总21期
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Wi-Fi网络的智能调优
文/王金全
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摘要:Wi-Fi网络的运维正在走向自动化、智能化,同时也在向“泛运维”方向发展,涵盖工勘、部署、配置、验收、优化、运维等更多环节,将贯穿Wi-Fi网络项目的全生命周期。

1997年,IEEE发布了802.11标准,第一代Wi-Fi技术正式问世。经过20多年的发展,Wi-Fi网络几乎已经无处不在。在日常生活中,Wi-Fi网络的体验可能会出现一些问题,如:视频卡顿、Web页面打开缓慢等。对于普通用户而言,这些问题并不会产生太大的影响。但是,换一种环境的话,情况可能就大不相同了。

很多场景对Wi-Fi网络的要求是非常高的。企业的办公网络可能需要部署成百上千台AP设备,容纳数以千计的无线用户,并且承载着语音、视频、数据等不同类型的业务。语音、视频等实时通信业务,对网络的丢包、延时和抖动是非常敏感的。在一些生产环境中,无线局域网也是必不可少的。举例来讲,AGV自动导航车需要通过Wi-Fi网络进行导航,AGV小车拖着线缆移动显然是不现实的。AGV小车的移动范围可能比较大,如果小车在AP设备之间漫游时太慢,AGV小车可能会停止运行,这时候必须人工介入才能重新启动。要使大量的用户拥有良好的体验,就需要对Wi-Fi网络进行调优。

Wi-Fi网络调优是一项复杂的工作。这项工作需要考虑多种因素,如:无线频谱资源的管理、发射功率的控制、终端接入控制、业务类型区分和网络故障自动恢复等。随着业务的变化,Wi-Fi网络可能还需要增加或减少AP设备的数量。因此,手动调优几乎是不可能的,必须以自动化的方式来实现智能调优。

频谱资源管理

Wi-Fi网络的传输介质是无线电波,无线电波可以覆盖到的地方就可以通过Wi-Fi上网。但是,Wi-Fi技术可以使用的无线频谱资源是比较有限的,如何充分利用有限的频谱就成了一个非常关键的问题。

目前,Wi-Fi技术可以工作在2.4 GHz和5 GHz的非授权频段,每个频段又可以划分为多个信道。非授权频段无需向无线电管理机构申请许可证就可以直接使用。但是,非授权频段也有诸多缺点。大量的非Wi-Fi设备(如:微波炉、蓝牙终端、LoRa终端等)工作在2.4 GHz频段上,有些雷达系统则工作在5 GHz频段上,这些设备可能对Wi-Fi网络的性能造成影响。 另外,2.4 GHz频段的频宽只有83.5 MHz,频率复用比较紧密,系统内的干扰也比较大。相对而言,5 GHz频段干扰源较少,频谱资源要丰富一些。

频谱资源管理主要包括三方面内容,动态信道分配、动态频率选择和发射功率控制。这些内容并不是完全独立的,例如:发射功率的大小会影响到邻居关系,进而影响到信道的分配。在实际的网络调优过程中,需要综合考虑这些内容。

1.动态信道分配

Wi-Fi的每个工作频段都可以划分为多个信道。需要注意的是,不同国家对无线频谱资源的规划并不完全相同。目前,我国的2.4 GHz频段开放了13个信道。下图是2.4 GHz频段的信道划分情况,5 GHz频段的情况与此类似。

2. 4 GHz频段的信道划分

通过这幅图可以看到,2.4 GHz频段中只有3个信道是相互独立的,不存在相互干扰。常规的信道规划方式下,2.4 GHz频段使用1、6、11这3个信道。5 GHz频段可以统筹使用36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161、165信道。工作在同一频段的多台AP设备可以使用不同的信道,以便尽可能地降低干扰。802.11标准允许AP设备将相邻信道合并使用,以便提升Wi-Fi网络的吞吐率。但是,信道的组合使用会对信道的分配产生影响。不同AP设备使用的信道之间通常会有部分频谱重叠,频谱重叠就意味着这两个频段之间存在相互干扰。相互干扰的严重程度取决于两个频段重叠的多少以及发射信号的频谱特性。

