电子书包场景下多用户性能自适应优化方法研究

摘  要：文章通过集成处理无线环境评估、最优信道选择、5G终端个数引导式收集、频段自动切换、自适应限速等措施，提升了电子书包场景下多用户的总体性能，同时也改善了多用户的均衡性，且实际测试数据与理论分析的结论可以相互印证，最终实现了电子书包场景下实现自适应配置优化的目的，降低配置难度，做到非专业人员也可自行实施的效果，同时进一步提升应用体验。

关键词：电子书包;无线多用户;自适应优化

Abstract：This paper improves the throughput of WLAN multi-users in the e-book package scenario by integrating measures such as wireless environment assessment，optimal channel selection，5G terminal number guided collection，automatic frequency band switching，and adaptive speed limit. At the same time，it also improves the multi-users performance Balanced，and the actual test data and theoretical analysis conclusions can be mutually confirmed，and finally achieve the purpose of achieving adaptive configuration optimization in the e-book package scenario，reduce the configuration difficulty，and achieve the effect that non-professionals can also implement themselves，while further improving application experience.

Keywords：e-book package;WLAN multi-user;self-optimization

0  引  言

锐捷网络“One Class One AP”的电子书包无线网络解决方案，专门针对学校电子书包应用場景，在一间教室里只需要部署一台电子书包专用AP，如RG-AP730（TR），就可以完成全班师生约60个无线终端用户的网络接入和移动等需求，同时配合学校的有线网络和统一认证系统，共同构建一个安全、可靠、高效、移动、互联的无线网络。

但是，在实际使用中，还是出现了一些问题，如威海某中学电子书包应用、动画、视频同步广播慢、卡，无法提交作业，再如香港某中学电子书包场景使用，超过连接35个用户观看本地视频，平板出现转圈，没有办法完成正常的教学任务。通过现场的故障分析，我们发现，支持5G的终端关联到2G射频导致2G性能低下而5G射频资源相对空闲、多用户流量不均衡导致使用体验不好、客户配置专业性要求高导致优化配置无法真正落地是三个主要原因。

1  场景分析

1.1  有线与无线区别

无线射频中有2G频段和5G频段的区别，2G互不干扰信道少，较易受到无线环境中各种无线射频的干扰，5G互不干扰信道多，可以较好地规避其他无线射频信号的干扰，能够保证较好的数据传输，保证业务流畅。同时，5G目前支持的IEEE 802.11ac协议极大提升了带宽与协商速率，为大吞吐的业务应用提供了基础性保证。RG-AP730（TR）产品在这方面有天然的优势，其内部集成3个射频卡，一个仅支持2G，一个仅支持5G，另一个支持2G/5G切换，可以根据需要组合成双2G单5G、单2G双5G的模式，当其工作在单2G双5G模式时，2个5G射频可以分别工作在5.2G频段和5.8G频段，独立不干扰，大大提升射频稳定性和带宽资源，满足业务需求。

1.2  单用户与多用户区别

电子书包场景，从技术根源上分析是一个无线的多用户场景。

在WLAN中，因为采用了CSMA/CA和DCF的竞争机制，当STA（密集用户）的数目增加到一定程度时，会使得竞争接入碰撞和随机退避时间相等的概率大幅增加，导致STA根本无法接入，或者即使接入了，但是可传输的机会太少、传输速率太低，又或者数据传输的误比特率太高、丢包严重。激烈的CSMA/CA竞争主要会产生两方面的影响，一方面会影响接入，大家谁也上不去;另一方面又会产生太多的碰撞和干扰，阻碍已接入用户的使用。

实验室环境下，我们在IEEE 802.11g模式下进行了实际的多用户吞吐测试，10个用户的下行总吞吐为19.800 Mbps，20个用户的下行总吞吐为12.300 Mbps，而增加到50个用户的下行总吞吐则急剧降低到了5.100 Mbps。

