WLAN协议分析及测试

【摘要】：通过对WLAN的802.11协议层进行了分析及测试，指出了协议层的应用策略，并重点测试了802.11n，全面分析了N协议的各种应用场景。

【关键词】：802.11协议分析测试

中图分类号： TN915.04 文献标识码： A 文章编号：

一、802.11a\b\g协议分析

图1 802.11a\b\g 协议

由于2.4频段互通性比较好，所以优先选用2.4GHz频段，以支持802.11g标准的设备为主进行组网，向下兼容802.11b标准；在用户密度大、吞吐量需求大的地区可适当部署支持802.11n标准的设备，以提升网络容量；当频率资源紧张时，可以启用5.8GHz频段（建议采用支持802.11n的标准设备）。

物理层的传输速率包括实际可获得数据的吞吐量和协议封装或者冲突避免开销总和。而随着干扰加大，冲突避免开销也随之增加，实际获得数据的吞吐量减少。因此我们总结出了干扰实际数据吞吐量的因素有：

(一)、无线通信的不稳定性

1.同频干扰

WLAN采用的直接序列扩频技术的扩频码是标准的，不同的设备使用相同的扩频码，因此相邻小区不能使用相同频率，否则将造成同频干扰。图分别是相距40m的两个802.11b的AP使用1、6信道和1、1信道时的网络吞吐量。

在使用非干扰频段时，两AP总吞吐量可以接近11Mbit/s；在同频时总吞吐量不足6Mbit/s，此时2个AP与非干扰情况下1个AP的吞吐量接近。所以，在有限范围内单纯采用增加AP的办法是无法提高网络容量的。

2.邻频干扰

两信道中心频率小于25MHz时，信道之间存在重叠区域，会有部分干扰。图曲线是两AP信道间隔分别为0～5情况下的总吞吐量曲线。

使用邻频可以增加可用频点数，但会引入干扰，工程上一般仍采用1、6、11三个完全不干扰的频段。

（二）、不断变化的无线环境

WLAN网络使用的2.4GHz频段在我国是公共频段，其它非WLAN网络的设备如微波炉、无绳电话、蓝牙设备及其它无线LAN设备均会对WLAN网络产生频率干扰，其中对WLAN干扰最为严重的设备是2.4GHz无绳电话，其次为3米内的微波炉，再次是蓝牙设备如笔记本和PDA。

我们现在做个实验来证明一下2.4GHz无绳电话对用户体验上的影响：

测试系统还是802.11b 的无线FTP 传输。正常情况下传输速度为655KB/s。测试者手持无绳电话坐在无线终端（带有802.11b 无线网卡的笔记本电脑）前，接听电话，无线传输速度下降为505KB/s，电话听筒内有轻微杂音；将无绳电话靠近无线网卡到0.5 米处，速度下降为380KB/s，无线网络信号时断时续，听筒内杂音变大，通话对方对方抱怨听不太清说什么；无绳电话与无线网卡0 距离时，无线网络频繁断网，平均速度下降为280KB/s，对方完全听不清我们说什么。

由此看来无线环境对协议速率的影响很大，所以当用户投诉业务感知下降时，我们也需要将用户所在体验区域的无线环境了解清楚，彻底排查有泄漏同频非WLAN设备发出干扰源。在一些大型活动，如奥运会，世博会等，都会出现这种情况，我们需要配备宽频网卡及天线，使用扫频仪器，来跟踪干扰信号源。

（1）.物理建筑损耗

WLAN接受电平估算公式：Pr=Pt+Gt-PI+Gr；

Pr为接受电平；Pt为最大发射功率；Gt为发射天线增益；PI为路径损耗；接受天线增益（全部单位为dB）

由于信号穿透不同材质墙体，路径损耗值是不一样的。但是对于均衡墙体要认真考虑AP信号的入射角度。

图7 信号穿透示意图

（2）.AP位置以及共享介质的用户数及数据量

有的时候在大型场所，例如大的会议厅、新闻厅等，AP布放的位置及其重要。因为在空旷的场景下，由于用户对业务的要求比较高，所以需要多个AP共同覆盖，这样就会出现同频干扰，以及用户终端间和AP与终端间的干扰等等，这样需要在AP的安放上格外的注意。首先要估算出，最大的用户数和可能会发生的数据流量，通过估算计算出需要的AP数，根据频率覆盖原则，均匀安装AP。安装后，我们要对整个场景，做各种测试：