智能调优功能可以对AC设备管辖下的不同AP设备进行分析,并根据AP设备之间的位置、功率等参数进行二维或三维的蜂窝式信道规划。通过对信道进行动态选择,可以保证每台AP都能够分配到最优的信道,从而尽可能地减少甚至避免相互干扰,保证Wi-Fi网络传输的可靠性。

2. 动态频率选择

动态频率选择功能会对网络状况进行实时测量,以便为AP设备动态地分配频段以减小AP间的干扰。网络状况的获取可以基于用户侧的测量信息实现,也可以基于AP设备侧的测量信息来实现。

IEEE 802.11h标准中的方案是基于用户侧的测量信息实现的。AP设备发出频段测量的指令,终端收到指令后开始对干扰情况进行测量,而后将测量结果提交给AP设备。AP设备根据收集到干扰信息来决定是否调整自己的频率。

随着Wi-Fi网络的接入用户数量不断增多,可以认为用户在AP的覆盖区域内大体上是均匀分布的,因此可以选择忽略用户的位置,而把AP设备的相对位置和相互干扰情况作为频率调整的主要依据。通过收集邻近的AP发出的Beacon帧或探测帧,可以了解邻近的AP对本AP的干扰程度。不过,在用户数量较少的情况下,这种方式的优化效果不如前一种方式。

3. 发射功率控制

AP的发射功率可以根据网络的部署情况进行动态调整。为了尽可能覆盖较大的范围,通常情况下AP设备会按照允许的最大功率发射信号。但是,AP设备发送的信号并不是越强越好。随着AP设备不断增多,AP之间的距离不断减小,覆盖已经不是问题,AP间的相互干扰反倒成为了主要问题。如果AP发射功率过大,那么同频干扰问题对网络总容量的影响将非常明显。在Wi-Fi网络的运行过程中,需要根据实时的无线环境动态地分配合理的功率,这样既能保证当前AP的覆盖范围,又不会对邻居AP形成较大的干扰。

终端侧也可以进行发射功率控制。当用户距离AP比较近时, 由于信号的衰减比较小, 所以发射功率也可以小一些。这样,在保证用户通信质量的前提下,就减小了对同一频段的其他用户和AP的干扰,也可以减小终端的耗电量,延长Wi-Fi终端的续航时间。

终端接入控制

Wi-Fi终端种类繁多,质量参差不齐,分布的随机性较高。终端自身的能力和终端所处的位置,都会影响接入的质量。通过对终端行为进行干预和引导,将终端无感知地快速引导到最佳射频上,以保障终端时刻处于信号最佳、信道负载最低、协商速率最高的状态,从而有效地提升终端的接入质量。

1. 优先将用户引导到5 GHz频段

通常来讲,AP设备可以支持2.4 GHz和5 GHz两个频段。5 GHz频段的传输速度比较高,但信号衰减较大,传输距离不及2.4 GHz频段。相对而言,2.4 GHz频段信号更容易绕过障碍物,传输距离更远,有利于边缘区域的覆盖。

目前,仍有大量的2.4 GHz终端设备还在使用。基于Wi-Fi的IoT终端设备也会使用2.4 GHz频段。在一些特定的业务场景(如:资产管理等)中,无线流量并不大,但终端设备数量庞大。这种情况下,终端仅支持2.4 GHz可以有效地降低成本,是一种高性价比的选择。另外,很多支持2.4 GHz和5 GHz的双频终端,可能会默认先从2.4 GHz频段接入Wi-Fi网络。这样,2.4 GHz频段会变得拥挤不堪,而干扰少、频谱资源相对丰富的5 GHz频段反倒利用率不足。

