摘? 要:文章通過集成處理無線環(huán)境評(píng)估、最優(yōu)信道選擇、5G終端個(gè)數(shù)引導(dǎo)式收集、頻段自動(dòng)切換、自適應(yīng)限速等措施,提升了電子書包場景下多用戶的總體性能,同時(shí)也改善了多用戶的均衡性,且實(shí)際測試數(shù)據(jù)與理論分析的結(jié)論可以相互印證,最終實(shí)現(xiàn)了電子書包場景下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)配置優(yōu)化的目的,降低配置難度,做到非專業(yè)人員也可自行實(shí)施的效果,同時(shí)進(jìn)一步提升應(yīng)用體驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:電子書包;無線多用戶;自適應(yīng)優(yōu)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
銳捷網(wǎng)絡(luò)“One Class One AP”的電子書包無線網(wǎng)絡(luò)解決方案,專門針對(duì)學(xué)校電子書包應(yīng)用場景,在一間教室里只需要部署一臺(tái)電子書包專用AP,如RG-AP730(TR),就可以完成全班師生約60個(gè)無線終端用戶的網(wǎng)絡(luò)接入和移動(dòng)等需求,同時(shí)配合學(xué)校的有線網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng),共同構(gòu)建一個(gè)安全、可靠、高效、移動(dòng)、互聯(lián)的無線網(wǎng)絡(luò)。
但是,在實(shí)際使用中,還是出現(xiàn)了一些問題,如威海某中學(xué)電子書包應(yīng)用、動(dòng)畫、視頻同步廣播慢、卡,無法提交作業(yè),再如香港某中學(xué)電子書包場景使用,超過連接35個(gè)用戶觀看本地視頻,平板出現(xiàn)轉(zhuǎn)圈,沒有辦法完成正常的教學(xué)任務(wù)。通過現(xiàn)場的故障分析,我們發(fā)現(xiàn),支持5G的終端關(guān)聯(lián)到2G射頻導(dǎo)致2G性能低下而5G射頻資源相對(duì)空閑、多用戶流量不均衡導(dǎo)致使用體驗(yàn)不好、客戶配置專業(yè)性要求高導(dǎo)致優(yōu)化配置無法真正落地是三個(gè)主要原因。
1? 場景分析
1.1? 有線與無線區(qū)別
無線射頻中有2G頻段和5G頻段的區(qū)別,2G互不干擾信道少,較易受到無線環(huán)境中各種無線射頻的干擾,5G互不干擾信道多,可以較好地規(guī)避其他無線射頻信號(hào)的干擾,能夠保證較好的數(shù)據(jù)傳輸,保證業(yè)務(wù)流暢。同時(shí),5G目前支持的IEEE 802.11ac協(xié)議極大提升了帶寬與協(xié)商速率,為大吞吐的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)性保證。RG-AP730(TR)產(chǎn)品在這方面有天然的優(yōu)勢,其內(nèi)部集成3個(gè)射頻卡,一個(gè)僅支持2G,一個(gè)僅支持5G,另一個(gè)支持2G/5G切換,可以根據(jù)需要組合成雙2G單5G、單2G雙5G的模式,當(dāng)其工作在單2G雙5G模式時(shí),2個(gè)5G射頻可以分別工作在5.2G頻段和5.8G頻段,獨(dú)立不干擾,大大提升射頻穩(wěn)定性和帶寬資源,滿足業(yè)務(wù)需求。
1.2? 單用戶與多用戶區(qū)別
電子書包場景,從技術(shù)根源上分析是一個(gè)無線的多用戶場景。
在WLAN中,因?yàn)椴捎昧薈SMA/CA和DCF的競爭機(jī)制,當(dāng)STA(密集用戶)的數(shù)目增加到一定程度時(shí),會(huì)使得競爭接入碰撞和隨機(jī)退避時(shí)間相等的概率大幅增加,導(dǎo)致STA根本無法接入,或者即使接入了,但是可傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)太少、傳輸速率太低,又或者數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率太高、丟包嚴(yán)重。激烈的CSMA/CA競爭主要會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響,一方面會(huì)影響接入,大家誰也上不去;另一方面又會(huì)產(chǎn)生太多的碰撞和干擾,阻礙已接入用戶的使用。
實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,我們在IEEE 802.11g模式下進(jìn)行了實(shí)際的多用戶吞吐測試,10個(gè)用戶的下行總吞吐為19.800 Mbps,20個(gè)用戶的下行總吞吐為12.300 Mbps,而增加到50個(gè)用戶的下行總吞吐則急劇降低到了5.100 Mbps。
