高密度接入环境下的Wi-Fi性能优化

文/周曜 谢锐 周立聘

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IEEE 802.11-2016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媒体共享和访问控制（MAC）。CSMA/CA专门设计用来在多个Wi-Fi设备访问同一个通信媒体时，降低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媒体进行监听，根据监听结果判断该媒体是否处于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媒体仍然处于空闲状态，则Wi-Fi设备获取到发送机会（TXOP），通过通信媒体开始发送数据。根据不同类型数据报文（管理帧、数据帧、确认帧……）的传输要求，802.11定义了几种不同的帧间隔时间，包括SIFS、PIFS、DIFS和AIFS等。

图 1 空口连接速率

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时， 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。此时，对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设备通信的共享媒体，无线信道可以被认为是一个802.11冲突域。所谓802.11冲突域，首先是一个独立的系统容量单元，在这个冲突域中的所有Wi-Fi设备共享这个冲突域的系统容量；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终端则分别共享不同的冲突域。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系统性能容量的叠加。

在每一个冲突域中，Wi-Fi设备对媒体的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设备必须在信道处于空闲状态，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比。在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，随距离增加而降低；802.11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，这一速率可以通过系统参数进行调整到24Mbps，以减少低速率帧对网络性能的影响。

图2抽象地显示出构成相同的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速率进行发送，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。

图 2 对空口效率的影响

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，也会严重影响Wi-Fi网络的传输性能。 Wi-Fi网络上每一次发送机会（TXOP）并非是仅仅发送某个单一报文，而是由一系列连续的交互报文构成。对于802.11ac标准，这些交互报文包括：RTS报文、CTS报文、数据报文（A-MPDU）、块确认报文（BA）。其中的情况是：AIFS和CW分别是与不同业务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16us；RTS、CTS和BA是长度固定的管理帧/控制帧，其帧长度分别为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（Legacy Preamble），根据802.11标准，传统前导帧的传输速率是最低速率（6Mbps），并且不可修改，而这些帧的具体内容则可以采用相对稍高的速率进行传输；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，传输这部分报文所需的空口时间，以及这部分空口时间在整个发送机会（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。

图 3 空口开销

图 4 射频冲突和重传

图5 连接速率的自调

多终端接入的性能影响

在802.11网络中，人们普遍的感受是：当一个AP下连接了较多的终端时，这个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时，这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系统吞吐量作为参照，则无论终端类型为1x1、2x2或者3x3，当并发终端数量在25个时，系统吞吐量仅下降5%～10%；当并发终端数量在50个时，系统吞吐量下降大约10%～30%；当并发终端数量达到100个时，系统吞吐量下降高达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系统吞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，因此并非系统吞吐量下降的主要原因。

2.连接速率的自适应下调也不是系统吞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终端自适应降低射频速率的数量并未明显增加，因此自适应的速率调节也不是系统吞吐量下降的可能原因。

3.系统吞吐量下滑与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系统的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，这才是导致系统吞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%，而与此同时，控制帧数量则增加了3倍，用于唤醒Wi-F i终端的Power Save NDP帧则更是增加了5倍。

图 7 MAC层帧构成

图 8 802.11帧尺寸

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，射频空口的效率就越低，网络吞吐量越差；反之亦然。因此，网络中传输的短报文数量大幅增加严重拉低了系统的吞吐量性能。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，RTS、CTS和BA数量的增长可以反映出TXOP数量的增长，TXOP数量的增长意味着AIFS、DIFS、SIFS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，意味着大量的发送机会（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Power Save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，导致了更多的发送机会（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率规划，以及网络设备的射频优化功能，降低每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，降低802.11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，降低管理帧/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。