薛強(qiáng)，馬向辰，于曉冰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

目前，中國(guó)各大通信運(yùn)營(yíng)商都加大了WLAN網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)力度；WLAN迎來了前所未有的高速發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也面臨著許多新的挑戰(zhàn)。本文將討論運(yùn)營(yíng)商在部署大規(guī)模WLAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)所遇到的隱藏節(jié)點(diǎn)問題，藉此希望引起關(guān)注并推動(dòng)該問題的解決。

本文首先介紹隱藏節(jié)點(diǎn)定義并分析其產(chǎn)生的原因，接著分析在WLAN實(shí)際部署場(chǎng)景中隱藏節(jié)點(diǎn)帶來的影響，進(jìn)而提出解決問題的思路。

1 隱藏節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的原理

隱藏節(jié)點(diǎn)（hidden node）是指在無線局域網(wǎng)中，若存在A節(jié)點(diǎn)可以被B節(jié)點(diǎn)探測(cè)到，但是卻不能被與B節(jié)點(diǎn)通信的C節(jié)點(diǎn)探測(cè)到，那么A節(jié)點(diǎn)對(duì)于C節(jié)點(diǎn)來說就是一個(gè)隱藏節(jié)點(diǎn)。

如圖1所示，B既在A的覆蓋范圍內(nèi)、也在C的范圍內(nèi)，但是A和C不在相互的覆蓋范圍內(nèi)。所以，當(dāng)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C并不知道A正在發(fā)送數(shù)據(jù)，所以如果這時(shí)C也發(fā)送數(shù)據(jù)，便會(huì)在B節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生沖突，即造成節(jié)點(diǎn)B無法解析A或C發(fā)送的任何信息，這就是隱藏節(jié)點(diǎn)問題。

圖1 隱藏節(jié)點(diǎn)示意圖

2 隱藏節(jié)點(diǎn)對(duì)運(yùn)營(yíng)商WLAN網(wǎng)絡(luò)的影響

在傳統(tǒng)的家庭級(jí)或企業(yè)級(jí)WLAN應(yīng)用環(huán)境中，由于AP覆蓋范圍小，WLAN隱藏節(jié)點(diǎn)的問題并不十分突出；即使存在隱藏節(jié)點(diǎn)，由于網(wǎng)絡(luò)容量壓力較小，用戶一般情況下也不會(huì)明顯感知其帶來的影響。

但是在大規(guī)模部署運(yùn)營(yíng)級(jí)的WLAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于覆蓋范圍的擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)容量需求的提高，隱藏節(jié)點(diǎn)帶來的影響越來越顯得不可忽視。

運(yùn)營(yíng)商WLAN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)部署方式的不同可分為幾種場(chǎng)景，而每種場(chǎng)景下隱藏節(jié)點(diǎn)的影響也有所不同，所以下文將分別討論。

2.1 室內(nèi)獨(dú)立放裝方式

室內(nèi)獨(dú)立放裝建設(shè)方式是在目標(biāo)覆蓋區(qū)域或目標(biāo)覆蓋區(qū)域附近直接部署AP，AP通過其自帶天線實(shí)現(xiàn)WLAN覆蓋。如圖2所示，AP可以部署于房間內(nèi)部、走廊或其它便于安裝和覆蓋的區(qū)域。

在場(chǎng)景（a）中，AP的覆蓋范圍相對(duì)較小，每個(gè)AP下的用戶相隔較近、阻擋也較少，用戶之間能夠互相發(fā)現(xiàn)對(duì)方，所以在這種場(chǎng)景中，基本不存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題。在場(chǎng)景（b）中，用戶之間可能存在一些阻擋，所以在這種場(chǎng)景中，會(huì)存在一些隱藏節(jié)點(diǎn)問題；當(dāng)用戶較少、網(wǎng)絡(luò)壓力較小的情況下，隱藏節(jié)點(diǎn)帶來的影響也會(huì)較小。

2.2 室內(nèi)分布系統(tǒng)合路方式

室內(nèi)分布系統(tǒng)合路是將WLAN信號(hào)通過合路器與GSM/TD共室內(nèi)分布系統(tǒng)，各系統(tǒng)信號(hào)共用天饋系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。如圖3所示，AP安裝于弱電井，通過合路器、功分器、耦合器等將信號(hào)均勻分布到各個(gè)房間，從而實(shí)現(xiàn)WLAN對(duì)整個(gè)樓層的覆蓋。