上文描述的問題大致可總結(jié)為STA接入問題,而要解決這個(gè)問題,主要有兩個(gè)努力方向:一是改進(jìn)DCF+CSMA/CA的隨機(jī)退避這種相對(duì)比較混亂的接入機(jī)制,讓接入更加有序,減少因碰撞而造成的傳輸機(jī)會(huì)的浪費(fèi),同時(shí)也盡量維護(hù)公平性原則,比如公平調(diào)度、WMM優(yōu)化等,但是這個(gè)方向涉及面廣、難度較大,不是一個(gè)廠商能夠完成的;另一個(gè)是增加接入機(jī)會(huì),部署更多的AP,或者在同一個(gè)AP上集成更多可以相互獨(dú)立工作的射頻模塊,稀釋單個(gè)BSS下的STA密度,RG-AP730(TR)產(chǎn)品正是從這個(gè)角度出發(fā)開發(fā)出來的產(chǎn)品,通過在一個(gè)AP內(nèi)部增加一個(gè)支持2G/5G切換的射頻來均分無線終端,達(dá)到稀釋單個(gè)BSS下的STA密度的目的。
1.3? 電子書包多用戶均衡性要求
一個(gè)教室內(nèi)由40~60個(gè)終端用戶構(gòu)成了多用戶場景,存在一個(gè)典型的問題就是多類型終端的空口競爭能力不一致,比較典型的參數(shù)如WMM、CCA等。當(dāng)存在某些空口競爭能力特別強(qiáng)的終端,而其他終端的競爭能力相對(duì)較弱時(shí),會(huì)出現(xiàn)空口資源都被競爭能力強(qiáng)的終端搶占,導(dǎo)致其他終端吞吐被壓得很低,嚴(yán)重影響電子書包場景中要求所有終端的業(yè)務(wù)都需要實(shí)時(shí)同步的特殊要求。針對(duì)競爭能力的差異,通過修改無線配置很難進(jìn)行規(guī)避,需要更高層面的協(xié)調(diào)機(jī)制來滿足多用戶均衡性的要求,比如本文將采用的改進(jìn)型的基于用戶的限速。
2? 問題分解
針對(duì)電子書包這個(gè)特殊場景的需求,目前比較主流的方案是使用3頻無線接入點(diǎn),如銳捷的RG-AP730(TR)、H3C的WA4330,通過增加一個(gè)可2G/5G切換的無線射頻模塊,一方面增加終端接入數(shù),另一方面拓寬無線傳輸帶寬,但即使如此,還是存在如下三個(gè)問題。
2.1? 射頻資源競爭問題
單用戶數(shù)據(jù)包傳輸過程中,AP與終端是平等的,利用DIFS時(shí)間來進(jìn)行信道狀態(tài)檢測、隨機(jī)規(guī)避,可根據(jù)鏈路情況調(diào)整發(fā)射時(shí)機(jī),避免設(shè)備同時(shí)競爭產(chǎn)生沖突。
多用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí),也同樣遵循CSMA/CA機(jī)制,但由于終端設(shè)備的大量增多,設(shè)備間同時(shí)競爭產(chǎn)生的沖突就呈幾何級(jí)數(shù)的增加,出現(xiàn)信道質(zhì)量變差、數(shù)據(jù)傳輸卡頓。
射頻資源的競爭直接體現(xiàn)的參數(shù)是無線信道利用率,實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)信道利用率達(dá)到90%時(shí),無線報(bào)文的丟包率、錯(cuò)包率就會(huì)急劇升高到40%以上,導(dǎo)致無線協(xié)商速率降低到6.000 Mbps,甚至低至1.000 Mbps,此時(shí)又因?yàn)樗俾实停總€(gè)報(bào)文占用的空口時(shí)間長,進(jìn)一步加劇了競爭的沖突,更加惡化了無線空口環(huán)境。
2.2? 終端差異問題
現(xiàn)場部署的終端個(gè)數(shù)與類型無法方便收集,目前都需要現(xiàn)場的部署調(diào)試人員通過網(wǎng)絡(luò)或者向供應(yīng)商咨詢各個(gè)終端的網(wǎng)卡屬性,對(duì)終端進(jìn)行人為的清點(diǎn),給出總數(shù)、5G終端數(shù)。當(dāng)終端型號(hào)不統(tǒng)一時(shí),這個(gè)統(tǒng)計(jì)工作就比較繁瑣,同時(shí)也不精確。兩個(gè)數(shù)值直接影響到電子書包場景中關(guān)鍵的頻段切換配置。
2.3? 實(shí)時(shí)無線干擾問題
無線的開放環(huán)境中,干擾每時(shí)每刻都會(huì)變化,導(dǎo)致不同部署下,總體的無線性能千差萬別,針對(duì)多用戶場景的限速配置就會(huì)很困難,不合理的限速配置會(huì)導(dǎo)致帶寬浪費(fèi),或者部分終端的帶寬會(huì)被少數(shù)幾個(gè)終端完全搶占。實(shí)時(shí)干擾主要有如下類型:
