微創(chuàng)新-WLAN隱藏節(jié)點問題研究

1、WLAN隱藏節(jié)點問題研究一、引言802.11使用的是時分復用機制，某一時刻只有一個終端或AP在發(fā)送數(shù)據(jù)，此時，其他終端和AP均處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)。這就要求同頻AP間或同一AP不同終端間，能夠監(jiān)聽到對方狀態(tài)，從而避免同一時間發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求造成的沖突。然而，在建設過程中，由于AP覆蓋范圍過大或建筑物阻擋，AP或終端間可能無法監(jiān)聽到對方狀態(tài)，這就是“隱藏節(jié)點”問題。二、原因分析及典型場景1、無線傳播中的部分參數(shù)在以太網(wǎng)絡中，工作站是通過接收傳輸信號來行使CSMA/CD 的載波監(jiān)聽功能。物理媒介線路中包含了信號，而且會傳輸至各網(wǎng)絡節(jié)點。無線網(wǎng)絡的界限比較模糊，有時候并不是每個節(jié)點都可以跟其他節(jié)點直接通

2、信。如下是無線傳播中的部分參數(shù)：n 傳輸范圍(TX_range)：可以成功接收幀的通信范圍，取決于發(fā)送能量和無線電波傳輸特性。n 物理層偵聽范圍(PCS_range)：可以檢測到該傳輸?shù)姆秶Q于接收器靈敏度和無線電波傳輸特性。n 干擾范圍(IF_range)：在此范圍內(nèi)的節(jié)點如果發(fā)送不相關的幀，將干擾接收端的接收并導致丟幀。圖1 發(fā)送和接收范圍2、WLAN的信道競爭機制信道搶占（1）802.11使用的是時分復用的機制，在同一沖突域內(nèi)存在多個用戶時，某一時刻只有一個終端或AP在發(fā)送數(shù)據(jù)，此時其他終端和AP均處于空閑監(jiān)聽狀態(tài)。（2）由于AP將與之關聯(lián)的所有終端進行通信，所以，在傳輸過程中會發(fā)生

3、沖突的現(xiàn)象，并且由于遠近效應的關系，距離AP近的終端所發(fā)射的信號會把遠處其他終端的信號淹沒。為此，802.11采用了CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance 載波偵聽多路訪問/沖突避免）機制來最大限度的避免沖突問題。（3）802.11假定發(fā)送的報文都會產(chǎn)生沖突，也就是發(fā)送的每個報文都需要進行隨機退避，并且將這個隨機退避提到了幀發(fā)送之前，這也就是載波監(jiān)聽/沖突避免（CSMA/CA）機制，即在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，終端首先監(jiān)聽信道，如果信道中沒有其他終端在傳輸數(shù)據(jù)，則首先隨機退避一個時間，如果在這個時間內(nèi)沒有其他終端搶占到信道，

4、終端等待完后可以立即占用信道并傳輸數(shù)據(jù)。（4）CSMA/CA機制發(fā)揮作用的前提是AP/終端能監(jiān)聽到信道占用情況，當AP/終端間互相不可見時，無法使用802.11協(xié)議中MAC的監(jiān)聽機制，AP/終端間將無法偵測由于對方行為而出現(xiàn)的信道占用，造成不同AP/終端在同一時間向同一信道發(fā)送數(shù)據(jù)，導致干擾區(qū)內(nèi)的碰撞率急劇上升，網(wǎng)絡的整體吞吐量急劇下降。3、AP/終端間不可見示例（1）同一AP下的終端間不可見如圖2所示，同一AP所帶兩個天線分別覆蓋兩個區(qū)域，兩個區(qū)域內(nèi)關聯(lián)的終端由于距離較遠或者屏蔽較重而互相監(jiān)測不到信號收發(fā)，終端1在向AP發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，終端2也可能因為監(jiān)測不到終端1的發(fā)射信號而同時向AP發(fā)送

5、數(shù)據(jù)，這時在AP側(cè)接收無線信號便形成沖突。圖2 同一AP下的終端間不可見（2）同頻不可見AP間存在重疊覆蓋同頻AP間因連接定向天線或者阻擋不能監(jiān)測彼此信號，且存在交叉覆蓋范圍時，在交叉覆蓋范圍內(nèi)有終端上網(wǎng)時，同頻AP也互為隱藏節(jié)點。如圖3所示，兩個AP存在交叉覆蓋區(qū)域，但AP間無法監(jiān)測到彼此的信號，即監(jiān)測部件（天線）不在另一AP的覆蓋區(qū)域內(nèi)，在交叉覆蓋區(qū)域內(nèi)存在用戶時，AP因為無法監(jiān)測另一個AP的信號發(fā)送情況而同時向終端發(fā)送數(shù)據(jù)，在終端側(cè)形成沖突。圖3 同頻不可見AP間存在重疊覆蓋4、隱藏節(jié)點典型場景（1）室內(nèi)分布式系統(tǒng)終端不可見場景分析在現(xiàn)網(wǎng)中采用分布式系統(tǒng)的一些熱點中，一個AP覆蓋范圍可以

