某高校图书馆Wi-Fi网络测试分析与优化建议

杨宗衡，李晓峰

(电子科技大学 信息与通信工程学院，四川 成都 611731)

Wi-Fi无线接入方式已经广泛应用于各种场所，包括一些大型的公共场所。近年来，在高校校园网络中Wi-Fi系统得到了大量的部署，为师生提供便利的网络服务。但因该接入技术自身的协议特点，用于大型公共场所的Wi-Fi网络需要进行仔细的设计与配置，否则很容易出现网络速度慢、应用效果差的结果。

本文针对西南某高校图书馆的Wi-Fi系统进行了实地测量，发现并分析了其使用效果不佳的情况与基本原因，给出了改善该系统性能的一些建议。本文的分析对于很多高密度大型场的Wi-Fi建设具有很好的参考价值。

1 图书馆无线网实测

某高校图书馆的校园无线网络(以下称为网络A)，其Wi-Fi的整体架构采用的是瘦AP与AC集中控制的方法。为了评估网络性能，本文重点测量了信号强度、区域覆盖情况、无线网络信道使用情况与网络实际使用情况。测量中，我们使用的基本工具有Acrylic Wi-Fi(学生与教育版本)系列软件、笔记本电脑、迅雷下载软件等。为了保证测量的结果真实可靠，测量地点包括图书馆所有楼层的阅览区，并且每一个测量点都在不同时段进行了多次测量，避免测量结果受随机性干扰的影响。测试参考文献[1-3]使用的测试方法，而对于Acrylic Wi-Fi软件的具体测量方案则参考了文献[4]中的测试案例。

1.1 Wi-Fi信号强度以及区域覆盖测量

进行信号强度测量时采用RSSI(receieved signal strength indiciton)来度量，单位为dBm。当RSSI>-60 dBm时，通常可以认为信号强度优良；而RSSI<-70 dBm时，可以认为信号衰减过多，难以满足正常的使用要求。

该校图书馆各楼层的阅览区是到馆阅览者集中使用网络A的区域，所以本文对这些区进行了精细化的测量。测量时发现在每一个阅览区都能探测到RSSI>-60 dBm的网络信号，仅从信号强度看，网络A在各楼层的阅览区都是达标的。如图1所示，我们选取一个典型情况，是该图书馆二楼主阅览区的测试情况的部分截图。图中有意删除了网络标识的部分内容，其第一项就是网络A的测量数据，下面的其他项为该校图书馆中还存在的其他Wi-Fi网络的有关数据。可以明显看到，网络A的RSSI值高达-43 dBm,信号强度非常高。

图1 Wi-Fi信号典型测试数据

在对覆盖能力进行测量时，本文使用了Acrylic Wi-Fi HeatMaps软件与笔记本电脑对各楼层的每个区域进行实地测量。在信号覆盖测试中发现各楼层A信号的覆盖情况基本相同，均可以完整地覆盖各个阅览区。测量结果绘制成信号热点图，图书馆三楼的信号热点图如图2所示。图中对称的四个区域就是阅览区。可以发现网络A的信号基本做到了对阅览区的完全覆盖。

图2 图书馆三楼网络A的信号热点图

从最基本的信号强度和信号覆盖面的测试中我们看到网络A的信号都达到了满足正常网络通信的需要。然而，实际应用中网络的表现并不好。所以，有必要进行Wi-Fi信道的测试。

1.2 WIFI信道情况测量

理论上讲，802.11系列协议规定中，在2.4G频段只有1,6,11三个完全互不干扰的信道，在Wi-Fi部署中同区域应尽量避开相同信道的使用以避免同频干扰。

然而对于图书馆的Wi-Fi环境进行测试时发现在每一个阅览区都会探测到大量Wi-Fi信号，其中RSSI>-90 dBm的高达60余个，无线环境十分杂乱。图3为一个信道使用情况测量结果。

图3 信道使用情况

60多个信号包括办公室网络与个人网络，此外还有两大部分信号。一部分来自于相邻区间网络A自身发射的同信道信号，它们不仅可见，并且信号强度强，差异不大。在各个AP发射功率控制方面存在较大问题。还有很大一部分来源于某些运营商的两个盈利性无线网络(以下称为网络B和网络C)。

这些网络有着和网络A几乎相同的覆盖范围，并且还常常具有更大的信号强度。更为严重的是在多个阅览区中都出现了和信号A使用同一信道的情况。如图1所示，第二、第三个信号就对应于网络B以及网络C，与网络A同时工作于信道6。图4是图书馆三楼网络B的热点图，网络C与网络B的情况类似，这里不再列出。

