智简园区WLAN SmartRadio技术白皮书

华为智简园区 WLAN SmartRadio
技术白皮书
摘要
随着时代的进步与科技的发展，接入无线网络的终端数量呈爆发式增长，高密接入场景变得越发普遍，无线频谱资源竞争加剧、高密并发接入困难、快速漫游效果不佳等问题也变得越来越突出，直接影响用户网络应用体验。

SmartRadio 是一套全面而高效的解决方案，通过一系列创新技术针对Wi-Fi 全系列应用场景做了深度优化，特别是在高密、快速漫游、混合多业务等场景下可以明显提升Wi-Fi 网络资源利用效率，为用户提供最佳网络体验。

目录
摘要 (ii)
1概述 (1)
1.1产生背景 (1)
1.2技术实现 (1)
1.3客户价值 (1)
2方案原理 (3)
2.1DFA (3)
2.1.1网络建设阶段DFA (3)
2.1.2网络运行新增AP 场景 (5)
2.1.3网络运行AP 异常场景DFA (5)
2.1.4云AP 调优 (6)
2.2负载均衡 (9)
2.2.1频谱导航 (9)
2.2.2AP 间负载均衡 (10)
2.3动态EDCA (11)
2.4Airtime 公平调度 (14)
3典型组网应用 (18)
3.1大型展会场景 (18)
3.2高密体育场馆场景 (19)
A 缩略语 (20)
1 概述
1.1产生背景
随着时代的进步与科技的发展，接入无线网络的终端数量呈爆发式增长，高密接入场景变
得越发普遍，无线频谱资源竞争加剧、高密并发接入困难、快速漫游效果不佳等问题也变
得越来越突出，直接影响用户网络应用体验。

1.2技术实现
SmartRadio 是一套全面而高效的解决方案，通过一系列创新技术针对Wi-Fi 全系列应
用场景做了深度优化，特别是在高密、快速漫游、混合多业务等场景下可以明显提升Wi- Fi
网络资源利用效率，为用户提供最佳网络体验。

SmartRadio 技术包含如下关键特性：DFA（Dynamic Frequency Assignment，动态信
道调整）、智能负载均衡、动态EDCA（Enhanced Distributed Channel Access，增强
的分布式信道访问）技术、公平调度技术。

1.3客户价值
1、简化网规、运维工作
SmartRadio 的DFA 特性可以满足客户降低运维成本的需求。

在WLAN 网络中，AP 数
量众多，在高密场景更甚。

AP 数量越多，网规、运维时需要投入越多的人力，另外若需要
添加新的AP 至网络或有个别AP 无法正常工作（例如断电）时，又需要新的网规人力
投入。

SmartRadio 技术可以简化网规工作，减少了Wi-Fi 网络同频干扰，同时降低后
期运维投入成本。

2、提升系统容量和用户体验
由于WI-FI 空口采用的是基于竞争的多址接入方式，在同一个射频下接入的用户数越多，
竞争开销越大，体现在空口吞吐率也会越低，用户体验也会越差。

