运营级WLAN网络的隐藏节点问题

薛强，马向辰，于晓冰

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

目前，中国各大通信运营商都加大了WLAN网络的建设力度；WLAN迎来了前所未有的高速发展机遇，但同时也面临着许多新的挑战。本文将讨论运营商在部署大规模WLAN网络时所遇到的隐藏节点问题，藉此希望引起关注并推动该问题的解决。

本文首先介绍隐藏节点定义并分析其产生的原因，接着分析在WLAN实际部署场景中隐藏节点带来的影响，进而提出解决问题的思路。

1 隐藏节点产生的原理

隐藏节点（hidden node）是指在无线局域网中，若存在A节点可以被B节点探测到，但是却不能被与B节点通信的C节点探测到，那么A节点对于C节点来说就是一个隐藏节点。

如图1所示，B既在A的覆盖范围内、也在C的范围内，但是A和C不在相互的覆盖范围内。所以，当A向B发送数据时，C并不知道A正在发送数据，所以如果这时C也发送数据，便会在B节点产生冲突，即造成节点B无法解析A或C发送的任何信息，这就是隐藏节点问题。

图1 隐藏节点示意图

2 隐藏节点对运营商WLAN网络的影响

在传统的家庭级或企业级WLAN应用环境中，由于AP覆盖范围小，WLAN隐藏节点的问题并不十分突出；即使存在隐藏节点，由于网络容量压力较小，用户一般情况下也不会明显感知其带来的影响。

但是在大规模部署运营级的WLAN网络时，由于覆盖范围的扩大、网络容量需求的提高，隐藏节点带来的影响越来越显得不可忽视。

运营商WLAN网络根据部署方式的不同可分为几种场景，而每种场景下隐藏节点的影响也有所不同，所以下文将分别讨论。

2.1 室内独立放装方式

室内独立放装建设方式是在目标覆盖区域或目标覆盖区域附近直接部署AP，AP通过其自带天线实现WLAN覆盖。如图2所示，AP可以部署于房间内部、走廊或其它便于安装和覆盖的区域。

在场景（a）中，AP的覆盖范围相对较小，每个AP下的用户相隔较近、阻挡也较少，用户之间能够互相发现对方，所以在这种场景中，基本不存在隐藏节点问题。在场景（b）中，用户之间可能存在一些阻挡，所以在这种场景中，会存在一些隐藏节点问题；当用户较少、网络压力较小的情况下，隐藏节点带来的影响也会较小。

2.2 室内分布系统合路方式

室内分布系统合路是将WLAN信号通过合路器与GSM/TD共室内分布系统，各系统信号共用天馈系统进行覆盖。如图3所示，AP安装于弱电井，通过合路器、功分器、耦合器等将信号均匀分布到各个房间，从而实现WLAN对整个楼层的覆盖。

在这种场景下，一个AP可以覆盖一层甚至几层楼。由于墙体等的阻挡，相当多的用户之间相互不可见，于是将存在较多的隐藏节点；在网络负荷比较重的时候，隐藏节点带来的冲突就会非常明显，将大幅降低网络的实际容量。

2.3 室外建设方式

室外建设方式包括：室外独立放装、室外分布系统合路和Mesh组网等方式。这几种方式都是通过在室外架设AP及天线，实现对室外或室内区域的覆盖。如图4所示，AP通过连接架在室外的天线，可以覆盖楼宇或者广场。

当采用室外建设方式覆盖楼宇、地形复杂的街区等场景时，AP的覆盖范围比较广，且用户之间由于阻挡、或长距离的传播损耗原因，使得很多用户相互不可见，隐藏节点问题也将十分突出。

图2 室内独立放装

图3 室内分布系统合路

图4 室外建设

当采用室外建设方式覆盖面积较小、较空旷的广场时，用户之间阻挡较小，产生隐藏节点的概率较低；但若用户密度过大、存在阻挡时，则依然可能存在隐藏节点问题。

上述3种场景是运营商最常使用的WLAN部署方式，从分析可以看出，室内分布系统合路和室外建设两种场景下，比较容易出现隐藏节点问题，在用户较多的情况下，可能对网络吞吐量造成明显的影响。

3 隐藏节点测试结果

为测试验证隐藏节点的影响，选取某室外存在隐藏节点的场景进行了测试。如图5所示。

图5 隐藏节点测试场景

场景中楼顶建设有室外型AP，选取测试点A、B点互为隐藏节点，A、B处放置笔记本终端，测试时终端与AP之间运行吞吐量测试软件。A点、B点的终端单独运行以及两点处终端同时运行的吞吐量如表1所示。