上文描述的问题大致可总结为STA接入问题，而要解决这个问题，主要有两个努力方向：一是改进DCF+CSMA/CA的随机退避这种相对比较混乱的接入机制，让接入更加有序，减少因碰撞而造成的传输机会的浪费，同时也尽量维护公平性原则，比如公平调度、WMM优化等，但是这个方向涉及面广、难度较大，不是一个厂商能够完成的;另一个是增加接入机会，部署更多的AP，或者在同一个AP上集成更多可以相互独立工作的射频模块，稀释单个BSS下的STA密度，RG-AP730（TR）产品正是从这个角度出发开发出来的产品，通过在一个AP内部增加一个支持2G/5G切换的射频来均分无线终端，达到稀释单个BSS下的STA密度的目的。

1.3  电子书包多用户均衡性要求

一个教室内由40～60个终端用户构成了多用户场景，存在一个典型的问题就是多类型终端的空口竞争能力不一致，比较典型的参数如WMM、CCA等。当存在某些空口竞争能力特别强的终端，而其他终端的竞争能力相对较弱时，会出现空口资源都被竞争能力强的终端抢占，导致其他终端吞吐被压得很低，严重影响电子书包场景中要求所有终端的业务都需要实时同步的特殊要求。针对竞争能力的差异，通过修改无线配置很难进行规避，需要更高层面的协调机制来满足多用户均衡性的要求，比如本文将采用的改进型的基于用户的限速。

2  问题分解

针对电子书包这个特殊场景的需求，目前比较主流的方案是使用3频无线接入点，如锐捷的RG-AP730（TR）、H3C的WA4330，通过增加一个可2G/5G切换的无线射频模块，一方面增加终端接入数，另一方面拓宽无线传输带宽，但即使如此，还是存在如下三个问题。

2.1  射频资源竞争问题

单用户数据包传输过程中，AP与终端是平等的，利用DIFS时间来进行信道状态检测、随机规避，可根据链路情况调整发射时机，避免设备同时竞争产生冲突。

多用户数据传输时，也同样遵循CSMA/CA机制，但由于终端设备的大量增多，设备间同时竞争产生的冲突就呈几何级数的增加，出现信道质量变差、数据传输卡顿。

射频资源的竞争直接体现的参数是无线信道利用率，实验室测试数据显示，当信道利用率达到90%时，无线报文的丢包率、错包率就会急剧升高到40%以上，导致无线协商速率降低到6.000 Mbps，甚至低至1.000 Mbps，此时又因为速率低，每个报文占用的空口时间长，进一步加剧了竞争的冲突，更加恶化了无线空口环境。

2.2  终端差异问题

现场部署的终端个数与类型无法方便收集，目前都需要现场的部署调试人员通过网络或者向供应商咨询各个终端的网卡属性，对终端进行人为的清点，给出总数、5G终端数。当终端型号不统一时，这个统计工作就比较繁琐，同时也不精确。两个数值直接影响到电子书包场景中关键的频段切换配置。

2.3  实时无线干扰问题

无线的开放环境中，干扰每时每刻都会变化，导致不同部署下，总体的无线性能千差万别，针对多用户场景的限速配置就会很困难，不合理的限速配置会导致带宽浪费，或者部分终端的带宽会被少数几个终端完全抢占。实时干扰主要有如下类型：

（1）同頻干扰：2.4G的1、6、11同频点工作WLAN设备，同频干扰不仅导致原AP吞吐量下降明显，总吞吐量也呈下降趋势，整体信道利用率降低;

（2）邻频干扰：交叉频点配置的WLAN设备，如4信道对1信道的干扰，影响与同频干扰类似，共享信道容量，但由于CCA判决机制，干扰程度更高;

（3）蜂窝网干扰：WLAN与现有的GSM网络、TD网络、LTE网络共址或者合路，产生杂散干扰，其中2.3 GHz频段的LTE对WLAN的干扰尤为严重;

（4）其他设备干扰：微波炉、蓝牙等设备的干扰也无处不在，根据实验数据，蓝牙会导致系统性能下降约20%，微波炉会导致系统性能下降约50%。

在锐捷实际的电子书包应用场景中，普遍存在一个楼层的多间教室内存在多个同时运行的多用户电子书包环境，短距离的信号干扰更为突出，此时同频干扰和邻频干扰的影响比较凸显。同时，实验室仿真数据显示，邻频干扰可能形成的杂散干扰比同频干扰的影响更加严重。