(1)同頻干擾:2.4G的1、6、11同頻點(diǎn)工作WLAN設(shè)備,同頻干擾不僅導(dǎo)致原AP吞吐量下降明顯,總吞吐量也呈下降趨勢,整體信道利用率降低;
(2)鄰頻干擾:交叉頻點(diǎn)配置的WLAN設(shè)備,如4信道對(duì)1信道的干擾,影響與同頻干擾類似,共享信道容量,但由于CCA判決機(jī)制,干擾程度更高;
(3)蜂窩網(wǎng)干擾:WLAN與現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)、TD網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)共址或者合路,產(chǎn)生雜散干擾,其中2.3 GHz頻段的LTE對(duì)WLAN的干擾尤為嚴(yán)重;
(4)其他設(shè)備干擾:微波爐、藍(lán)牙等設(shè)備的干擾也無處不在,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),藍(lán)牙會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降約20%,微波爐會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降約50%。
在銳捷實(shí)際的電子書包應(yīng)用場景中,普遍存在一個(gè)樓層的多間教室內(nèi)存在多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的多用戶電子書包環(huán)境,短距離的信號(hào)干擾更為突出,此時(shí)同頻干擾和鄰頻干擾的影響比較凸顯。同時(shí),實(shí)驗(yàn)室仿真數(shù)據(jù)顯示,鄰頻干擾可能形成的雜散干擾比同頻干擾的影響更加嚴(yán)重。
3? 優(yōu)化討論
實(shí)際的電子書包部署中,考慮到干擾,2G射頻建議配置為20 M頻寬,5G射頻建議配置為40 M頻寬,同時(shí)由于5G支持802.11ac協(xié)議,在相同的SGI配置下,2.4G的802.11n的MCS7的20 M頻寬最高協(xié)商速率是72.200 Mbps,而5G的802.11ac的MCS9的40 M頻寬最高協(xié)商速率是200.000 Mbps,一個(gè)終端如果從2G切換到5G,理論上吞吐會(huì)提升至2.77倍。
從前述問題分解分析看,要讓電子書包場景下的業(yè)務(wù)體驗(yàn)滿足要求,必須同時(shí)考慮實(shí)時(shí)干擾、AP多用戶帶載能力、終端不同頻段數(shù)量、終端競爭差異這幾個(gè)影響重大的因素,而這幾個(gè)因素最終的作用結(jié)果就是會(huì)對(duì)終端的業(yè)務(wù)吞吐產(chǎn)生影響,如干擾多了吞吐就會(huì)下降、終端個(gè)數(shù)多了吞吐就會(huì)下降、5G終端數(shù)量多會(huì)提升整體吞吐量,結(jié)合1.3章節(jié)中所討論的多用戶均衡性的分析,優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)該是通過綜合這些因素并最終通過基于用戶限速的配置來實(shí)現(xiàn)吞吐提升、多用戶均衡的效果。
3.1? 技術(shù)方案
本文在三頻無線接入點(diǎn)RG-AP730(TR)既有軟件基礎(chǔ)上,主要通過綜合如下5個(gè)優(yōu)化點(diǎn),解決電子書包場景下應(yīng)用的上述4個(gè)問題,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化配置:
(1)無線環(huán)境評(píng)估自動(dòng)評(píng)估:通過實(shí)時(shí)監(jiān)測無線干擾對(duì)無線環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估,供后續(xù)的自適應(yīng)限速環(huán)節(jié)進(jìn)行空口總吞吐估算;
(2)最優(yōu)信道選擇:通過實(shí)時(shí)切換信道解決時(shí)刻變化的無線干擾問題;
(3)5G終端個(gè)數(shù)引導(dǎo)式收集:通過將所有5G終端引導(dǎo)關(guān)聯(lián)到5G射頻來解決2G射頻干擾大、帶寬資源不足的問題;
(4)頻段自適應(yīng)切換:通過單射頻卡自適應(yīng)切換2G/ 5G解決2G與5G射頻資源不足問題;
(5)自適應(yīng)限速配置:綜合干擾、終端數(shù)量、終端類型、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)用戶的流量進(jìn)行限制來解決多用戶均衡性問題,同時(shí)保證總吞吐不下降。
