Wi-Fi连接速率的探讨

高峰

摘  要：曾几何时三大运营商都使用Wi-Fi设备建设过无线城市，但效果并不理想。随着4G资费的不断下降，大家更愿意使用4G网络。但Wi-Fi最大的优势就是免费，有很多的场景应用还是会用到它。因为速率是大家可以看到的无线链路质量的指标，该文就是针对Wi-Fi系统中接入点和终端连接时出现不同速率的现象，分析其原因，并提出了提高速率的解决方案。与以往不同的是，本文中提出了一些新的观点也包括介绍了新的技术。对如何利用Wi-Fi系统起到一定的指导作用。

关键词：Wi-Fi  速率  改善  体验

中图分类号：TN925                                文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0014-03

Wi-Fi早已融入我们的生活，随手扫描一下周围的接入点，一般都有十几个。早在2011年全球Wi-Fi聯盟的统计数据就宣传称，目前全球共有150万个Wi-Fi热点，中国市场Wi-Fi热点数量在50～100万之间。曾经我国超过200个城市投入过无线城市建设，当时三大运营商的Wi-Fi热点覆盖已经“无处不在”。然而在实际生活中，并没有多少人使用这些热点，“不好用”是大家的普遍感觉。相比之下大家更加愿意使用4G网络。但4G无法代替Wi-Fi的全部应用，例如物联网。更重要的是使用Wi-Fi是免费的。面对厂商们铺天盖地的宣传，我们都知道Wi-Fi标准经过飞速发展，速率早就升至目前主流的300Mbps甚至到了1.3Gbps。那为什么还有这样的反馈呢？那我们就从速率谈起，带你寻找根因。

1  IEEE 802.11协议匹配的因素

由表1我们看到采用不用的协议时，速率会有所不同。也就是说当一个仅支持802.11g的终端连接上802.11n的接入点时，它们之间的速率就是54Mbps，一个支持802.11n的终端连接上802.11n的接入点时，它们之间的速率最高达到300Mbps。

所以当你感觉网络不好时，先看看接入点以及终端使用的什么协议，确保互相匹配。尤其要注意是802.11a/n和802.11g/n是互不兼容的，因为它们工作的频段不相同。建议购买同时支持2.4GHz和5GHz的双频设备。那如何知道接入点和终端支持哪个频段？也很简单，只要去查一下厂商宣传的产品数据就明白了。支持2.4GHz的接入点和终端都至少支持802.11 b/g/n 这三个协议的一种，支持5GHz的接入点和终端都至少支持802.11 a/n/ac这三个协议的一种。

2  无线线路开销因素

厂商们通常宣传的是Wi-Fi产品的最大速率，而和实际获得的性能也就是吞吐量相比，这两者差别很大。我们在享受Wi-Fi的便捷的时候，Wi-Fi产品为了保持无线网络的可靠性和安全性，需要加入很多的开销，例如等待传输数据的时间，报文与报文之间的时间间隔，无线加密所需要的报文以及一些必要的协议报文等，此时吞吐量会降低到最大速率50%。如果终端的增多了，除了吞吐量还需要被继续分配外，终端之间还需要额外开销避免冲突，这同样会造成吞吐量下降很快。

这里有一个公式 最大吞吐量=（终端显示的最大速率÷2）÷终端数量

终端显示的最大速率可以终端的系统中显示（见图1），或者在接入点的终端列表页面里面显示（见图2）。

3  信号强度的因素

决定接入点和终端的速率高低的一个很重要的指标就是信号强度。一般而言信号强度越好，它们之间的速率就越高。当我们发现接入点和终端的信号强度低于-65dBm时，这点我们仍然可以从接入点的终端列表里面可以看到。这时候，我们就要想办法提升信号强度了。影响信号强度的因素比较多，包括设备的天线增益，设备的天线类型，接入点和终端的距离远近，接入点和终端的遮挡情况等。

我们首先调整接入点和终端的距离，尽量缩小它们的间距。其次，让接入点和终端尽量可视，不要有遮挡。在一个可视空旷的空间内，普通家用无线路由器也能够覆盖4，500m的范围，但如果其和终端之间出现阻挡，这个距离将大大缩小，一堵承重墙足以让覆盖范围缩小到100m以内。我们还可以选择WLAN天线增益大的设备。WLAN天线增益越大，连接范围越广。笔记本电脑、PAD、无线网卡的WLAN天线都比手机好的多。而无线路由器的WLAN天线又比这些终端要好。至于高增益天线的WLAN网桥，那更是可以传输几十公里。另外我们还可以从天线类型着手，由于天线发出的信号具有方向性，那么使用定向天线就会提升某一个方向的信号强度，网上流行的利用废弃的易拉罐制作定向天线提高信号强度就是这个原理。

