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          高密度接入环境下的Wi-Fi性能优化

          时间:2018-10-13 23:18来源:Office教程学习网 www.12042044.com编辑:麦田守望者

          在校园网中最常见的高密度接入环境下的Wi-Fi性能问题一直都是困扰各个高校的问题之一最常见的问题是部署的AP不少也有AP用户分布不均访问质量无法保证等实际问题

          Wi-Fi网络工作原理

          根据IEEE802.11-2016标准Wi-Fi网络主要采用了分布式协作功能DCF架构通过载波监听/冲突避免CSMA/CA机制在Wi-Fi设备之间实现自动的?#25945;?#20849;享和访问控制MACCSMA/CA专门设计用来在多个Wi-Fi设备访问同一个通信?#25945;保档Wi-Fi设备之间的冲突可能根据CSMA/CA协议每一个Wi-Fi设备无论是AP还是终端在发送数据前必须对通信?#25945;?#36827;行监听根据监听结果判断该?#25945;?#26159;否处于Busy状态如果是Busy状态则需要继续等待如果是空闲状态则需要在一定的帧间隔时间IFS后再等待一个随机的退避时间Backoff Time当退避时间结束时如果?#25945;?#20173;然处于空闲状态则Wi-Fi设备获取到发?#31361;?#20250;TXOP通过通信?#25945;?#24320;始发送数据根据不同类型数据报?#27169;?#31649;理帧数据帧确?#29616;?.....的传输要求802.11定义了几种不同的帧间隔时间包括SIFSPIFSDIFS和AIFS等

          无线信道和空口时间

          对于802.11网络而言当我们考虑一个物理范围有限传输条件良好的封闭空间?#20445;Wi-Fi的信号覆盖足够我们通常可以假设每个终端都能获得足够好的信噪比以保证终端的关联速率保持稳定此?#20445;?#23545;Wi-Fi网络性能影响最大的因素就只有无线信道和空口时间作为Wi-Fi设备通信的共享?#25945;?#26080;线信道可以被认为是一个802.11冲突域所谓802.11冲突域首先是一个独立的?#20302;?#23481;量单元在这个冲突域中的所有Wi-Fi设备共享这个冲突域的?#20302;?#23481;量其次802.11冲突域与时间和地点相关两个相邻的Wi-Fi设备如果在不同的时间发送数据并不会产生冲突最后802.11冲突域的范围是动态变化的与正在占用信道发送数据的设备有关因此特定空间范围内使用相同无线信道的无线AP和Wi-Fi终端共享一个冲突域而相同空间内使用不同无线信道的无线AP和Wi-Fi终端则?#30452;?#20849;享不同的冲突域无线信道的增加意味着冲突域的叠加冲突域的叠加意味着?#20302;?#24615;能容量的叠加

          在每一个冲突域?#26657;Wi-Fi设备对?#25945;?#30340;共享是基于空口时间即Wi-Fi设备占用无线信道发送数据的时间的所有Wi-Fi设备必须在信?#26469;?#20110;空闲状态且等待相应的帧间隔时间和退避时间后才能占用信道并发送数据因此Wi-Fi设备占用无线信道时的空口效率即传输一定的数据所需消耗的时间很大程度决定了Wi-Fi网络的整体性能无线信道的空口效率与两个因素有关传输速率和报文结构从理论上讲传输数据所需消耗的时间与传输速率成反?#21462;?#22312;Wi-Fi环境下网络中传输的帧包括管理帧控制帧和数据帧Wi-Fi传输速率不仅与帧的类型有关甚至在每一帧的前导部分和负载部分也有差异

          如图1所示802.11数据帧实际负载的传输速率就是Wi-Fi设备的空口连接速率这个速率通常与Wi-Fi设备的信噪比有关随距离增加而?#26723;ͣ?02.11管理帧和控制帧则缺省采用最低速率6Mbps已确保能够被冲突域中所有的终端有效接收这一速率可以通过?#20302;问?#36827;行调整到24Mbps以减少低速?#25163;?#23545;网络性能的影响

