Wi-Fi連接速率的探討

高峰

摘? 要：曾幾何時(shí)三大運(yùn)營(yíng)商都使用Wi-Fi設(shè)備建設(shè)過無線城市，但效果并不理想。隨著4G資費(fèi)的不斷下降，大家更愿意使用4G網(wǎng)絡(luò)。但Wi-Fi最大的優(yōu)勢(shì)就是免費(fèi)，有很多的場(chǎng)景應(yīng)用還是會(huì)用到它。因?yàn)樗俾适谴蠹铱梢钥吹降臒o線鏈路質(zhì)量的指標(biāo)，該文就是針對(duì)Wi-Fi系統(tǒng)中接入點(diǎn)和終端連接時(shí)出現(xiàn)不同速率的現(xiàn)象，分析其原因，并提出了提高速率的解決方案。與以往不同的是，本文中提出了一些新的觀點(diǎn)也包括介紹了新的技術(shù)。對(duì)如何利用Wi-Fi系統(tǒng)起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：Wi-Fi? 速率? 改善? 體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0014-03

Wi-Fi早已融入我們的生活，隨手掃描一下周圍的接入點(diǎn)，一般都有十幾個(gè)。早在2011年全球Wi-Fi聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就宣傳稱，目前全球共有150萬個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)，中國(guó)市場(chǎng)Wi-Fi熱點(diǎn)數(shù)量在50～100萬之間。曾經(jīng)我國(guó)超過200個(gè)城市投入過無線城市建設(shè)，當(dāng)時(shí)三大運(yùn)營(yíng)商的Wi-Fi熱點(diǎn)覆蓋已經(jīng)“無處不在”。然而在實(shí)際生活中，并沒有多少人使用這些熱點(diǎn)，“不好用”是大家的普遍感覺。相比之下大家更加愿意使用4G網(wǎng)絡(luò)。但4G無法代替Wi-Fi的全部應(yīng)用，例如物聯(lián)網(wǎng)。更重要的是使用Wi-Fi是免費(fèi)的。面對(duì)廠商們鋪天蓋地的宣傳，我們都知道Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過飛速發(fā)展，速率早就升至目前主流的300Mbps甚至到了1.3Gbps。那為什么還有這樣的反饋呢？那我們就從速率談起，帶你尋找根因。

1? IEEE 802.11協(xié)議匹配的因素

由表1我們看到采用不用的協(xié)議時(shí)，速率會(huì)有所不同。也就是說當(dāng)一個(gè)僅支持802.11g的終端連接上802.11n的接入點(diǎn)時(shí)，它們之間的速率就是54Mbps，一個(gè)支持802.11n的終端連接上802.11n的接入點(diǎn)時(shí)，它們之間的速率最高達(dá)到300Mbps。

所以當(dāng)你感覺網(wǎng)絡(luò)不好時(shí)，先看看接入點(diǎn)以及終端使用的什么協(xié)議，確保互相匹配。尤其要注意是802.11a/n和802.11g/n是互不兼容的，因?yàn)樗鼈児ぷ鞯念l段不相同。建議購買同時(shí)支持2.4GHz和5GHz的雙頻設(shè)備。那如何知道接入點(diǎn)和終端支持哪個(gè)頻段？也很簡(jiǎn)單，只要去查一下廠商宣傳的產(chǎn)品數(shù)據(jù)就明白了。支持2.4GHz的接入點(diǎn)和終端都至少支持802.11 b/g/n 這三個(gè)協(xié)議的一種，支持5GHz的接入點(diǎn)和終端都至少支持802.11 a/n/ac這三個(gè)協(xié)議的一種。

2? 無線線路開銷因素

廠商們通常宣傳的是Wi-Fi產(chǎn)品的最大速率，而和實(shí)際獲得的性能也就是吞吐量相比，這兩者差別很大。我們?cè)谙硎躓i-Fi的便捷的時(shí)候，Wi-Fi產(chǎn)品為了保持無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，需要加入很多的開銷，例如等待傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，報(bào)文與報(bào)文之間的時(shí)間間隔，無線加密所需要的報(bào)文以及一些必要的協(xié)議報(bào)文等，此時(shí)吞吐量會(huì)降低到最大速率50%。如果終端的增多了，除了吞吐量還需要被繼續(xù)分配外，終端之間還需要額外開銷避免沖突，這同樣會(huì)造成吞吐量下降很快。