利用SmartRadio 的负
载均衡特性，可以帮助将网络中的用户尽可能均匀的分布在不同的AP 下。

对于单个用户，接在用户数相对更少的AP 下自然能够得到更大的吞吐率，用户体验自然越好。

而对于整
个网络，用户尽可能均匀分布在不同的AP 下，自然也能够获得更大系统容量。

开启公平调
度功能保证了高速率用户和低速率用户有相同的传输时间，提升了高速率用户的体验，实现AP 更高的系统吞吐率。

3、提升5G 的频谱利用率
当前2.4G 频段存在诸多弊端：1）信道拥挤。

大量的非Wi-Fi 设备如微波炉、蓝牙终端
等工作在2.4G 频段上，这些设备带来的系统外的干扰一直影响着Wi-Fi 系统的性能。

2）频谱资源有限。

2.4G 只有83.5MHz 的频率资源，频率资源少意味着频率复用更加紧密，系统内的干扰更大。

而与之相对应的5G 频段不仅干扰源少，而且频率资源也非常丰富。

不幸的是很多支持2.4G 和5G 的双频终端，默认先在2.4G 频段上接入WI-FI 网络。

这
样现网中的很多双频终端会接入拥挤不堪的2.4G，而放着干扰少、频率资源丰富的5G
频段不用。

SmartRadio 的频谱导航特性可以在5G 不过载的前提下，引导终端从5G 接入，提升5G 的频谱利用率。

2 方案原理
华为W L AN S m a r t R a d i o技术主要包含以下几个组成部分：D FA、负载均衡、动态ED C A、
空口公平调度。

下面针对这几部分的原理进行分析。

2.1DFA
DFA 不是一个单独使用的特性，该特性需要与TPC、DCA 一起完成整网的频段、信道和
功率自动调整，合力将无线环境优化到最佳。

∙TPC 全称为Transmit Power Control、发射功率调整，其作用就是在整个无线网络的运行过程中，根据实时的无线环境情况动态地分配合理的功率。

最终目标是选择一
个合适的发送功率，既能满足本AP 的覆盖范围要求，又不会对邻居AP 形成较大
的干扰。

∙DCA 全称为Dynamic Channel Assignment、动态信道调整，其调整对象为信道，具体是通过同一射频内的信道调整，可以保证每AP 能够分配到最优的信道，尽可能
地减少和避免相邻或相同信道的干扰，保证网络的可靠传输。

∙DFA 的调整对象是射频，其作用是将冗余的2.4G 射频关闭或调整monitor 或调整为5G。

下面就从不同阶段介绍DFA 特性的作用，也涵盖了TPC 和DCA 的使用。

2.1.1网络建设阶段DFA
射频自动规划空口资源
图2-1 网络建设阶段DFA 流程图
∙在冗余射频识别前，10min 内完善邻居信息
现网中AP 通过收集邻居AP 发出的beacon 和探测帧，来完善邻居信息表。

邻居信息表中记录了邻居AP 对本AP 射频构成的干扰程度。

如果某一邻居AP 的射频干扰超过门限，则对该邻居AP 的射频做标记。

∙在冗余射频识别前，经过2 次TPC 做功率调整。

在用户执行开局命令前，每AP 射频的最低发射功率都由网规给出。

此最低功率可保证终端的性能保持在最高值。

TPC 功率调整算法，是记录邻居AP 信息后，对干扰大的邻居AP 射频降功率，功率不能降低至最低门限。

TPC 功率调整是循序渐进的、伴随着邻居AP 信息的再判断，如此两次后，便达到了信道规划下的最佳功率。

∙在迭代二中识别冗余射频并进行DFA 与TPC，将冗余射频关闭或切换。

冗余射频即功率调整后，依然对周围AP 造成干扰的射频。

此时就需要根据AP 的能力做出DFA 调整了，调整的结果为将2.4G 射频关闭或切换。

支持双频切换的AP，则将2.4G 切换为5G；不支持双频切换的AP，则将2.4G 切换为monitor 模式或关闭射频，使其不发包。

∙ 2.4G 冗余射频经过DFA 调整后，再经过第三、四轮迭代对整网的射频进行信道优化。

2.1.2网络运行新增AP 场景
与前文所述过程类似，AP 收集邻居信息，进行DFA&TPC 算法调整，该阶段加入了DCA
算法，目的是调整整网5G 射频的信道。

图2-2 网络新增加AP DFA 流程
∙扫描，新增AP 构建2.4G 射频的邻居信息。

若AP 为2.4G+5G 则进行冗余射频判定；若AP 为5G+5G，则不需要进行。

构建
2.4G 拓扑不需要关注已完成网络规划AP 中切换到5G 的射频。

∙调整整网的5G 射频。

冗余射频调整完后，继续进行5G 射频的信道、功率优化。

2.1.3网络运行AP 异常场景DFA
AP 异常下线，信号补盲。

以下图为例，AP3 出现了异常，导致信号消失。

图2-3 补盲场景DFA 流程
∙将AP3 邻居中的前TOP4 射频切回2.4G 频段。

选择原则：优先选择monitor/shutdown 射频；优先选择无终端或终端数量少的射
频。

∙扫描，重新构建2.4G 射频的邻居信息。

∙调整整网的5G 射频。

2.1.4云AP 调优
云AP 和传统AC 调优的核心算法逻辑是一致的，都是通过AP 探测、收集周围邻居射
频、干扰信息，然后上报调优计算引擎，计算引擎计算完毕后，将各AP 分配的信道、
功率下发给对应的AP。

和传统AC 不同的是，传统网络的调优计算引擎是部署在AC 上，云网络的调优计算引
擎是部署在Leader AP 上。

Leader AP 的选举
云AP 本质是胖AP，各自独立的，但WLAN 一些业务如调优需要集中处理，又没有AC
的角色，为兼顾可靠性、性能，又需要本地计算，所以需要一个类似AC 的全局控制角
色。