          图2抽象地显?#22659;?#26500;成相同的802.11管理帧控制帧和数据帧在采用不同的速率时对空口效率的影响很明显第二张图中由于管理帧和控制帧采用24Mbps速?#24335;?#34892;发送因此每一帧可以消耗更少的空口时间使无线信道更多地处于空闲状态所以可以提升空口效率达到性能优化的目的

          除了传输速率802.11数据帧的报文架构特别是每个报文平均负载的大小?#19981;现?#24433;响Wi-Fi网络的传输性能Wi-Fi网络上每一次发?#31361;?#20250;TXOP并非是仅仅发送某个单一报?#27169;?#32780;是由一系列连续的交互报文构成对于802.11ac标准这些交互报?#38476;?#25324;RTS报文CTS报文数据报?#27169;A-MPDU块确认报?#27169;BA其中的情况是AIFS和CW?#30452;?#26159;与不同业务QOS相关的帧间隔和冲突退避时间存在一定的变化范围SIFS是最短帧间隔其长度固定为16usRTSCTS和BA是长度固定的管理帧/控制帧其帧长度?#30452;?#20026;20字节14字节和32字节并且每一帧都有一个长度为20us的传统前导帧LegacyPreamble根据802.11标准传统前导帧的传输速率是最低速率6Mbps并且不可修?#27169;?#32780;这些帧的具体内容则可以采用相对稍高的速?#24335;?#34892;传输A-MPDU中包含了真正的用户数据同时也包含相应的传统前导帧和VHT前导帧其中前导帧的传输速率是固定的6Mbps用户数据则采用实际连接速率随着数据报文真实负载的长度不同传输这部?#30452;?#25991;所需的空口时间以及这部分空口时间在整个发?#31361;?#20250;TXOP中的占比也存在差异

          从图3可以看出无论A-MPDU大小如何每个TXOP中除A-MPDU外的空口开销都是固定的传输3000字节报文与90字节报文相比其空口效率要高出很多因此针对802.11网络报文的构成从以下两个方面对网络性能产生重大影响

          802.11数据帧的负载越大用于传输真实数据负载的空口时间就越长相对于整个TXOP中的传输开销其空口效率就越高

          802.11管理帧和控制帧都是固定长度的短帧并且传输速率相对数据帧低很多因此管理帧和控制帧数量越少速率越高网络的空口效率就越高

          多终端接入的性能影响

          在802.11网络?#26657;?#20154;们普遍的感受是当一个AP下连接了较多的终端?#20445;?#36825;个AP的整体性能以及用户体验会快速下降当然这里有一个隐含条件这个AP和连在上面的Wi-Fi终端处于一个独立的冲突域因此关于这个现象更加精确的描述应该是当一个冲突域中存在较多的终端?#20445;?#36825;个冲突域的整体容量和用户体验会快速下降进一步的实验发现这个现象的发生具有一定的普遍性并且与终端构成不具有相关性由实验数据可得如果以只有一个终端时的?#20302;?#21534;吐量作为参照则无论终端类型为1x12x2或者3x3当并发终端数量在25个?#20445;低?#21534;吐量仅下降5%10%当并发终端数量在50个?#20445;低?#21534;吐量下降大约10%30%当并发终端数量达到100个?#20445;低?#21534;吐量下降高达50%60%

          从理论上分析导致这一现象的可能原因有以下四个

          1.射频冲突和重传2.连接速率的自适应下调3.TCP滑动窗口机制导致4.MAC层帧构成的变化

          然而通过在不同并发终端数量环境下进行的抓包分析我们可以推断出

          1.射频冲突和重传不是多终端环境下?#20302;?#21534;吐量下降的主要原因从图4中可以看到随着并发终端的增加射频重传比例基本保持稳定并未出现明显的同步增长因此并非?#20302;?#21534;吐量下降的主要原因