這里有一個(gè)公式 最大吞吐量=（終端顯示的最大速率÷2）÷終端數(shù)量

終端顯示的最大速率可以終端的系統(tǒng)中顯示（見圖1），或者在接入點(diǎn)的終端列表頁面里面顯示（見圖2）。

3? 信號(hào)強(qiáng)度的因素

決定接入點(diǎn)和終端的速率高低的一個(gè)很重要的指標(biāo)就是信號(hào)強(qiáng)度。一般而言信號(hào)強(qiáng)度越好，它們之間的速率就越高。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)接入點(diǎn)和終端的信號(hào)強(qiáng)度低于-65dBm時(shí)，這點(diǎn)我們?nèi)匀豢梢詮慕尤朦c(diǎn)的終端列表里面可以看到。這時(shí)候，我們就要想辦法提升信號(hào)強(qiáng)度了。影響信號(hào)強(qiáng)度的因素比較多，包括設(shè)備的天線增益，設(shè)備的天線類型，接入點(diǎn)和終端的距離遠(yuǎn)近，接入點(diǎn)和終端的遮擋情況等。

我們首先調(diào)整接入點(diǎn)和終端的距離，盡量縮小它們的間距。其次，讓接入點(diǎn)和終端盡量可視，不要有遮擋。在一個(gè)可視空曠的空間內(nèi)，普通家用無線路由器也能夠覆蓋4，500m的范圍，但如果其和終端之間出現(xiàn)阻擋，這個(gè)距離將大大縮小，一堵承重墻足以讓覆蓋范圍縮小到100m以內(nèi)。我們還可以選擇WLAN天線增益大的設(shè)備。WLAN天線增益越大，連接范圍越廣。筆記本電腦、PAD、無線網(wǎng)卡的WLAN天線都比手機(jī)好的多。而無線路由器的WLAN天線又比這些終端要好。至于高增益天線的WLAN網(wǎng)橋，那更是可以傳輸幾十公里。另外我們還可以從天線類型著手，由于天線發(fā)出的信號(hào)具有方向性，那么使用定向天線就會(huì)提升某一個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度，網(wǎng)上流行的利用廢棄的易拉罐制作定向天線提高信號(hào)強(qiáng)度就是這個(gè)原理。

實(shí)際應(yīng)用中我們盡管能夠增強(qiáng)Wi-Fi的信號(hào)強(qiáng)度，但不等同于可以增快上網(wǎng)速度（也就是提高吞吐量）。在較好的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)范圍內(nèi)，信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)網(wǎng)速的影響幾乎可以忽略不計(jì)，只有當(dāng)信號(hào)低到一定程度時(shí)，網(wǎng)速才會(huì)受到影響。那還有什么因素影響速率呢？

原因四：無線鏈路質(zhì)量因素

當(dāng)終端發(fā)現(xiàn)與接入點(diǎn)通訊的環(huán)境有干擾、或者兩者之間有障礙物遮擋以及多終端混合接入時(shí)，會(huì)采用降低速率的方法維持鏈路的質(zhì)量。因?yàn)榻K端采用低速率時(shí)會(huì)提高自身的發(fā)射功率，從而提高信噪比。高信噪比會(huì)獲得更高的吞吐量。我們發(fā)現(xiàn)不同終端在相同的環(huán)境中速率高高低低，這是由于各個(gè)終端采用的自適應(yīng)算法不同，造成了不同終端間速率自適應(yīng)時(shí)存在差異性。目前的速率自適應(yīng)方法可分為以下4類。

（1）利用物理層指標(biāo)，即利用信號(hào)強(qiáng)度的強(qiáng)弱來計(jì)算。當(dāng)終端掃描到接入點(diǎn)的信號(hào)低于一定的閥值時(shí)，自動(dòng)降低速率，高于一定的閥值時(shí)，則提高速率。這個(gè)算法比較簡(jiǎn)單，但存在誤判。信號(hào)強(qiáng)度高并不代表鏈路質(zhì)量一定高。