3  优化讨论

实际的电子书包部署中，考虑到干扰，2G射频建议配置为20 M频宽，5G射频建议配置为40 M频宽，同时由于5G支持802.11ac协议，在相同的SGI配置下，2.4G的802.11n的MCS7的20 M频宽最高协商速率是72.200 Mbps，而5G的802.11ac的MCS9的40 M频宽最高协商速率是200.000 Mbps，一个终端如果从2G切换到5G，理论上吞吐会提升至2.77倍。

从前述问题分解分析看，要让电子书包场景下的业务体验满足要求，必须同时考虑实时干扰、AP多用户带载能力、终端不同频段数量、终端竞争差异这几个影响重大的因素，而这几个因素最终的作用结果就是会对终端的业务吞吐产生影响，如干扰多了吞吐就会下降、终端个数多了吞吐就会下降、5G终端数量多会提升整体吞吐量，结合1.3章节中所讨论的多用户均衡性的分析，优化的目标应该是通过综合这些因素并最终通过基于用户限速的配置来实现吞吐提升、多用户均衡的效果。

3.1  技术方案

本文在三频无线接入点RG-AP730（TR）既有软件基础上，主要通过综合如下5个优化点，解决电子书包场景下应用的上述4个问题，实现自适应优化配置：

（1）无线环境评估自动评估：通过实时监测无线干扰对无线环境质量进行实时评估，供后续的自适应限速环节进行空口总吞吐估算;

（2）最优信道选择：通过实时切换信道解决时刻变化的无线干扰问题;

（3）5G终端个数引导式收集：通过将所有5G终端引导关联到5G射频来解决2G射频干扰大、带宽资源不足的问题;

（4）频段自适应切换：通过单射频卡自适应切换2G/ 5G解决2G与5G射频资源不足问题;

（5）自适应限速配置：综合干扰、终端数量、终端类型、经验数据对用户的流量进行限制来解决多用户均衡性问题，同时保证总吞吐不下降。

基本流程如下：虽然本文以RG-AP730（TR）作为验证测试设备，但为了保证方案有一定的鲁棒性，还是需要把设备的能力特性加入考虑，本文主要考虑的是设备射频支持能力，具体的流程如下：

（1）触发自适应优化;

（2）自动遍历各个信道收集信道利用率和底噪;

（3）自动选择最优的信道并自动切换;

（4）自动释放出5G的无线信号;

（5）所有终端手动触发尝试管理5G信号;

（6）统计出关联5G射频的终端个数，此个数即支持5G的终端个数;

（7）获取AP设备的频段支持能力，如支持双2G、双5G，或者仅支持一个2G和一个5G;

（8）根据收集到的5G终端个数自动进行频段切换;

（9）统计所有管理终端的个数;

（10）根据公式动态配置基于用户的限速值;

（11）自适应优化完成。

3.2  详细步骤

无线AP上基于用户限速的配置，使用的是具体的流量值，如每用户2.000 Mbps，以上的所有分析仅说明了影响的程度，如影响了20%，但无法给出具体的数值。这样就需要引入一个初始值，作为基础数值，之后通过各个因素百分比影响率的计算来得到基于用户限速应该配置多少。这个初始值，本文选择无线屏蔽实验室理想环境下测试的性能数值，理想环境有两个关键指标如下：

（1）未打流前底噪小于-90 db;

（2）未打流前信道利用率低于10%。

3.2.1  无线环境评估自动评估与最优信道选择

无线环境开放性导致了无线信道的复杂性，各种无线的干扰，如微波、蓝牙等都会影响无线的使用体验，为了排除这些影响，需要通过一定的手段选择出最优信道。

以固定的时间间隔遍历所有工作信道，直接调用设备提供的接口，收集各个信道的信道利用率与信道底噪。

通过信道利用率与信道底噪的数据对比，优先选择底噪较低的信道，如果所有信道的底噪差距仅在5%以内，选择信道利用率最小的信道。

3.2.2  5G终端个数引导式收集与频段自适应切换

5G终端个数引导式收集需要一定的人为参与，因为同时支持2G/5G的终端不会对外提供能力支持表项，同时也不是必然连接到5G，即使AP上开启了5G优先功能，实验发现还是有一定的比例会连接到2G射频上，具体的步骤如下：

（1）自动下发配置并放出一个5G的无线信号，信号名称唯一;