Leader AP，就是在一组AP 里面选举一个能力比较强的AP 作为Leader AP，负责整个
组的全局的业务功能。

Leader AP 负责的业务：调优、负载均衡、WIDS 黑名单防御等。

Leader 选举后，其他AP 都会和Leader AP 建链capwap 链路，以便发送调优、负载
均衡的消息。

Leader AP 的竞选规则
Leader AP 是云AP 自选举过程，当前不受控制器控制、干涉，也无法查看。

AP 选举报
文是私有的2 层广播报文，因此各AP 要在同一个2 层域内，且端口不能配置隔离。

云
AP间相互发送广播的2 层报文（E t h T y p e=0xfffd），携带自身的相关能力，通过如下竞
选规则选举（优先级从高到低）。

∙管理规格更大的设备优先选举为Leader。

∙优选硬件能力强的云AP 作为Leader。

∙优选启动时间长/系统启动时间早的云AP 作为Leader。

∙Mac 地址最小的优先选举为Leader。

Leader AP 没有实时备份，当Leader AP 异常时，Slave AP 会重新发起建链过程。

当已选举好的网络中增加一台优先级更高的AP（规格、性能高），会重新触发L e a d e r
AP 选举；Slave AP 会和老Leader AP 断链、和新Leader AP 建链，老Leader AP 没有
管理的Slave 时，也会和新Leader AP 建链。

云AP 调优的过程
图2-4 云AP 的调优实现
控制器上配置调优配置，调优可以分为三种，控制器会将调优的配置、参数下发到AP。

✓手动模式：用户手动点击触发调优。

✓自动模式：根据设置的调优间隔进行周期性的调优。

✓定时模式：按指定的时间点周期性的调优。

∙AP 上根据配置模式执行相应的调优探测，切换信道扫描周边邻居信息（扫描持续
15 分钟）。

∙AP 在探测期间，每10s 会上报Leader 探测到的数据。

∙Leader AP 会每5 分钟计算一次调优结果，共计算3 次以达到算法收敛的效果。

∙Leader AP 最终将调优结果下发到组内的各个AP，包括计算好的信道、功率。

2.2负载均衡
负载均衡是一个大的概念，华为的负载均衡特性包含两个具体的特性：频谱导航和AP
间负载均衡。

频谱导航在同一个AP 的不同频段（2.4G&5G）的射频上实现。

在终端初始接入时，双
频AP 根据接收到的终端probe 记录终端支持频段的能力，再根据双频之间的负载情况，
帮助终端在本AP 上负载轻的射频接入。

AP 间负载均衡在同一个频段的不同AP 射频间实现。

在终端接入AP 时，AC 根据负载
均衡算法限制新关联用户从负载均衡组中的负荷重的AP 接入，帮助终端从负载均衡组
中负载轻的AP 接入。

2.2.1频谱导航
下文将分两个阶段来介绍该功能，分别为终端能力收集、引导终端关联5G 优先。

终端能力收集
AP 通过收到的终端Probe request 来判断终端致支持的频段能力。

终端一般存在3 种
能力：2.4G only，5G only 和支持双频。

实际上现在市面上支持5G 终端一般都会支持
2.4G，也就说5G only 的终端很少。

当AP 从2.4G 收到Probe 请求时，如果在连续的一段时间内只能收到2.4G 的Probe
请求，则认为该终端只支持2.4G 频段；否则认为该终端是双频终端。

相同的逻辑也用
于5G 上的判断。

引导终端关联5G
1、确定终端优先关联5G 的前提
首先要明确引导终端关联5G 的前提，如果不把2.4G 和5G 上的负载情况进行比较，而
一味的将支持5G 的终端引导到5G 射频上可能会出现5G 射频负载高，而2.4G 射频负
载轻的结果。

为了实现2.4G 和5G 射频之间的负载均衡，真正达到既能提升5G 利用
率，又能提升容量和用户体验的目的，华为频谱导航特性中考虑了2.4G 和5G 射频之
间的负载均衡。

根据负载情况决定当前终端接入时是从2.4G 优先接入还是从5G 优先
接入：
首先判断AP的接入用户数是否超过起始门限（st a rt-t h re sh o l d），如果没有，则ST A
可以优先接入5G 射频。

如果超过，则AP 将根据公式（5G 射频接入的用户数–2.4G 射
频接入的用户数）/5G 射频接入的用户数*100%，计算出两个射频间负载差值与双频间
负载均衡的差值门限（gap-threshold）比较，从而判断让STA 在哪个频段接入。

举例来说，当使能频谱导航功能后，如果STA 在2.4G 向AP 发起关联请求，假设现在
用户数超过start-threshold，则需要根据两个射频间的负载差值进行双频间的负载均
衡。