（2）利用傳送幀連續(xù)的成功和失敗次數(shù)，即通過丟包率來計(jì)算。比如連續(xù)丟一定數(shù)量的包，則降低一檔速率發(fā)送下面的數(shù)據(jù)并啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器;如果連續(xù)收到一定數(shù)量的包或者定時(shí)器時(shí)間到，則提高發(fā)送速率。

（3）利用一段時(shí)間的數(shù)據(jù)幀的統(tǒng)計(jì)特征來決定發(fā)送速率。比如在一段時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)丟幀率等信息，并將其與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信息進(jìn)行比較。

（4）每隔一段時(shí)間以不同速率發(fā)送一個(gè)或者一些試探幀，用來估計(jì)不同速率幀在信道中的表現(xiàn)。

這四種方法各有利弊，但總的目的就是通過降低速率的方式維持鏈路質(zhì)量。但我們完全能夠在高速率的情況下維持高質(zhì)量的鏈路，做到這點(diǎn)可以從以下方法著手：

（1）減少環(huán)境中的干擾。比如錯(cuò)開與其他接入點(diǎn)的信道。不靠近微波爐、無線鼠標(biāo)、藍(lán)牙等設(shè)備。

（2）消除隱藏節(jié)點(diǎn)。在WLAN中，當(dāng)兩個(gè)終端無法探知對(duì)方正在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它們互為隱藏節(jié)點(diǎn)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)搶占資源的情況，造成傳輸效率急劇下降。

（3）拒絕信號(hào)太弱的終端接入。由于WLAN的特性，每個(gè)連接上接入點(diǎn)的終端都會(huì)獨(dú)占一定的時(shí)間用于傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)終端傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其他終端必須等待，所以一旦速率慢的終端開始傳輸數(shù)據(jù)就會(huì)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。而一般信號(hào)強(qiáng)度弱的終端速率都比較慢，所以接入點(diǎn)會(huì)通過拒絕弱信號(hào)（一般低于-75dBm）的終端接入來提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。

（4）使用更新的技術(shù)。通常一個(gè)接入點(diǎn)建議接入用戶20～30個(gè)，然而在實(shí)際應(yīng)用中即使?jié)M足這個(gè)條件甚至用戶數(shù)更少還是會(huì)影響用戶體驗(yàn)。這是WLAN特性決定的，所以在最新的802.11ac協(xié)議里加入了 MU-MIMO（多用戶多入多出）技術(shù)。通過MU-MIMO保證多設(shè)備同時(shí)上網(wǎng)不卡頓，但要使用這個(gè)功能需要接入點(diǎn)和終端都只支持此功能。

（5）降低設(shè)備接收靈敏度。通過降低接收靈敏度，可以避免外界的干擾，但會(huì)犧牲傳輸距離。

4? 結(jié)語

Wi-Fi技術(shù)還在發(fā)展，適用的場(chǎng)合也越來越精準(zhǔn)——小型局域網(wǎng)的搭建，無線監(jiān)控視頻領(lǐng)域，機(jī)器人的指令傳輸，長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸甚至對(duì)人體動(dòng)作的探測(cè)。Wi-Fi并不是一個(gè)完美的技術(shù)，易被干擾就是很大的“硬傷”。盡管已有廠商可以通過私有協(xié)議達(dá)到抗干擾的目的，但這需要接入點(diǎn)和終端都支持此協(xié)議。隨著人們對(duì)Wi-Fi高吞吐量低延時(shí)的要求也會(huì)越來越高，構(gòu)造一條質(zhì)量高的無線鏈路也是一項(xiàng)基本的網(wǎng)優(yōu)能力。作為有線接入技術(shù)的補(bǔ)充，用好Wi-Fi必然能使人們?cè)谌缃駭?shù)據(jù)爆發(fā)的時(shí)代取得方便、快捷的感受。

參考文獻(xiàn)

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