6、達到1至2個樓面（甚至更多），由于距離過遠或者信號阻擋，與AP關聯(lián)的終端之間有時候不能正常檢測到其他終端發(fā)出的信息，造成擁塞。如圖4 所示，平層所有房間均使用同一個AP信號，距離過遠的房間內(nèi)的終端間容易因房間墻壁阻擋互相監(jiān)測不到信號，不可見終端同時上網(wǎng)時便會產(chǎn)生大量沖突，影響整個網(wǎng)絡的性能。圖4 室內(nèi)分布式系統(tǒng)終端不可見場景（2）大型場館內(nèi)同頻AP不可見場景分析在一些大型場館中，WLAN的頻率復用度高。當工作信道重疊（同頻）的兩個AP存在交疊覆蓋區(qū)域（如圖5），而兩個AP無法偵測由于對方行為帶來的信道占用時，網(wǎng)絡的整體性能會急劇下降，處于交疊干擾區(qū)內(nèi)的終端通訊會受到嚴重干擾。圖5 大型場館內(nèi)同

7、頻AP不可見場景（3）室外覆蓋情況下同頻不可見場景分析現(xiàn)網(wǎng)的小區(qū)覆蓋中，同一AP連接多副天線，覆蓋范圍過大時，會造成終端間距離過遠，受到墻壁、樓板阻擋后，相互間容易監(jiān)測不到信號，同時上網(wǎng)會造成AP側(cè)信息沖突，影響整個網(wǎng)絡性能。如圖6至8所示。圖6 單個AP覆蓋對面整棟樓 圖7 同一AP覆蓋兩側(cè)樓宇 圖8 覆蓋范圍包含多個建筑物三、影響分析在小型、不太活躍、只有幾部客戶端共享一個接入點的網(wǎng)絡里，很少會有同時進行傳輸?shù)那闆r。而在比較大型的網(wǎng)絡環(huán)境里，由于覆蓋范圍內(nèi)有相當密集的接入點，所以隱藏節(jié)點的存在對于實際應用就有很大影響。在一些高密度覆蓋場所，單個AP下活躍用戶超過12個時，會出現(xiàn)一些無線終端

8、業(yè)務幾乎無法使用的情況，甚至表現(xiàn)為無法連接問題。通過測試，當兩臺終端間距離超過3道水泥墻壁或3個樓層，或兩臺終端位于不同樓宇時，兩臺終端就基本不可見，如表1所示。5M10M15M20M25M30M同一樓層信號強度-38-43-46-48-49-532F信號強度-69-71-73-75-78-803F信號強度-83-85-88-90-92無信號4F信號強度無信號無信號無信號無信號無信號無信號5F信號強度無信號無信號無信號無信號無信號無信號6F信號強度無信號無信號無信號無信號無信號無信號樓宇外信號強度-81-83-85-88-90無信號表1 終端可見性測試注：測試時將一臺筆記本作為信號源，設置固定

9、SSID，由近及遠地使用另一臺筆記本進行測試。兩個相鄰AP的工作信道相同，當兩個AP處于全重疊覆蓋狀態(tài)（如圖9）時，相互間能夠偵測對方的行為，此時二者以自由競爭形式占用信道，干擾區(qū)內(nèi)發(fā)生的碰撞現(xiàn)象較少；當兩個AP處于半重疊覆蓋狀態(tài)（如圖10）時，則無法使用802.11協(xié)議中MAC的監(jiān)聽機制，AP間無法偵測由于對方行為而出現(xiàn)的信道占用，導致AP在同一時間向同一信道發(fā)送數(shù)據(jù)，造成干擾區(qū)內(nèi)的碰撞率急劇上升，網(wǎng)絡的整體吞吐量急劇下降。 圖9 全重疊覆蓋狀態(tài) 圖10 半重疊覆蓋狀態(tài)AP1與AP2處于半重疊覆蓋狀態(tài)，工作模式設定為802.11g模式，工作頻點設定為11，終端1與終端2處于干擾區(qū)，如圖11所

10、示。 圖11 整體吞吐量6.5Mbps左右 圖12 整體吞吐量13.2Mbps左右測試中，改變AP2的物理位置，使AP1與AP2由半重疊覆蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿丿B覆蓋狀態(tài)（如圖12所示），測試網(wǎng)絡的整體吞吐量。（AP1在終端1處的信號電平為-60dBm，AP2在終端2處的信號電平為-60dBm。）當兩個AP處于半重疊覆蓋狀態(tài)時，干擾對網(wǎng)絡的影響最大，網(wǎng)絡的整體吞吐量僅為6.5Mbps左右。而當兩個AP的位置處于全重疊覆蓋狀態(tài)時，借助于MAC層的監(jiān)聽機制，網(wǎng)絡的整體吞吐量上升至13.2Mbps左右。由此可見，AP間同頻不可見對網(wǎng)絡性能的影響遠遠大于同頻可見情況。隱藏節(jié)點會導致網(wǎng)絡吞吐量下降50-60%