AP设备可以将Wi-Fi终端引导到不同的频段,从而实现2.4 GHz频段和5 GHz频段之间的负载均衡。AP设备可以根据终端发送的Probe Request请求来判断终端可以工作在哪些频段。如果AP设备在一段时间内只从2.4 GHz频段收到Probe Request请求,那么就认为该终端只能工作在2.4 GHz频段;否则,就认为该终端是双频终端。这个判断逻辑也适用于5 GHz频段。对于双频终端,AP可以选择将它优先接入5 GHz频段。当然,这种引导方式并不是无条件的。AP首先要判断两个频段的负载情况,如果5 GHz频段的负载没有达到一定的程度,则优先从5 GHz频段接入。如果终端持续要求从非优选的2.4 GHz频段接入,AP设备也要予以接受。

2. 用户服务的差异化

实际组网中,往往需要对不同类型的终端用户区别对待。通常来讲,可以将用户划分为多个级别,如:VIP客户、价值客户、普通客户。每个级别的用户对网络服务有着不同的要求。VIP客户具有最高的优先级,通常没有速率上的限制;价值客户要求一定的带宽保障,在此基础上进行公平调度;对于普通客户,则需要限制其接入数量,并对接入速率进行智能调整。

3. 射频资源优化

从AP设备发往终端的流量有些是没有意义的(例如:DHCP Discover广播报文),这些流量会白白地耗费宝贵的空口资源。另外,广播和多播流量的发送效率也比较低,这是802.11规范本身的原因造成的。在802.11规范中,广播、多播报文并没有ACK确认机制。为了使所有的终端都能收到这些报文,会以低速率发送这些报文,这种发送方式有点儿像在高速公路上慢悠悠地开车。如果广播、组播报文较多,就会占用大量的空口资源,导致Wi-Fi网络出现拥塞。在网络负荷较大的情况下,这些无意义或者低效率的流量可能导致一部分应用流量被丢弃,从而使用户体验显著降低。

射频资源优化功能致力于减少或控制特定类型的报文对空口资源的消耗,从而留出更多的资源为用户提供更好的无线应用服务。射频资源优化功能可以对无线流量进行实时感知,并将没有意义的报文终结在AP设备上。对于确实需要转发的广播和多播报文,则转换成单播报文发送出去,这样基本可以消除下行广播流量的负面影响。当然,射频资源的优化还有更多的方式,如:无线业务的二层隔离、逐帧的发射功率控制等,此处就不一一列举了。

网络故障识别和自动恢复

实际情况下,Wi-Fi网络可能遇到各种各样的问题,如:乒乓漫游、干扰严重、非5G优先接入、信号弱、选速低、IP获取失败、终端接入失败、终端接入慢等问题。这些问题会对用户的体验造成不利影响。Wi-Fi网络的智能运维系统可以自动识别一些常见的问题并自动解决,这样也可以减轻网络维护的压力。智能运维系统还可以支持一些其他的功能,为网络运维提供方便,例如:AP可以通过远程控制切换成客户端模式来对无线网络进行测试。总而言之,在用户无感知的情况下自动解决网络的各种问题,将给用户带来良好的体验。

结束语

1997年,IEEE发布了第一个无线局域网标准。后来,陆续发布了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n、802.1ac标准。今天,802.11ax标准已经基本完成,Wi-Fi 6的时代已经来临。随着Wi-Fi技术的持续发展,用户对Wi-Fi技术的期待也越来越高,Wi-Fi技术也将被应用于越来越多的领域。

为了持续提升Wi-Fi网络的体验,Wi-Fi网络的智能调优功能将发挥越来越大的作用。成熟的无线解决方案供应商通常会提供 “一键优化”、“一键诊断”等高级功能,Wi-Fi网络还可以基于历史信息对全网进行自动化调优。这些功能可以大大简化Wi-Fi网络的部署和调优工作。Wi-Fi网络的智能运维系统仍在持续改进,传统意义上的无线运维也在向“泛运维”方向发展,无线运维将涵盖工勘、部署、配置、验收、优化、运维等更多环节,最终将贯穿Wi-Fi网络项目的全生命周期。随着技术的不断发展和演进,Wi-Fi网络的运维将变得更加智能化,也将为客户带来更高的价值。

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