MOTOROLA AP650在Wlan 校园网优化中的应用(toMOTO)

MOTOROLA AP650
在Wlan校园网优化中的应用
江苏中博设备金竹功顾群伟刘军宁
1校园WLAN无线网络现状
学校作为社会的一个重要组成部分，具有人口多、密度大、需求杂的特点。

对于学生而言，既是学习的场所，也是生活的场所。

尽管学生在课余时间的活动形式多样化，但根据实际调查的情况来看，internet服务所占的地位越来越重要。

目前，校园可以提供internet服务的形式丰富，如LAN、无线WLAN、GPRS、EDGE或EVDO等3G方式，由于WLAN具有可移动性、高带宽等特点，因此其已经成为各大运营商竞相争取学校internet介入业务的最主要方式及投资重点。

由于Wlan网络采用的是可以公开自由使用的2.4G频段，各运营商之间的WLAN 建设是各自为政，没有一个统一的WLAN部署和频点规划，而且均将宿舍区作为WLAN 建设的重中之重，部署了大量的AP；与此同时，由于考虑成本及目前绝大部分MU 为单频2.4GHz网卡的原因，因此WLAN建设也基本以2.4GHz为主。

在国内，2.4GHz 频段一般只有ch1、ch6、ch11三个无干扰的信道可以共区域使用，这样就导致大量的AP集中在这三个信道，同频干扰非常严重。

下图是对某高校男生宿舍楼1楼进行的AP扫描的结果，从中可以发现同频AP数量非常之多，ch1、ch6、ch11的AP数量分别有21、36、30个。

由于学生群体活动的特殊性，上网时段一般集中在下午4点到晚11点，密集上网时段为晚8点到11点。

这样使得MU之间在竞争空口资源时发生冲突的概率变大，导致回传率增高，进而大大降低协商速率，产生时延，最终导致整个网络质量严重恶化。

因此，网速慢、时延大、掉线频繁已经成为校园Wlan无线网络中三个反映比较突出的问题。

通过长期的测试分析发现，这些问题单单靠增加2.4G AP数量已根本无法解决，甚至会带来更大的同频/邻频干扰，因此，选用5.8GHz 11N 技术进行优化部署将是一种可行性较高的优化方案。

在本方案中，我们选用了MOTOROLA的AP650产品。

2AP650网络优化方案
2.1802.11n无线覆盖
下面结合11n原理、实际测试效果进行说明。

2.1.1原理介绍
IEEE 802.11n技术通过物理层和MAC层的技术改进实现了无线传送速率的很大提升，使带宽从54Mbps提升到300Mbps。

2.1.1.1802.11n的核心----MIMO-OFDM
OFDM技术是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种，曾经在802.11g标准中采用。

其核心是将信道分成许多进行窄带调制和传输正交子信道，并使每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，用以减少各个载波之间的相互干扰，同时提高频谱的利用率的技术。

OFDM还通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行的非对称性传输。

不过OFDM技术易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比(PAR)，不过可以通过时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性，802.11g中虽也采用有相似技术，但相比802.11n中与MIMO技术的结合，自然逊色不少。

MIMO(多入多出)技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。

MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道。

传输信息流S(k)经过空时编码形成N 个信息子流Ci(k)，i=1，……，N。

这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道
后由M个接收天线接收。

多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，这样，MIMO系统可以创造多个并行空间信道，解决了带宽共享的问题。

将多径传播变为有利因素，从而在不增加信道带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，以达到WLAN系统速率的提升。

将MIMO与OFDM技术相结合，就产生了MIMO OFDM技术，它通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，并增加了多径的容限，使无线网络的有效传输速率有质的提升。

2.1.1.2双频带（20-MHz和40-MHz带宽）
11n通过将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通讯带宽，在实际工作时可以作为两个20MHz的带宽使用（一个为主带宽，一个为次带宽，收发数据时既可以40MHz的带宽工作，也可以单个20MHz带宽工作），这样可将速率提高一倍。

同时，对于IEEE 802.11a/b/g，为了防止相邻信道干扰，20MHz带宽的信道在其两侧预留了一小部分的带宽边界。

而通过频带绑定技术，这些预留的带宽也可以用来通讯，从而进一步提高了吞吐量。

2.1.1.3 Short Guard Interval
Short GI（Guard Interval）是802.11n针对802.11a/g所做的改进。

射频芯片在使用OFDM调制方式发送数据时，整个帧是被划分成不同的数据块进行发送的，为了数据传输的可靠性，数据块之间会有GI，用以保证接收侧能够正确的解析出各个数据块。

无线信号在空间传输会因多径等因素在接收侧形成时延，如果后续数据块发送过快，会和前一个数据块形成干扰，而GI就是用来规避这个干扰的。

11a/g的GI时长为800us，而Short GI时长为400us，在使用Short GI的情况下，可提高10%的速率。

另外，Short GI与带宽无关，支持20MHz、40MHz带宽。

2.1.1.4数据链路层的优化
在信道的竞争中所产生的冲突，以及为解决冲突而引入的退避机制都大大降低了系统的吞吐量。

802.11n为了解决MAC层的这两个问题，采用了帧聚合（Frame Aggregation）技术和Block Acknowledgement机制。

帧聚合技术又包含针对MSDU的聚合（A-MSDU）和针对MPDU的聚合(A-MPDU)。

A-MSDU
A-MSDU技术是指把多个MSDU通过一定的方式聚合成一个较大的载荷。

这里的MSDU可以认为是Ethernet报文。

通常，当AP或无线客户端从协议栈收到报文
（MSDU）时，会打上Ethernet报文头，这里我们称之为A-MSDU Subframe；而在通过射频口发送出去前，需要逐一将其转换成802.11报文格式。