11、。四、解決方案建議開啟RTS/CTS功能，或者控制AP覆蓋范圍以解決“隱藏節(jié)點”問題。1、開啟RTS/CTS功能（1）RTS/CTS協(xié)議的原理圖13 RTS/CTS協(xié)議原理圖如圖13所示，終端1欲向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，必先發(fā)送RTS幀提醒AP，隨后AP應答CTS，阻止在AP覆蓋范圍內(nèi)的所有站點發(fā)送數(shù)據(jù)（但不包括終端1）。當終端2收到CTS后，不再向AP發(fā)送數(shù)據(jù)而避免了沖突，即：在AP周圍的所有終端中，只有終端1能發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就有效避免了隱藏節(jié)點的問題。（2）開啟RTS/CTS功能的適用性及注意事項當“RTS 閾值”設置為默認值2347時，將禁用RTS/CTS。如果設置為0，RTS/CTS機制將應用

12、于所有的數(shù)據(jù)包。如果設置為0-2347之間的某個值，訪問點將對大于或等于指定大小的數(shù)據(jù)包使用RTS/CTS機制。經(jīng)調(diào)查，部分廠家AP缺省啟用RTS/CTS機制且觸發(fā)門限設置較大（如2347），即對大于門限的發(fā)送報文啟用RTS/CTS機制；但在WLAN協(xié)議中，RTS/CTS機制都是設備在發(fā)送的時候決定的，例如AP要發(fā)送報文的時候會判斷是否發(fā)送RTS/CTS，無線網(wǎng)卡發(fā)送報文的時候也會自己判斷是否發(fā)送RTS/CTS。在通常的情況下AP和終端之間是沒有相應的協(xié)商的。AP配置的RTS/CTS的門限不會通過Beacon廣播給客戶端，也就是這個配置只會對AP發(fā)送有效；而具體客戶端發(fā)送報文是否發(fā)送RTS/C

13、TS，只有客戶端自身的驅(qū)動或者配置能夠決定的。在隱藏節(jié)點比較多的情況下，調(diào)低RTS門限可以提高吞吐量，在沒有隱藏節(jié)點的情況下，調(diào)高RTS門限值，可以提高吞吐量。實際應用中應謹慎設置RTS閾值的大小，因為如果將該閾值降低過多，可能會為網(wǎng)絡引入更多延遲（這是由于請求發(fā)送增加過多，以至于共享介質(zhì)的保留更加頻繁），會對吞吐量造成負面影響。一般情況下不建議更改默認RTS 閾值，如果需要更改RTS 閾值，請進行漸進式調(diào)整，每次降低一點。每次更改后，等待足夠長時間以確定網(wǎng)絡性能是否改善，然后再繼續(xù)調(diào)整該閾值。2、控制單AP覆蓋范圍從同頻不可見的典型場景可以看出，造成同頻不可見的原因主要是AP的覆蓋范圍過大，

14、特別是采用室外覆蓋時，AP覆蓋范圍的廣泛性直接造成大量的同頻不可見狀況。對于室內(nèi)覆蓋，建議將容量作為首要考慮因素。大型場館內(nèi)應縮小干擾AP的覆蓋范圍，犧牲少量的覆蓋范圍以換取整體網(wǎng)絡性能的提升；采用分布系統(tǒng)的，應控制單AP覆蓋范圍，杜絕單AP跨樓覆蓋現(xiàn)象。對于室外覆蓋，應盡量縮小AP的覆蓋范圍，控制小區(qū)覆蓋中同一AP所帶天線覆蓋多個樓宇的現(xiàn)象（如樓頂1個AP帶2個天線覆蓋2棟樓；路燈桿覆蓋前、后兩棟樓），基站類覆蓋方式則應控制AP帶的天線個數(shù)。在同一室外區(qū)域部署多個AP時，應充分協(xié)調(diào)頻率和覆蓋范圍，降低AP發(fā)射功率，調(diào)整天線的方向、俯仰角，以避免同頻AP交叉覆蓋。從以上分析可知，造成隱藏節(jié)點的原因主要是AP覆蓋范圍過大，因此應合理控制AP覆蓋范圍。相關建議如下：l 控制單AP覆蓋范圍，保證覆蓋范圍內(nèi)終端互相可見；l 對于室內(nèi)覆蓋，杜絕單AP跨樓覆蓋現(xiàn)象；l 對于室外覆蓋，需注意AP覆蓋范圍與性能的平衡，杜絕同一AP所帶天線覆蓋多個樓宇的情況，建議室外AP每射頻最多帶2個天線。五、總結與后續(xù)建