图4 图书馆二层网络B热点图

对比图2，同为图书馆二层，可以发现网络B覆盖能力比网络A更强，由于两者工作在同一信道，可以说网络B以及网络C事实上对网络A形成了严重的干扰与压制作用。

1.3 网络实际使用情况测量

为了测量Wi-Fi网络实际使用情况，我们分“忙时”“闲时”对各楼层的自习区进行了多次测量，测量结果在各楼层间没有出现明显的差异性。而对于忙时和闲时的区别却是十分明显的。这里“忙时”指上座率超过5成，反之则为“闲时”。

第一种测试方式为PING所在城市某SDN地址。“忙时”网络平均延时高达472 ms，延迟过高无法满足使用需求。而在“闲时”的网络延迟改善为“68 ms”。

第二种方法是下载速度测试。依然分为“闲时”以及“忙时”。具体的测试方法是通过对一个下载速度(通常应该)很快的资源用迅雷下载软件进行下载来实际测量，“忙时”速率仅为28 kb/s，下载一篇正常大小的论文资料就需要大概10 min，当然这还是网络连接顺畅未掉线的情况下，而掉线在这里时有发生。如果观看一个视频教学课程则更是不可能的事情。

1.4 测量结果小结

对于测量结果我们发现网络A的信号覆盖能力不存在显著的问题，在图书馆各层的阅览区都可以搜索到信号。然而图书馆的无线环境十分混乱，大量的无线信号拥挤在有限的信道中，尤其是网络B以及网络C对网络A形成了十分严重的同频干扰。关于同频干扰对于Wi-Fi性能影响在文献[5-6]中有比较细致的分析说明。这种状况造成用户在使用网络A时即便直观信号强度良好，实际网络性能却十分糟糕的情况。

2 802.11原理分析

为了对测量结果进行有效分析，并且得出可行的改进建议，我们需要从802.11空口原理中探寻出问题的根本原因。文献[7-9]详细叙述了802.11系列协议中的详细原理，而针对这个具体的问题，主要关注如下几个方面：信道划分、隐藏节点问题、RTS/CTS、数据包传送操作以及CSMA/CA协议对信道质量的影响。

2.1 802.11信道划分

802.11系列协议规定2.4G频段可供选择1-13号共13个频点，相邻频点间隔为5 MHz。由于单信道带宽为22 MHz,所以2.4G频段内互不干扰的可选频段只有3个，一般被设置为1,6,11。如果覆盖区域几乎一致的Wi-Fi工作在同一个频段上所形成的同频干扰对网络性能的影响是巨大的。

2.2 隐藏节点问题

隐藏节点是无线网络特有的问题，具体到图书馆问题中来则是两类情况。一是同一AP下终端间不可见，即用户彼此间不可见，同时向AP发送数据而引发冲突。第一种情况在引入了RTS/CTS机制后得到了解决。RTS/CTS利用短控制帧的冲突来代替长数据帧的冲突，提高了带宽利用率。还有一种情况是同频不可见AP间存在着重叠覆盖，两者都向同一个终端发送数据而引发冲突。这一种情况则RTS/CTS机制也无法解决，需要加入一个NAV(网络分配矢量)，利用持续时间来实现虚拟监听协议，然而必然增加更多的网络开销，降低了带宽利用率。而通过测量我们发现信号A广泛存在着覆盖区域重叠的问题，必然也会因此而影响了传输性能。

2.3 csma/ca对WLAM网络的影响

为了避免碰撞冲突，802.11系列协议制定了csma/ca协议。在该协议中AP和STA具有同等的地位，不分主从关系。csma/ca协议是一款时隙式的csma协议，定义了5种长短不同的帧间间隔(IFS)。

实现高速的无线接入能力源于其所采用的多载波调制技术OFDM[10]。在 802.11n中，通过114个子载波频道(108个传输数据)的正交频分复用，实现高效的频带利用率。在传输数据时采用n-QAM的调制方式来提高传输速度。无论AP还是STA发送一个数据包都要经历RTS->CTS->DATA->ACK 4个报文的交互过程，其中任何一个报文的丢失，整个发送操作都需要重来。所以当网络质量下降或退避次数过多时，空口会由于用户数据阻塞、退避、丢失等原因使得无线网卡主动采用模数低甚至抗干扰能力更强的 BPSK调制方式，以保证同无线设备间空口的传输质量，而在终端显示上，则以传输速率的降低表现出来。

