)絡(luò)的影響

為了避免碰撞沖突，802.11系列協(xié)議制定了csma/ca協(xié)議。在該協(xié)議中AP和STA具有同等的地位，不分主從關(guān)系。csma/ca協(xié)議是一款時隙式的csma協(xié)議，定義了5種長短不同的幀間間隔(IFS)。

實現(xiàn)高速的無線接入能力源于其所采用的多載波調(diào)制技術(shù)OFDM[10]。在 802.11n中，通過114個子載波頻道(108個傳輸數(shù)據(jù))的正交頻分復(fù)用，實現(xiàn)高效的頻帶利用率。在傳輸數(shù)據(jù)時采用n-QAM的調(diào)制方式來提高傳輸速度。無論AP還是STA發(fā)送一個數(shù)據(jù)包都要經(jīng)歷RTS->CTS->DATA->ACK 4個報文的交互過程，其中任何一個報文的丟失，整個發(fā)送操作都需要重來。所以當網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降或退避次數(shù)過多時，空口會由于用戶數(shù)據(jù)阻塞、退避、丟失等原因使得無線網(wǎng)卡主動采用模數(shù)低甚至抗干擾能力更強的 BPSK調(diào)制方式，以保證同無線設(shè)備間空口的傳輸質(zhì)量，而在終端顯示上，則以傳輸速率的降低表現(xiàn)出來。

可以假設(shè)：首先，開始時都是高速的協(xié)議速率，每一個數(shù)據(jù)幀都是以小時隙實現(xiàn)高效傳輸。之后，因為突發(fā)錯誤或者其他情況網(wǎng)絡(luò)中開始出現(xiàn)低速率的報文，信道中也出現(xiàn)了大時隙的數(shù)據(jù)幀，從而占用了較多的信道資源。這時，由于低速率的數(shù)據(jù)幀占用了較大的時隙，導(dǎo)致本該由高速率的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙被占用，繼而出現(xiàn)碰撞。對于STA而言，認為空口信道出現(xiàn)惡化，于是逐級采用有較強抗干擾能力的編碼方式，而這種方式，每個數(shù)據(jù)幀的時隙也逐漸增大。隨著每個幀的長度增加，又進一步加劇空口信道上的競爭；當競爭加劇到一定程度，又迫使所有終端采用抗誤碼能力更強的編碼方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，從而就像多米諾骨牌一樣，進入惡性循環(huán)，最終整個空口都采用低速率的協(xié)議速率傳輸。因此，Wi-Fi在空口上，實際上就是一套自干擾的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)在高壓力狀態(tài)下的能力下降嚴重。

3 對于圖書館網(wǎng)絡(luò)A的改進建議

3.1 合理配置信道

通過之前的測量和分析可以發(fā)現(xiàn)：在一個干凈的無線環(huán)境中，沒有網(wǎng)絡(luò)B以及網(wǎng)絡(luò)C的無序干擾，網(wǎng)絡(luò)A應(yīng)該可以充分地發(fā)揮出好的通信能力。

顯然，首先需要考慮的是合理配置信道的問題，傳統(tǒng)的做法是平面上的蜂窩狀排布三個信道使得彼此之間干擾最小。文獻[11]中關(guān)于信道劃分有一個具體的優(yōu)化案例可以參考。此處則需要在部署時將網(wǎng)絡(luò)B以及網(wǎng)絡(luò)C同時納入規(guī)劃范圍，使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進行分析，建立合理的信道分配模型，盡量避免同頻干擾的出現(xiàn)。

3.2 提高網(wǎng)絡(luò)最低報文速率

在之前的分析中已經(jīng)論述過低速率幀對空口性能的巨大影響，拒絕此類低速率幀節(jié)的傳輸，防止浪費信道資源，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)總體性能。802.11協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵時采用的降速傳送方案是為了在信道條件較差時保證通信正確執(zhí)行。然而在該圖書館的特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，傳輸失敗主要是彼此干擾造成的，而低速率幀的出現(xiàn)增長了數(shù)據(jù)幀的時隙，反而加重發(fā)生干擾碰撞的概率，并不能提高通信的質(zhì)量。所以在AP管控時應(yīng)重新配置最低速率，關(guān)閉1,2,6 Mb/s的低速率，禁止低速率幀的傳送。即使存在傳輸失敗，也不是降速率可以解決的。相反，還提升整體網(wǎng)絡(luò)速度，可以提高帶寬利用率。從圖書館抓取的網(wǎng)絡(luò)A的Beacon報文運用Wireshark分析之后發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)A的AC是允許低速率幀傳輸?shù)?，?,2,5.5 Mb/s的速率，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)A報文分析

3.3 優(yōu)化AP射頻模塊

在之前的測量中我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)A在各樓層都出現(xiàn)了AP間覆蓋區(qū)域重疊的問題，所以適當調(diào)小AP發(fā)射功率，優(yōu)化此類情況。文獻[12]中關(guān)于如何實際提高覆蓋效果有數(shù)個案例研究可以參考。

另外在分析各樓層的情況時發(fā)現(xiàn)圖書館樓層間縱向的穿透力強于平面的穿透力，即二層的信號經(jīng)常受到三層以及一層信號的干擾。建議使用定向天線模塊，減少同頻干擾。

3.4 加入802.11n后續(xù)版本支持的5 GHz信道實現(xiàn)雙頻接入

由于 2.4 GHz互不干擾的信道只有 3 個，空口干擾很難避免。所以可通過 802.11a 的 5.8 GHz頻段進行優(yōu)化補充，實現(xiàn)2.4 GHz 和 5.8 GHz雙頻覆蓋。對2.4 GHz 信道的分流，使得在 2.4 GHz上的終端數(shù)減少。伴隨著終端數(shù)的減少，終端間干擾也被有效降低，又緩和了 2.4 GHz信道上的壓力，提升了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

3.5 降低虛擬 SSID數(shù)量

通過對報文的抓取可以發(fā)現(xiàn)目前的網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了眾多的SSID，而每一個SSID都在不斷地高速發(fā)送beacon廣播報文，耗費了很大一部分帶寬和帶寬。若降低虛擬SSID的數(shù)量，將所需要的服務(wù)集成到少數(shù)SSID上，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。并且還應(yīng)該通過增大beacon報文的發(fā)信間隔，進一步提高帶寬利用率。

4.結(jié)束語

本文通過實地測量并結(jié)合802.11系列協(xié)議分析找到了在Wi-Fi空口側(cè)造成圖書館網(wǎng)絡(luò)性能不佳的原因，并且對于Wi-Fi在高密度大型場所的建設(shè)部署提出了一些有建設(shè)性的意見，希望能夠為Wi-Fi的發(fā)展貢獻一份綿薄之力。

本文工作得到電子科技大學(xué)教學(xué)改革項目“通信工程大類專業(yè)挑戰(zhàn)性課程探索”與“探索式小班教學(xué)課程——通信原理”的支持，在此表示感謝！