（2）所有终端手动点击关联这个信号;

（3）能够关联上的都是支持5G的终端，剩余的终端为仅支持2G的终端，此时可以得到支持5G的终端个数;

（4）根据终端总数和支持5G终端的个数，结合设备的能力，采用如表1所示的算法进行频段自适应切换配置。

3.2.3  自适应限速配置

多用户的限速配置一直是电子书包场景应用的难题，限制小了，可能大部分用户体验都不好;限制大了，可能导致有些终端抢占大部分信道资源，导致部分终端一直无法正常应用。

本文中的自适应限速，综合了终端个数、干扰情况、频段情况、历史性能数据，对不同场景下的限速进行自适应匹配，从达到最优的效果：

（1）单流20 M频宽单用户无干扰场景下，极限性能为M1（如：55.000 Mbps），不同的流数、频宽，极限性能不同;

（2）单流20 M频宽最多C（如：64）个用户无干扰场景下，极限性能为M2（如：30.000 Mbps），不同的流数、频宽，极限性能不同;

（3）无干扰场景下，信道利用率为U1（如：10%），信道利用率越高（如：30%）说明环境越恶劣，无线总体的性能会越低，根据经验，信道利用率达到极限U2（如：80%），电子书包应用的流量几乎为0;

（4）无干扰场景下，底噪为N1（如：-90 db），底噪越高（如：-70 db）说明环境越恶劣，无线总体的性能会越低，根据经验，底噪达到极限N2（如：-50 db），电子书包应用的流量几乎为0;

（5）根据步骤3.2.1，可以确定目前的信道利用率为u，底噪为n;

（6）根据步骤3.2.2，可以确定目前的关联终端数为c;

（7）进行限速自适应配置的计算公式如下：

4  效果分析

通过采用如上的优化手段，使用32个终端进行模拟，其中2G终端10个，5G终端22个，使用IxChariot进行打流测试进行电子书包业务场景的模拟测试。优化前，支持5G終端关联5G设备概率、射频1关联终端平均数（11信道）、射频2关联终端平均数（36信道）、射频3关联终端平均数（149信道）分别为73.6%、15.8、6.1、10.1，优化后，支持5G终端关联5G设备概率、射频1关联终端平均数（11信道）、射频2关联终端平均数（36信道）、射频3关联终端平均数（149信道）分别为100%、10.0、10.9、11.1。

根据优化的构想，理想的效果应该是，所有22个同时支持2G和5G的终端都连接到5G射频上，且在2个不同信道的5G射频上平均分布，实际的测试结果与预想的理想结果几乎等同。具体测试结果如表2所示。

从表2的吞吐测试数据看，优化后，上行的总性能+下行的总性能为396 M，优化前，上行的总性能+下行的总性能为253 M，提升至1.57倍。

理论上，有26%约5.8个终端从2G射频切换到了5G射频，占总终端数的18.1%。根据之前的分析，一个终端从2G切换到5G，理论性能会提升至2.77倍，则此处的理论提升为0.181×2.77?0.5，即理论上，优化后总性能约提升至1.50倍，和实测数据接近。

从均方差看，优化后，多终端的均衡性也有较大提升，提升的主要来源是5G终端都接入5G射频，以及根据环境进行的实时用户限速。未优化前，26%左右的支持5G的终端连接到了2G射频，使2G射频的终端密度增加到了15.8个，导致2G频段的射频资源竞争过于激烈，出现均衡性变差。优化后，2G射频的终端为10个，在2G射频最优的承载范围内，性能不会下降。同时在总体性能提升的基础上的动态用户限速，能够很好地保证电子书包高实时同步业务的开展。

如图1、图2所示的优化前后上、下行吞吐测试雷达图，更加直观地表明了优化后的均衡性有显著提升。

5  结  论

本文方案通过一系列的自动化监控与自适应配置，来提升电子书包场景下的应用体验，其中5G终端个数引导式收集、频段自适应切换、自适应限速配置都可以应用于其他类似的通用场景中，特别是自适应限速配置方案，能够应用于所有无线场景中。

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作者简介：廖加彬（1983.12—），男，汉族，福建三明人，中级职称，硕士研究生，主要研究方向：WLAN接入设备的产品化开发。