而A-MSDU技术旨在将若干个A-MSDU Subframe聚合到一起，并封装为一个802.11报文进行发送。

从而减少了发送每一个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header和802.11MAC头的开销，同时减少了应答帧的数量，提高了报文发送的效率。

A-MPDU
与A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是经过802.11报文封装后的MPDU，这里的MPDU是指经过802.11封装过的数据帧。

通过一次性发送若干个MPDU，减少了发送每个802.11报文所需的PLCP Preamble、PLCP Header，从而提高系统吞吐量。

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Block Acknowledgement
为保证数据传输的可靠性，802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应ACK帧。

接收端在收到A-MPDU后，需要对其中的每一个MPDU进行处理，并针对每一个MPDU发送应答帧。

而Block Acknowledgement通过使用一个ACK帧来完成对多个MPDU的应答，以降低这种情况下ACK帧的数量。

Spatial Multiplexing Power Save
在使用802.11n服务时，由于安装了多个天线，电源容量的问题显得更为突出。

因此802.11n协议在节省电源处理上做了改进，采用了Spatial Multiplexing(SM) Power Save技术，其技术原理在于当无数据转发时，STA只有一个天线处于工作状态，其余天线均处于休眠状态，从而达到节省电源的目的。

SM Power Save定义了两种电源管理方式：动态SM Power Save和静态SM Power Save。

向下兼容性
802.11n协议允许802.11a/b/g用户的接入。

802.11n设备发送的信号可能无法被802.11a/b/g的设备解析到，这样造成802.11a/b/g设备直接往空中发送信号，导致信道使用上的冲突。

为解决这个问题，当802.11n运行在混合模式（即同时有802.11a/b/g设备在网络中）时，会在发送的报文头前添加能够被802.11a 或802.11b/g设备正确解析的前导码。

从而保证802.11a/b/g设备能够侦听到
802.11n设备信号，并启用冲突避免机制，进而实现802.11n的设备与802.11a/b/g 设备的互通。

2.1.2Motorola 802.11n AP650部署方式
对于802.11n AP的应用，可以有多种部署方式，但各有优缺点。

对于非新建系统的网络优化需求，通过反复的测试评估，本文给出如下一种相对可行的优化方案。

802.11bg AP接室分系统+ 5.8GHz 802.11n AP（AP650）独立直放
原有802.11bg AP接室分系统不变，新增单频Motorola AP650直接布放在寝室过道，每台AP使用3根5dB增益全向天线，实现2*3MIMO收发，覆盖4个寝室（门对门各两个房间），并将AP650使用频段设为5.8GHz频段，工作模式设为11an Only
在20MHz频宽下，实际测试结果，802.11g用户空口平均吞吐率17.8Mbps，
802.11an用户空口平均吞吐率65.9Mbps
将频宽设为40MHz，802.11an用户空口平均吞吐率109.6Mbps
测试结果分析来看，40MHz频宽时平均吞吐量较高，但这样一台AP将占用两个信道，在AP较多的环境下将会产生同信道有多台AP同时工作，造成同频干扰，因此在AP较多的环境下建议AP工作频宽设为20MHz。

此部署方式优点：同时覆盖2.4 GHz和5.8GHz频段，兼容802.11a/b/g/n；可以发挥MIMO优势，11an用户速率得到大幅度提升；在工程上，原有分布系统不用改造，继续用于802.11b/g用户的接入；新增11N设备的工程量较小，造价也相对适中，但效果很明显；
缺点：无明显缺点，随着支持11an网卡的用户逐渐增多，该方式将成为一种主要的优化方式。

3应用建议
由于09年9月11日IEEE标准委员会才批准通过802.11n成为正式标准，11an 尚没有完全普及。

据不完全统计，目前学生用户的笔记本只有30%是支持802.11an 的，其中大部分为09年之后购买，随着网卡芯片厂家的支持和价格下降，802.11an 网卡将会普及。

对于校园WLAN建设来说，在同时提供2.4GHz和5.8GHz WLAN服务的情况下，5.8GHz信号有5个无干扰信道可以使用，5.8GHz网络质量明显好于2.4GHz网络。

另外，很大一部分高校新生是在进入高校后才购买的电脑，购买时必定优先考虑
选择双频网卡。

这样，5.8GHz网络可以分流出很大一部分的5.8GHz的无线网卡用户，缓解原有的2.4GHz网络压力，提高2.4GHz网络质量，最终形成双频段无线网络下的所有用户上网效果均得以改善。

在目前校园2.4GHz WLAN网络同/邻频干扰非常严重的状况下，考虑到成本压力，我们建议对一些非密集场所如图书馆、教学区在原有的2.4GHz基础上进行网络优化，对宿舍区这种高流量、高密集的场所增加5.8GHz 11N AP的独立布放，以提高校园WLAN的综合无线质量。