微創(chuàng)新-WLAN隱藏節(jié)點(diǎn)問題研究

1、WLAN隱藏節(jié)點(diǎn)問題研究一、引言802.11使用的是時(shí)分復(fù)用機(jī)制，某一時(shí)刻只有一個(gè)終端或AP在發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)，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(duì)方狀態(tài)，從而避免同一時(shí)間發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求造成的沖突。然而，在建設(shè)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(duì)方狀態(tài)，這就是“隱藏節(jié)點(diǎn)”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(luò)中，工作站是通過接收傳輸信號(hào)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(hào)，而且會(huì)傳輸至各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)的界限比較模糊，有時(shí)候并不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以跟其他節(jié)點(diǎn)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?，取決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(diǎn)如果發(fā)送不相關(guān)的幀，將干擾接收端的接收并導(dǎo)致丟幀。圖1 發(fā)送和接收范圍2、WLAN的信道競爭機(jī)制信道搶占（1）802.11使用的是時(shí)分復(fù)用的機(jī)制，在同一沖突域內(nèi)存在多個(gè)用戶時(shí)，某一時(shí)刻只有一個(gè)終端或AP在發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)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(guān)聯(lián)的所有終端進(jìn)行通信，所以，在傳輸過程中會(huì)發(fā)生

3、沖突的現(xiàn)象，并且由于遠(yuǎn)近效應(yīng)的關(guān)系，距離AP近的終端所發(fā)射的信號(hào)會(huì)把遠(yuǎn)處其他終端的信號(hào)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(jī)制來最大限度的避免沖突問題。（3）802.11假定發(fā)送的報(bào)文都會(huì)產(chǎn)生沖突，也就是發(fā)送的每個(gè)報(bào)文都需要進(jìn)行隨機(jī)退避，并且將這個(gè)隨機(jī)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(jī)制，即在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，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(jī)退避一個(gè)時(shí)間，如果在這個(gè)時(shí)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(jī)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(dāng)AP/終端間互相不可見時(shí)，無法使用802.11協(xié)議中MAC的監(jiān)聽機(jī)制，AP/終端間將無法偵測由于對(duì)方行為而出現(xiàn)的信道占用，造成不同AP/終端在同一時(shí)間向同一信道發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致干擾區(qū)內(nèi)的碰撞率急劇上升，網(wǎng)絡(luò)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(gè)天線分別覆蓋兩個(gè)區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)關(guān)聯(lián)的終端由于距離較遠(yuǎn)或者屏蔽較重而互相監(jiān)測不到信號(hào)收發(fā)，終端1在向AP發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，終端2也可能因?yàn)楸O(jiān)測不到終端1的發(fā)射信號(hào)而同時(shí)向AP發(fā)送

5、數(shù)據(jù)，這時(shí)在AP側(cè)接收無線信號(hào)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(hào)，且存在交叉覆蓋范圍時(shí)，在交叉覆蓋范圍內(nèi)有終端上網(wǎng)時(shí)，同頻AP也互為隱藏節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，兩個(gè)AP存在交叉覆蓋區(qū)域，但AP間無法監(jiān)測到彼此的信號(hào)，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(shí)，AP因?yàn)闊o法監(jiān)測另一個(gè)AP的信號(hào)發(fā)送情況而同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)中，一個(gè)AP覆蓋范圍可以

6、達(dá)到1至2個(gè)樓面（甚至更多），由于距離過遠(yuǎn)或者信號(hào)阻擋，與AP關(guān)聯(lián)的終端之間有時(shí)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(gè)AP信號(hào)，距離過遠(yuǎn)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(hào)，不可見終端同時(shí)上網(wǎng)時(shí)便會(huì)產(chǎn)生大量沖突，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(fù)用度高。當(dāng)工作信道重疊（同頻）的兩個(gè)AP存在交疊覆蓋區(qū)域（如圖5），而兩個(gè)AP無法偵測由于對(duì)方行為帶來的信道占用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的整體性能會(huì)急劇下降，處于交疊干擾區(qū)內(nèi)的終端通訊會(huì)受到嚴(yán)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(shí)，會(huì)造成終端間距離過遠(yuǎn)，受到墻壁、樓板阻擋后，相互間容易監(jiān)測不到信號(hào)，同時(shí)上網(wǎng)會(huì)造成AP側(cè)信息沖突，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。如圖6至8所示。圖6 單個(gè)AP覆蓋對(duì)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(gè)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(gè)接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)里，很少會(huì)有同時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)那闆r。而在比較大型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，由于覆蓋范圍內(nèi)有相當(dāng)密集的接入點(diǎn)，所以隱藏節(jié)點(diǎn)的存在對(duì)于實(shí)際應(yīng)用就有很大影響。在一些高密度覆蓋場所，單個(gè)AP下活躍用戶超過12個(gè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些無線終端