基本流程如下:雖然本文以RG-AP730(TR)作為驗(yàn)證測試設(shè)備,但為了保證方案有一定的魯棒性,還是需要把設(shè)備的能力特性加入考慮,本文主要考慮的是設(shè)備射頻支持能力,具體的流程如下:
(1)觸發(fā)自適應(yīng)優(yōu)化;
(2)自動(dòng)遍歷各個(gè)信道收集信道利用率和底噪;
(3)自動(dòng)選擇最優(yōu)的信道并自動(dòng)切換;
(4)自動(dòng)釋放出5G的無線信號(hào);
(5)所有終端手動(dòng)觸發(fā)嘗試管理5G信號(hào);
(6)統(tǒng)計(jì)出關(guān)聯(lián)5G射頻的終端個(gè)數(shù),此個(gè)數(shù)即支持5G的終端個(gè)數(shù);
(7)獲取AP設(shè)備的頻段支持能力,如支持雙2G、雙5G,或者僅支持一個(gè)2G和一個(gè)5G;
(8)根據(jù)收集到的5G終端個(gè)數(shù)自動(dòng)進(jìn)行頻段切換;
(9)統(tǒng)計(jì)所有管理終端的個(gè)數(shù);
(10)根據(jù)公式動(dòng)態(tài)配置基于用戶的限速值;
(11)自適應(yīng)優(yōu)化完成。
3.2? 詳細(xì)步驟
無線AP上基于用戶限速的配置,使用的是具體的流量值,如每用戶2.000 Mbps,以上的所有分析僅說明了影響的程度,如影響了20%,但無法給出具體的數(shù)值。這樣就需要引入一個(gè)初始值,作為基礎(chǔ)數(shù)值,之后通過各個(gè)因素百分比影響率的計(jì)算來得到基于用戶限速應(yīng)該配置多少。這個(gè)初始值,本文選擇無線屏蔽實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下測試的性能數(shù)值,理想環(huán)境有兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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? 無線環(huán)境評(píng)估自動(dòng)評(píng)估與最優(yōu)信道選擇
無線環(huán)境開放性導(dǎo)致了無線信道的復(fù)雜性,各種無線的干擾,如微波、藍(lán)牙等都會(huì)影響無線的使用體驗(yàn),為了排除這些影響,需要通過一定的手段選擇出最優(yōu)信道。
以固定的時(shí)間間隔遍歷所有工作信道,直接調(diào)用設(shè)備提供的接口,收集各個(gè)信道的信道利用率與信道底噪。
通過信道利用率與信道底噪的數(shù)據(jù)對(duì)比,優(yōu)先選擇底噪較低的信道,如果所有信道的底噪差距僅在5%以內(nèi),選擇信道利用率最小的信道。
3.2.2? 5G終端個(gè)數(shù)引導(dǎo)式收集與頻段自適應(yīng)切換
5G終端個(gè)數(shù)引導(dǎo)式收集需要一定的人為參與,因?yàn)橥瑫r(shí)支持2G/5G的終端不會(huì)對(duì)外提供能力支持表項(xiàng),同時(shí)也不是必然連接到5G,即使AP上開啟了5G優(yōu)先功能,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)還是有一定的比例會(huì)連接到2G射頻上,具體的步驟如下:
(1)自動(dòng)下發(fā)配置并放出一個(gè)5G的無線信號(hào),信號(hào)名稱唯一;
(2)所有終端手動(dòng)點(diǎn)擊關(guān)聯(lián)這個(gè)信號(hào);
(3)能夠關(guān)聯(lián)上的都是支持5G的終端,剩余的終端為僅支持2G的終端,此時(shí)可以得到支持5G的終端個(gè)數(shù);
(4)根據(jù)終端總數(shù)和支持5G終端的個(gè)數(shù),結(jié)合設(shè)備的能力,采用如表1所示的算法進(jìn)行頻段自適應(yīng)切換配置。
3.2.3? 自適應(yīng)限速配置
多用戶的限速配置一直是電子書包場景應(yīng)用的難題,限制小了,可能大部分用戶體驗(yàn)都不好;限制大了,可能導(dǎo)致有些終端搶占大部分信道資源,導(dǎo)致部分終端一直無法正常應(yīng)用。
本文中的自適應(yīng)限速,綜合了終端個(gè)數(shù)、干擾情況、頻段情況、歷史性能數(shù)據(jù),對(duì)不同場景下的限速進(jìn)行自適應(yīng)匹配,從達(dá)到最優(yōu)的效果:
(1)單流20 M頻寬單用戶無干擾場景下,極限性能為M1(如:55.000 Mbps),不同的流數(shù)、頻寬,極限性能不同;
(2)單流20 M頻寬最多C(如:64)個(gè)用戶無干擾場景下,極限性能為M2(如:30.000 Mbps),不同的流數(shù)、頻寬,極限性能不同;