          2.连接速率的自适应下调也不是?#20302;?#21534;吐量下降的主要原因从图5中可以观察到由于retry导致Wi-Fi终端自适应?#26723;?#23556;频速率的数量并未明显增加因此自适应的速?#23454;?#33410;也不是?#20302;?#21534;吐量下降的可能原因

          3.?#20302;?#21534;吐量下滑与TCP或者UDP没有关系

          如图6所示通过对比并发终端数量变化前后?#20302;?#30340;TCP和UDP性能可以发现UDP同样存在近似的性能下滑因此可以排除TCP窗口机制导致性能下降的潜在可能

          4.随着并发终端的增加MAC层的帧构成发生了重大变化这才是导致?#20302;?#21534;吐量下降的主要原因

          如图7所示随着并发终端数量从1增加到100网络中的数据帧数量减少了34%而与此同?#20445;?#25511;制帧数量则增加了3倍用于唤醒Wi-Fi终端的Power Save NDP帧则更是增加了5倍

          如图8中802.11帧尺寸的维度进行分析可以看到小于64字节的帧数量从32K增长到107K大约3倍多的比例根据前面的研究报文负载越小射频空口的效率就?#38477;ͣ?#32593;络吞吐量?#35762;环?#20043;亦然因此网络中传输的短报文数量大幅增加?#29616;?#25289;低了?#20302;?#30340;吞吐量性能对控制帧的进一步分析发现

          RTS和NDP帧快速增长由于RTS和NDP都需要DIFS/AIFS和Backoff timer作为冲突避免机制因此意味着DIFS/AIFS和Backoff timer的数量也在同步快速增加

          TXOP数量快速增长作为TXOP结构中的主要构成RTSCTS和BA数量的增长可以?#20174;?#20986;TXOP数量的增长TXOP数量的增长意味着AIFSDIFSSIFS和Backoff Timer数量的增长

          每个TXOP中数据帧的占比下降明显TXOP在快速增加然而数据帧的数量却在显著下滑意味着大量的发?#31361;?#20250;TXOP并未用来发送有用数据

          随着终端数量的增长由于每个终端都会经常进入PowerSave模式因此用于唤醒终端的NDP和ACK报文大量增加

          分析结论随着并发终端数量的增加网络中的MAC帧构成会发生相当大的变化主要体现在控制帧数量的增加和数据帧数量的减少这两个变化导致了更多的发?#31361;?#20250;TXOP但是其中真正用于传输有用数据的却不多因此导致了高密度环境下的Wi-Fi性能快速下降

          多终端接入的优化

          根据前面的分析高密度多终端接入的性能优化可以有针对性地从以下几个角度进行优化

          通过合理的信道和功?#20351;?#21010;以及网络设备的射频优化功能?#26723;?#27599;个信道的并发终端数量

          尽量减少不必要的网络发送减少TXOP就可以减少与之相关的帧间隔时间和冲突退避时间?#26723;?02.11性能开销

          在确保可靠传输的调节下尽量提高管理帧控制帧和数据帧的传输速率?#26723;?#31649;理帧/控制帧对空口资源的开销

          通过这几方面优化过的高密度无线网络区域能大幅度提高用户使用体验

          本文对无线网在高密度多终端接入环境下对影响Wi-Fi性能的主要因素进行了分析与讨论从而总结出具体的优化方向在无线网络覆盖密度不断增加的趋势下通过这些具体优化方向可以对不同多终端接入环境下的Wi-Fi性能作针对性地优化调整从而能大幅度提高优化区域Wi-Fi性能给用户带来更好的无线体验责编杨燕婷

          作者单位为上海交通大学网络信息中?#27169;?/span>

          本文刊载于中国教育网络2018年4月刊

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          标签(Tag):无线网络性能优化
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