实际应用中我们尽管能够增强Wi-Fi的信号强度，但不等同于可以增快上网速度（也就是提高吞吐量）。在较好的网络信号范围内，信号的强弱对网速的影响几乎可以忽略不计，只有当信号低到一定程度时，网速才会受到影响。那还有什么因素影响速率呢？

原因四：无线链路质量因素

当终端发现与接入点通讯的环境有干扰、或者两者之间有障碍物遮挡以及多终端混合接入时，会采用降低速率的方法维持链路的质量。因为终端采用低速率时会提高自身的发射功率，从而提高信噪比。高信噪比会获得更高的吞吐量。我们发现不同终端在相同的环境中速率高高低低，这是由于各个终端采用的自适应算法不同，造成了不同终端间速率自适应时存在差异性。目前的速率自适应方法可分为以下4类。

（1）利用物理层指标，即利用信号强度的强弱来计算。当终端扫描到接入点的信号低于一定的阀值时，自动降低速率，高于一定的阀值时，则提高速率。这个算法比较简单，但存在误判。信号强度高并不代表链路质量一定高。

（2）利用传送帧连续的成功和失败次数，即通过丢包率来计算。比如连续丢一定数量的包，则降低一档速率发送下面的数据并启动一个定时器;如果连续收到一定数量的包或者定时器时间到，则提高发送速率。

（3）利用一段时间的数据帧的统计特征来决定发送速率。比如在一段时间内统计丢帧率等信息，并将其与相应的驱动信息进行比较。

（4）每隔一段时间以不同速率发送一个或者一些试探帧，用来估计不同速率帧在信道中的表现。

这四種方法各有利弊，但总的目的就是通过降低速率的方式维持链路质量。但我们完全能够在高速率的情况下维持高质量的链路，做到这点可以从以下方法着手：

（1）减少环境中的干扰。比如错开与其他接入点的信道。不靠近微波炉、无线鼠标、蓝牙等设备。

（2）消除隐藏节点。在WLAN中，当两个终端无法探知对方正在传输数据时，它们互为隐藏节点，此时就会出现抢占资源的情况，造成传输效率急剧下降。

（3）拒绝信号太弱的终端接入。由于WLAN的特性，每个连接上接入点的终端都会独占一定的时间用于传输数据。当某个终端传输数据时，其他终端必须等待，所以一旦速率慢的终端开始传输数据就会降低整个网络的效率。而一般信号强度弱的终端速率都比较慢，所以接入点会通过拒绝弱信号（一般低于-75dBm）的终端接入来提升整个网络的效率。

（4）使用更新的技术。通常一个接入点建议接入用户20～30个，然而在实际应用中即使满足这个条件甚至用户数更少还是会影响用户体验。这是WLAN特性决定的，所以在最新的802.11ac协议里加入了 MU-MIMO（多用户多入多出）技术。通过MU-MIMO保证多设备同时上网不卡顿，但要使用这个功能需要接入点和终端都只支持此功能。

（5）降低设备接收灵敏度。通过降低接收灵敏度，可以避免外界的干扰，但会牺牲传输距离。

4  结语

Wi-Fi技术还在发展，适用的场合也越来越精准——小型局域网的搭建，无线监控视频领域，机器人的指令传输，长距离的数据传输甚至对人体动作的探测。Wi-Fi并不是一个完美的技术，易被干扰就是很大的“硬伤”。尽管已有厂商可以通过私有协议达到抗干扰的目的，但这需要接入点和终端都支持此协议。随着人们对Wi-Fi高吞吐量低延时的要求也会越来越高，构造一条质量高的无线链路也是一项基本的网优能力。作为有线接入技术的补充，用好Wi-Fi必然能使人们在如今数据爆发的时代取得方便、快捷的感受。

参考文献

[1] Wikipedia. IEEE 802.11ac[EB/OL]. （2019-3-26）[2019-3-28] https：//en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac.

[2] 大卫安吉尔.新一代Wi-Fi标准802[M].11ac for dummies，2014.

[3] 张建军，唐雅娟.基于IEEE802.11的速率自适应算法研究[N].重庆邮电大学学报，2009.