(3)無干擾場景下,信道利用率為U1(如:10%),信道利用率越高(如:30%)說明環(huán)境越惡劣,無線總體的性能會(huì)越低,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),信道利用率達(dá)到極限U2(如:80%),電子書包應(yīng)用的流量幾乎為0;
(4)無干擾場景下,底噪為N1(如:-90 db),底噪越高(如:-70 db)說明環(huán)境越惡劣,無線總體的性能會(huì)越低,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),底噪達(dá)到極限N2(如:-50 db),電子書包應(yīng)用的流量幾乎為0;
(5)根據(jù)步驟3.2.1,可以確定目前的信道利用率為u,底噪為n;
(6)根據(jù)步驟3.2.2,可以確定目前的關(guān)聯(lián)終端數(shù)為c;
(7)進(jìn)行限速自適應(yīng)配置的計(jì)算公式如下:
4? 效果分析
通過采用如上的優(yōu)化手段,使用32個(gè)終端進(jìn)行模擬,其中2G終端10個(gè),5G終端22個(gè),使用IxChariot進(jìn)行打流測試進(jìn)行電子書包業(yè)務(wù)場景的模擬測試。優(yōu)化前,支持5G終端關(guān)聯(lián)5G設(shè)備概率、射頻1關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(11信道)、射頻2關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(36信道)、射頻3關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(149信道)分別為73.6%、15.8、6.1、10.1,優(yōu)化后,支持5G終端關(guān)聯(lián)5G設(shè)備概率、射頻1關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(11信道)、射頻2關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(36信道)、射頻3關(guān)聯(lián)終端平均數(shù)(149信道)分別為100%、10.0、10.9、11.1。
根據(jù)優(yōu)化的構(gòu)想,理想的效果應(yīng)該是,所有22個(gè)同時(shí)支持2G和5G的終端都連接到5G射頻上,且在2個(gè)不同信道的5G射頻上平均分布,實(shí)際的測試結(jié)果與預(yù)想的理想結(jié)果幾乎等同。具體測試結(jié)果如表2所示。
從表2的吞吐測試數(shù)據(jù)看,優(yōu)化后,上行的總性能+下行的總性能為396 M,優(yōu)化前,上行的總性能+下行的總性能為253 M,提升至1.57倍。
理論上,有26%約5.8個(gè)終端從2G射頻切換到了5G射頻,占總終端數(shù)的18.1%。根據(jù)之前的分析,一個(gè)終端從2G切換到5G,理論性能會(huì)提升至2.77倍,則此處的理論提升為0.181×2.77?0.5,即理論上,優(yōu)化后總性能約提升至1.50倍,和實(shí)測數(shù)據(jù)接近。
從均方差看,優(yōu)化后,多終端的均衡性也有較大提升,提升的主要來源是5G終端都接入5G射頻,以及根據(jù)環(huán)境進(jìn)行的實(shí)時(shí)用戶限速。未優(yōu)化前,26%左右的支持5G的終端連接到了2G射頻,使2G射頻的終端密度增加到了15.8個(gè),導(dǎo)致2G頻段的射頻資源競爭過于激烈,出現(xiàn)均衡性變差。優(yōu)化后,2G射頻的終端為10個(gè),在2G射頻最優(yōu)的承載范圍內(nèi),性能不會(huì)下降。同時(shí)在總體性能提升的基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)用戶限速,能夠很好地保證電子書包高實(shí)時(shí)同步業(yè)務(wù)的開展。
如圖1、圖2所示的優(yōu)化前后上、下行吞吐測試?yán)走_(dá)圖,更加直觀地表明了優(yōu)化后的均衡性有顯著提升。
5? 結(jié)? 論
本文方案通過一系列的自動(dòng)化監(jiān)控與自適應(yīng)配置,來提升電子書包場景下的應(yīng)用體驗(yàn),其中5G終端個(gè)數(shù)引導(dǎo)式收集、頻段自適應(yīng)切換、自適應(yīng)限速配置都可以應(yīng)用于其他類似的通用場景中,特別是自適應(yīng)限速配置方案,能夠應(yīng)用于所有無線場景中。
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作者簡介:廖加彬(1983.12—),男,漢族,福建三明人,中級(jí)職稱,碩士研究生,主要研究方向:WLAN接入設(shè)備的產(chǎn)品化開發(fā)。