8、業(yè)務(wù)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(dāng)兩臺(tái)終端間距離超過3道水泥墻壁或3個(gè)樓層，或兩臺(tái)終端位于不同樓宇時(shí)，兩臺(tái)終端就基本不可見，如表1所示。5M10M15M20M25M30M同一樓層信號(hào)強(qiáng)度-38-43-46-48-49-532F信號(hào)強(qiáng)度-69-71-73-75-78-803F信號(hào)強(qiáng)度-83-85-88-90-92無信號(hào)4F信號(hào)強(qiáng)度無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)5F信號(hào)強(qiáng)度無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)6F信號(hào)強(qiáng)度無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)無信號(hào)樓宇外信號(hào)強(qiáng)度-81-83-85-88-90無信號(hào)表1 終端可見性測試注：測試時(shí)將一臺(tái)筆記本作為信號(hào)源，設(shè)置固定

9、SSID，由近及遠(yuǎn)地使用另一臺(tái)筆記本進(jìn)行測試。兩個(gè)相鄰AP的工作信道相同，當(dāng)兩個(gè)AP處于全重疊覆蓋狀態(tài)（如圖9）時(shí)，相互間能夠偵測對(duì)方的行為，此時(shí)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(dāng)兩個(gè)AP處于半重疊覆蓋狀態(tài)（如圖10）時(shí)，則無法使用802.11協(xié)議中MAC的監(jiān)聽機(jī)制，AP間無法偵測由于對(duì)方行為而出現(xiàn)的信道占用，導(dǎo)致AP在同一時(shí)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(luò)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(shè)定為802.11g模式，工作頻點(diǎn)設(shè)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(luò)的整體吞吐量。（AP1在終端1處的信號(hào)電平為-60dBm，AP2在終端2處的信號(hào)電平為-60dBm。）當(dāng)兩個(gè)AP處于半重疊覆蓋狀態(tài)時(shí)，干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響最大，網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量僅為6.5Mbps左右。而當(dāng)兩個(gè)AP的位置處于全重疊覆蓋狀態(tài)時(shí)，借助于MAC層的監(jiān)聽機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)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(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同頻可見情況。隱藏節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)”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(yīng)答CTS，阻止在AP覆蓋范圍內(nèi)的所有站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)（但不包括終端1）。當(dāng)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(diǎn)的問題。（2）開啟RTS/CTS功能的適用性及注意事項(xiàng)當(dāng)“RTS 閾值”設(shè)置為默認(rèn)值2347時(shí)，將禁用RTS/CTS。如果設(shè)置為0，RTS/CTS機(jī)制將應(yīng)用

12、于所有的數(shù)據(jù)包。如果設(shè)置為0-2347之間的某個(gè)值，訪問點(diǎn)將對(duì)大于或等于指定大小的數(shù)據(jù)包使用RTS/CTS機(jī)制。經(jīng)調(diào)查，部分廠家AP缺省啟用RTS/CTS機(jī)制且觸發(fā)門限設(shè)置較大（如2347），即對(duì)大于門限的發(fā)送報(bào)文啟用RTS/CTS機(jī)制；但在WLAN協(xié)議中，RTS/CTS機(jī)制都是設(shè)備在發(fā)送的時(shí)候決定的，例如AP要發(fā)送報(bào)文的時(shí)候會(huì)判斷是否發(fā)送RTS/CTS，無線網(wǎng)卡發(fā)送報(bào)文的時(shí)候也會(huì)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(yīng)的協(xié)商的。AP配置的RTS/CTS的門限不會(huì)通過Beacon廣播給客戶端，也就是這個(gè)配置只會(huì)對(duì)AP發(fā)送有效；而具體客戶端發(fā)送報(bào)文是否發(fā)送RTS/C

13、TS，只有客戶端自身的驅(qū)動(dòng)或者配置能夠決定的。在隱藏節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的情況下，調(diào)高RTS門限值，可以提高吞吐量。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)置RTS閾值的大小，因?yàn)槿绻麑⒃撻撝到档瓦^多，可能會(huì)為網(wǎng)絡(luò)引入更多延遲（這是由于請(qǐng)求發(fā)送增加過多，以至于共享介質(zhì)的保留更加頻繁），會(huì)對(duì)吞吐量造成負(fù)面影響。一般情況下不建議更改默認(rèn)RTS 閾值，如果需要更改RTS 閾值，請(qǐng)進(jìn)行漸進(jìn)式調(diào)整，每次降低一點(diǎn)。每次更改后，等待足夠長時(shí)間以確定網(wǎng)絡(luò)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(shí)，AP覆蓋范圍的廣泛性直接造成大量的同頻不可見狀況。對(duì)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(yīng)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(luò)性能的提升；采用分布系統(tǒng)的，應(yīng)控制單AP覆蓋范圍，杜絕單AP跨樓覆蓋現(xiàn)象。對(duì)于室外覆蓋，應(yīng)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(gè)樓宇的現(xiàn)象（如樓頂1個(gè)AP帶2個(gè)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(yīng)控制AP帶的天線個(gè)數(shù)。在同一室外區(qū)域部署多個(gè)AP時(shí)，應(yīng)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(diǎn)的原因主要是AP覆蓋范圍過大，因此應(yīng)合理控制AP覆蓋范圍。相關(guān)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(duì)于室內(nèi)覆蓋，杜絕單AP跨樓覆蓋現(xiàn)象；l 對(duì)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(gè)樓宇的情況，建議室外AP每射頻最多帶2個(gè)天線。五、總結(jié)與后續(xù)建