单AP单STA测试：说明AP与上联交换系统的连通。

单AP多STA测试：说明AP的用户承载能力。

多AP多STA测试：说明整个场景系统的业务承载能力。

这些测试可以在不同的协议下进行测试，也可以测试不同协议间的干扰问题，例如：一个AP下既发射802.11b的信号，又发射802.11g的信号，同时分别连接两个STA，可以发现连接802.11g的终端速率大致减少一半。

二、理论描述

IEEE 802.11n标称速率最高可达270Mbps，主要通过增加OFDM子载波、提高频谱带宽、MIMO三种手段，来保证物理层速率：

a) 通过增加OFDM子载波，是的物理层理论速率由54Mbps增长到65Mbps

b) 通过选择信道带宽40MHz，使得40MHz相比20MHz提升速率一倍左右

c) MIMO技术的应用，可以提高实际数据的吞吐率，它的典型值2*2双发双收，可以提升速率一倍左右

对于MIMO双天线，可以增强信号的平稳度，并且抗衰落的方法已经应用在A/G模式的AP上。通过在相同信噪比下，提供更高速率来“增强覆盖”。

三、理论验证

通过上述理论叙述，我们做个测试，对协议层进行评测：

组网结构如下：

因空口物理层速率超100Mbps，终端1配置千兆以太网卡；

终端2配置USB接口、2*2（双发双收）无线网卡；

802.11n标准AP：

外观同普通802.11g AP，武邮/京信AP产品为双天线；

思科产品为3天线（两发三收）；

测试一：40MHz带宽、2*2MIMO

由测试结果可知，最高速率均超过70Mbps，为IEEE 802.11g典型速率20Mbps的4倍左右。

测试二：20MHz带宽、2*2MIMO

由测试结果可知：最高速率可达40Mbps左右；相比IEEE 802.11g测试典型速率20Mbps：速率提升至2倍，即为OFDM子载波增加、MIMO带来的速率提升；略低于最高速率86Mbps的一半，是因为频带宽度降为一半、子载波减少一半以上。

测试三：40MHz带宽、AP单天线收发（多频点馈入覆盖）

有测试结果可知：最高速率可达40Mbps以上；相比IEEE 802.11g测试典型速率20Mbps，速率提升幅度高于1倍，因为40MHz情况下子载波数量增加一倍以上；实际测试速率略高于最高速率86Mbps的一半，可见频带宽度带来的速率提升高于2*2MIMO；

测试四：20MHz 非MIMO收发（多频点馈入）

由测试结果可知：最高速率仅为20Mbps左右，基本等于802.11g的典型速率。

测试五：测试平稳性

双天线-70dbm左右、单天线-71db左右，增益不明显；信号平稳性未见明显改善

理论上802.11n情况下采用双天线收发，信号场强更高、更平稳，实测结果对覆盖有改善，但不明显；

双天线发射提高信号平稳性、抗衰落已经应用在A/G模式的AP上，所以N模式AP并不能通过多天线增强覆盖；

测试总结：

802.11n最高速率超过了80Mbps，但此时40MHz带宽，无法多频点组网、且终端需为802.11n终端；

20MHz情况下，通过MIMO带来速率提升，速率为802.11g的2倍左右；此时可3频点组网但无法馈入室分系统组网；

覆盖增强方面，802.11n带来的覆盖增强主要依靠多天线收发克服室内环境的多径衰落，实测效果略有改善；但此方法在802.11g的AP上已有大量应用。

从以上总结看，802.11n依然定位为室内环境的小范围、高速无线局域网。

分析之前的测试结果，802.11n主要通过更高的频带宽度、MIMO提高吞吐量，在相同信噪比情况下可以提供更高的速率，在这点上可以认为起到了“改善覆盖”的作用。

结束语

通过40MHz带宽模式、MIMO-OFDM、帧聚合技术、Short GI，提高了终端的物理发射速率，再加上802.11n在2.4GHz和5GHz都可应用，拓展了无线协议在终端的应用频段。

参考文献

【1】 cisco“802.11n: The Next Generation of Wireless Performance”.

【2】 [2] 刘乃安. 无线局域网（WLAN）——原理、技术与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007