在這種場(chǎng)景下，一個(gè)AP可以覆蓋一層甚至幾層樓。由于墻體等的阻擋，相當(dāng)多的用戶之間相互不可見，于是將存在較多的隱藏節(jié)點(diǎn)；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較重的時(shí)候，隱藏節(jié)點(diǎn)帶來的沖突就會(huì)非常明顯，將大幅降低網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際容量。

2.3 室外建設(shè)方式

室外建設(shè)方式包括：室外獨(dú)立放裝、室外分布系統(tǒng)合路和Mesh組網(wǎng)等方式。這幾種方式都是通過在室外架設(shè)AP及天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外或室內(nèi)區(qū)域的覆蓋。如圖4所示，AP通過連接架在室外的天線，可以覆蓋樓宇或者廣場(chǎng)。

當(dāng)采用室外建設(shè)方式覆蓋樓宇、地形復(fù)雜的街區(qū)等場(chǎng)景時(shí)，AP的覆蓋范圍比較廣，且用戶之間由于阻擋、或長(zhǎng)距離的傳播損耗原因，使得很多用戶相互不可見，隱藏節(jié)點(diǎn)問題也將十分突出。

圖2 室內(nèi)獨(dú)立放裝

圖3 室內(nèi)分布系統(tǒng)合路

圖4 室外建設(shè)

當(dāng)采用室外建設(shè)方式覆蓋面積較小、較空曠的廣場(chǎng)時(shí)，用戶之間阻擋較小，產(chǎn)生隱藏節(jié)點(diǎn)的概率較低；但若用戶密度過大、存在阻擋時(shí)，則依然可能存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題。

上述3種場(chǎng)景是運(yùn)營(yíng)商最常使用的WLAN部署方式，從分析可以看出，室內(nèi)分布系統(tǒng)合路和室外建設(shè)兩種場(chǎng)景下，比較容易出現(xiàn)隱藏節(jié)點(diǎn)問題，在用戶較多的情況下，可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量造成明顯的影響。

3 隱藏節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試驗(yàn)證隱藏節(jié)點(diǎn)的影響，選取某室外存在隱藏節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試。如圖5所示。

圖5 隱藏節(jié)點(diǎn)測(cè)試場(chǎng)景

場(chǎng)景中樓頂建設(shè)有室外型AP，選取測(cè)試點(diǎn)A、B點(diǎn)互為隱藏節(jié)點(diǎn)，A、B處放置筆記本終端，測(cè)試時(shí)終端與AP之間運(yùn)行吞吐量測(cè)試軟件。A點(diǎn)、B點(diǎn)的終端單獨(dú)運(yùn)行以及兩點(diǎn)處終端同時(shí)運(yùn)行的吞吐量如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，A、B點(diǎn)終端同時(shí)運(yùn)行時(shí)，由于存在隱藏節(jié)點(diǎn)問題，所以吞吐量較A點(diǎn)或B點(diǎn)的終端單獨(dú)運(yùn)行時(shí)低：其中下行吞吐量下降幅度較小，上行的吞吐量下降非常明顯——這可以從隱藏節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的原理分析得到，如圖1中終端A、C同時(shí)向B發(fā)送數(shù)據(jù)（即上行）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖突，造成數(shù)據(jù)無法被解析，吞吐量大幅下降。

表1 隱藏節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

4 隱藏節(jié)點(diǎn)問題的解決思路

4.1 RTS-CTS機(jī)制

IEEE 802.11采用CSMA/CA協(xié)議，通過載波偵聽/沖突避免機(jī)制為各個(gè)設(shè)備分配信道。為解決隱藏終端問題，IEEE 802.11協(xié)議包含了RTS-CTS 4次握手機(jī)制，包括RTS-CTS-DATA-ACK 4個(gè)過程，該機(jī)制工作步驟如圖6所示。

（1）源站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送一個(gè)RTS（Request to Send）幀預(yù)約信道，要求接收到這一消息的除目的站外的其它工作站停止發(fā)言；

（2） 目的站收到后，回復(fù)一個(gè)CTS（Clear to Send)幀，為源站預(yù)留帶寬同時(shí)通告所有站點(diǎn)（包括隱藏的）保持靜默；