可以假设：首先，开始时都是高速的协议速率，每一个数据帧都是以小时隙实现高效传输。之后，因为突发错误或者其他情况网络中开始出现低速率的报文，信道中也出现了大时隙的数据帧，从而占用了较多的信道资源。这时，由于低速率的数据帧占用了较大的时隙，导致本该由高速率的数据帧发送数据的时隙被占用，继而出现碰撞。对于STA而言，认为空口信道出现恶化，于是逐级采用有较强抗干扰能力的编码方式，而这种方式，每个数据帧的时隙也逐渐增大。随着每个帧的长度增加，又进一步加剧空口信道上的竞争；当竞争加剧到一定程度，又迫使所有终端采用抗误码能力更强的编码方式来保证数据传输的质量，从而就像多米诺骨牌一样，进入恶性循环，最终整个空口都采用低速率的协议速率传输。因此，Wi-Fi在空口上，实际上就是一套自干扰的系统。网络在高压力状态下的能力下降严重。

3 对于图书馆网络A的改进建议

3.1 合理配置信道

通过之前的测量和分析可以发现：在一个干净的无线环境中，没有网络B以及网络C的无序干扰，网络A应该可以充分地发挥出好的通信能力。

显然，首先需要考虑的是合理配置信道的问题，传统的做法是平面上的蜂窝状排布三个信道使得彼此之间干扰最小。文献[11]中关于信道划分有一个具体的优化案例可以参考。此处则需要在部署时将网络B以及网络C同时纳入规划范围，使用网络仿真软件进行分析，建立合理的信道分配模型，尽量避免同频干扰的出现。

3.2 提高网络最低报文速率

在之前的分析中已经论述过低速率帧对空口性能的巨大影响，拒绝此类低速率帧节的传输，防止浪费信道资源，可以有效提高网络总体性能。802.11协议在网络出现拥堵时采用的降速传送方案是为了在信道条件较差时保证通信正确执行。然而在该图书馆的特定网络环境下，传输失败主要是彼此干扰造成的，而低速率帧的出现增长了数据帧的时隙，反而加重发生干扰碰撞的概率，并不能提高通信的质量。所以在AP管控时应重新配置最低速率，关闭1,2,6 Mb/s的低速率，禁止低速率帧的传送。即使存在传输失败，也不是降速率可以解决的。相反，还提升整体网络速度，可以提高带宽利用率。从图书馆抓取的网络A的Beacon报文运用Wireshark分析之后发现网络A的AC是允许低速率帧传输的，如1,2,5.5 Mb/s的速率，如图5所示。

图5 网络A报文分析

3.3 优化AP射频模块

在之前的测量中我们发现网络A在各楼层都出现了AP间覆盖区域重叠的问题，所以适当调小AP发射功率，优化此类情况。文献[12]中关于如何实际提高覆盖效果有数个案例研究可以参考。

另外在分析各楼层的情况时发现图书馆楼层间纵向的穿透力强于平面的穿透力，即二层的信号经常受到三层以及一层信号的干扰。建议使用定向天线模块，减少同频干扰。

3.4 加入802.11n后续版本支持的5 GHz信道实现双频接入

由于 2.4 GHz互不干扰的信道只有 3 个，空口干扰很难避免。所以可通过 802.11a 的 5.8 GHz频段进行优化补充，实现2.4 GHz 和 5.8 GHz双频覆盖。对2.4 GHz 信道的分流，使得在 2.4 GHz上的终端数减少。伴随着终端数的减少，终端间干扰也被有效降低，又缓和了 2.4 GHz信道上的压力，提升了网络的整体性能。

3.5 降低虚拟 SSID数量

通过对报文的抓取可以发现目前的网络中出现了众多的SSID，而每一个SSID都在不断地高速发送beacon广播报文，耗费了很大一部分带宽和带宽。若降低虚拟SSID的数量，将所需要的服务集成到少数SSID上，可以提高网络性能。并且还应该通过增大beacon报文的发信间隔，进一步提高带宽利用率。

4.结束语

本文通过实地测量并结合802.11系列协议分析找到了在Wi-Fi空口侧造成图书馆网络性能不佳的原因，并且对于Wi-Fi在高密度大型场所的建设部署提出了一些有建设性的意见，希望能够为Wi-Fi的发展贡献一份绵薄之力。

本文工作得到电子科技大学教学改革项目“通信工程大类专业挑战性课程探索”与“探索式小班教学课程——通信原理”的支持，在此表示感谢！