从测试结果可以看出，A、B点终端同时运行时，由于存在隐藏节点问题，所以吞吐量较A点或B点的终端单独运行时低：其中下行吞吐量下降幅度较小，上行的吞吐量下降非常明显——这可以从隐藏节点产生的原理分析得到，如图1中终端A、C同时向B发送数据（即上行）时，会产生冲突，造成数据无法被解析，吞吐量大幅下降。

表1 隐藏节点测试结果

4 隐藏节点问题的解决思路

4.1 RTS-CTS机制

IEEE 802.11采用CSMA/CA协议，通过载波侦听/冲突避免机制为各个设备分配信道。为解决隐藏终端问题，IEEE 802.11协议包含了RTS-CTS 4次握手机制，包括RTS-CTS-DATA-ACK 4个过程，该机制工作步骤如图6所示。

（1）源站在发送数据帧之前，首先发送一个RTS（Request to Send）帧预约信道，要求接收到这一消息的除目的站外的其它工作站停止发言；

（2） 目的站收到后，回复一个CTS（Clear to Send)帧，为源站预留带宽同时通告所有站点（包括隐藏的）保持静默；

（3）源站开始发送DATA帧；

图6 RTS-CTS握手机制

（4）目的站回复ACK进行确认。

由于RTS和CTS长度很短，其本身冲突的概率减少，因此RTS/CTS机制可以有效运行。但整个RTS/CTS 传输过程会增加管理帧的数量，且帧间延迟也会消耗一定的资源，因此RTS-CTS的不恰当使用可能会降低网络效率。

4.2 参数优化

虽然WLAN的AP及终端设备均支持RTSCTS，且该功能默认开启，但其开启的门限值缺省值为2347byte；由于大多数的以太网帧长度小于上述值，使得RTS-CTS实际上基本没有发挥作用。

用户可以通过调整RTS 门限值来控制RTS-CTS流程：只要大于此门限值，就会进行RTS-CTS交互；小于此门限值则会直接传送数据帧。

在运营商建设的网络中，AP的管理较容易实现，可以根据需要调整RTS-CTS门限值。而多数终端上没有开放该参数的修改权限，用户一般也不会主动修改相关参数；但是，可以通过安装具有调整RTS-CTS参数功能的客户端软件实现相关门限的调整。

下面对在AP和终端上修改RTS-CTS门限的效果进行讨论。在运营商建设的网络中，AP与AP之间、终端与终端之间不通过无线信道直接通信，因此，网络中只存在互为隐藏节点的多个AP、或互为隐藏节点的多个终端，而不存在AP和终端互为隐藏节点的情况。下面就针对这两种情况进行分析：

（1）AP互为隐藏节点：AP的数量相对较少，且AP发射功率大、接收灵敏度高，所以这种情况出现的概率较低。而且，在运营商建设的WLAN网络中，多数时间内，终端仅与一个固定的AP关联并通信；终端仅在初次关联或切换时才可能与多个AP通信，这进一步降低了AP互为隐藏节点的概率；

（2）终端互为隐藏节点：终端的数量相对较多、发射功率小、接收灵敏度低，且终端较为分散，在室外建设和室内分布场景中相互不可见的概率更高。

因此，实际网络中隐藏节点影响更多的是上行数据通信，即终端向AP发送数据。所以，AP的RTS-CTS门限调整效果有限，终端侧相关参数的优化更为重要。

此外，由于采用RTS-CTS保护会增加信令开销，所以开启RTS-CTS的场景也需要正确选择：

（1）在采用室内独立放装方式建设，且用户数量少、单AP下用户较为集中的场景下，不建议开启RTSCTS机制；

（2）在采用室内分布系统合路和室外建设、且用户较多的场景下，建议开启RTS-CTS机制。

4.3 网络规划

除上述手段外，在网络规划中，也可以通过合理的设计，在一定程度上减少隐藏节点的数量：

（1）控制每个AP的覆盖范围，避免单个AP关联用户过多；

（2）合理规划AP覆盖边界，减少每个AP的覆盖范围内的隔断、阻挡的数量。

但规划手段只起辅助作用，在条件具备的时候，还应主要依靠RTS-CTS参数的合理设置来减少、避免隐藏节点对网络的影响。