（3）源站開始發(fā)送DATA幀；

圖6 RTS-CTS握手機(jī)制

（4）目的站回復(fù)ACK進(jìn)行確認(rèn)。

由于RTS和CTS長(zhǎng)度很短，其本身沖突的概率減少，因此RTS/CTS機(jī)制可以有效運(yùn)行。但整個(gè)RTS/CTS 傳輸過程會(huì)增加管理幀的數(shù)量，且?guī)g延遲也會(huì)消耗一定的資源，因此RTS-CTS的不恰當(dāng)使用可能會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)效率。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

雖然WLAN的AP及終端設(shè)備均支持RTSCTS，且該功能默認(rèn)開啟，但其開啟的門限值缺省值為2347byte；由于大多數(shù)的以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度小于上述值，使得RTS-CTS實(shí)際上基本沒有發(fā)揮作用。

用戶可以通過調(diào)整RTS 門限值來控制RTS-CTS流程：只要大于此門限值，就會(huì)進(jìn)行RTS-CTS交互；小于此門限值則會(huì)直接傳送數(shù)據(jù)幀。

在運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)中，AP的管理較容易實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)需要調(diào)整RTS-CTS門限值。而多數(shù)終端上沒有開放該參數(shù)的修改權(quán)限，用戶一般也不會(huì)主動(dòng)修改相關(guān)參數(shù)；但是，可以通過安裝具有調(diào)整RTS-CTS參數(shù)功能的客戶端軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)門限的調(diào)整。

下面對(duì)在AP和終端上修改RTS-CTS門限的效果進(jìn)行討論。在運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)中，AP與AP之間、終端與終端之間不通過無線信道直接通信，因此，網(wǎng)絡(luò)中只存在互為隱藏節(jié)點(diǎn)的多個(gè)AP、或互為隱藏節(jié)點(diǎn)的多個(gè)終端，而不存在AP和終端互為隱藏節(jié)點(diǎn)的情況。下面就針對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析：

（1）AP互為隱藏節(jié)點(diǎn)：AP的數(shù)量相對(duì)較少，且AP發(fā)射功率大、接收靈敏度高，所以這種情況出現(xiàn)的概率較低。而且，在運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的WLAN網(wǎng)絡(luò)中，多數(shù)時(shí)間內(nèi)，終端僅與一個(gè)固定的AP關(guān)聯(lián)并通信；終端僅在初次關(guān)聯(lián)或切換時(shí)才可能與多個(gè)AP通信，這進(jìn)一步降低了AP互為隱藏節(jié)點(diǎn)的概率；

（2）終端互為隱藏節(jié)點(diǎn)：終端的數(shù)量相對(duì)較多、發(fā)射功率小、接收靈敏度低，且終端較為分散，在室外建設(shè)和室內(nèi)分布場(chǎng)景中相互不可見的概率更高。

因此，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中隱藏節(jié)點(diǎn)影響更多的是上行數(shù)據(jù)通信，即終端向AP發(fā)送數(shù)據(jù)。所以，AP的RTS-CTS門限調(diào)整效果有限，終端側(cè)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化更為重要。

此外，由于采用RTS-CTS保護(hù)會(huì)增加信令開銷，所以開啟RTS-CTS的場(chǎng)景也需要正確選擇：

（1）在采用室內(nèi)獨(dú)立放裝方式建設(shè)，且用戶數(shù)量少、單AP下用戶較為集中的場(chǎng)景下，不建議開啟RTSCTS機(jī)制；

（2）在采用室內(nèi)分布系統(tǒng)合路和室外建設(shè)、且用戶較多的場(chǎng)景下，建議開啟RTS-CTS機(jī)制。

4.3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

除上述手段外，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，也可以通過合理的設(shè)計(jì)，在一定程度上減少隱藏節(jié)點(diǎn)的數(shù)量：

（1）控制每個(gè)AP的覆蓋范圍，避免單個(gè)AP關(guān)聯(lián)用戶過多；

（2）合理規(guī)劃AP覆蓋邊界，減少每個(gè)AP的覆蓋范圍內(nèi)的隔斷、阻擋的數(shù)量。

但規(guī)劃手段只起輔助作用，在條件具備的時(shí)候，還應(yīng)主要依靠RTS-CTS參數(shù)的合理設(shè)置來減少、避免隱藏節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。