如果（5G 射频接入的用户数–2.4G 射频接入的用户数）/5G 射频接入的用户数
*100%>gap-threshold，则优先使该用户在2.4G 射频上线；反之，则优先使该用户在
5G 射频上线。

2、控制终端接入措施
在确定了5G 优先的以上两个门限后，如果接入的5G 终端没有达到门限，则引导终端
接入5G；如果达到门限，则引导接入2.4G。

引导方法为限制AP 对终端probe request
的响应。

为了防止部分终端“一根筋”地从非优选频段接入（这种情况一般会出现在2.4G
上），但由于非优先频段不响应而影响这类终端用户接入体验。

在非优选频段收到一定
次数的Probe 请求后，优先频段还没有收到Probe 请求，非优先频段会回复响应，让
该终端从非优先频段接入。

同时会刷新该STA 的频段能力，记录此STA 支持频段当前
的非优选频段（一般为2.4G）。

引导终端在射频间迁移：该过程原理与AP 间负载均衡中引导关联终端迁移一样，见后
面内容详述。

2.2.2AP 间负载均衡
频谱导航是在同一个AP 的2.4G 和5G 之间实现负载均衡的特性。

AP 间负载均衡是在
不同AP 间的相同频段之间实现负载均衡的特性。

分为三个阶段介绍该功能，分别为AP
主动通告负载、建立负载均衡组、引导关联终端迁移。

AP 主动通告负载
AP 通过在beacon 帧和probe response 帧中携带QBSS Load IE 通告发包AP 的负载。

该IE 可向终端通告AP 两个射频各自已关联的终端数量及信道利用率，终端根据这两个
数据主动挑选最优的（终端数量最少、信道利用率最小）射频接入。

QBSS Load IE 来自
于IEEE802.11e 标准，11n 及以后的AP 和终端都支持该标准。

如果终端支持ieee802.11k 标准，AP 会响应终端发出的neighbor report request 报
文，回复neighbor report response 报文，将邻居AP 的信息告知终端。

建立负载均衡组
负载均衡组可以通过手动方式生成，也可以通过自动生成的方式。

不管是手动的还是自动
的，负载均衡组的AP 必须是同一个AC 下的，且是同频段的。

1、手动生成
IT 工程师人工向负载均衡组中添加AP 射频，最多可以添加16 个同频段的AP 射频。

2、自动生成
终端周围AP 通过收集终端的部分管理帧、控制帧以及数据帧，将终端信息上报至AC。

AC 将所有上报该STA 的AP 动态组成一个组。

如果终端支持i eee802.11k标准，AP可通过b e ac o n r e p o r t报文收集终端周围的AP信
息。

具体为AP 主动发beacon report request 报文给终端，终端回应beacon report
response 报文给AP，后者包含有终端探测到的周围AP 信息。

有些终端会周期性地发
送beacon report response 报文，AP 也会被动接收这些信息。

无论哪种方式，AP 都会将信息上送至AC，由AC 生成终端的邻居AP 信息，即负载均
衡组。

引导关联终端迁移
终端迁移的结果有2 种：同AP 2.4G 向5G 迁移、均衡组内同射频间高负载向低负载迁
移。

AC 会对AP 进行遍历，判断是否需要迁移终端，迁移的准则需要同时满足以下几
点：
1.同AP 射频间迁移，两射频上终端数量要低于频谱导航的两个门限；
2.存在邻居AP；
3.邻居AP 射频负载小于源AP 射频；
4.邻居AP 射频信号质量高于最低门限；
5.邻居AP 射频信号质量高于源AP 射频或略微差于源射频；
迁移的方法如下：
若终端支持IEEE 802.11v 标准，则使用该标准中的BSS Transition Management(BTM)
消息使得终端迁移到邻居AP。

若终端不支持IEEE 802.11v 标准或使用BTM 迁移失败，则使用deauth 帧迫使终端迁
移到邻居AP。

终端迁移成功或失败，均会在一定时间内不对终端做动作，使得终端停留在当前AP。

2.3动态EDCA
WMM 主要定义了802.11e 中的EDCA，EDCA 将数据报文分为4 个AC 队列(Access
Category) ：AC_VO （Voice ）、AC_VI （Video ）、AC_BE （Best Effort ）、AC_BK
（b ac k g r o u nd），高优先级的AC占用信道的机会大于低优先级的AC。

每个AC队列被
赋予一套信道竞争EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)参数，参数组合定义
了对应AC 队列占用信道的能力。

如下AC 队列到信道竞争的逻辑示意图。

图2-5 信道竞争逻辑示意图
EDCA 参数自适应是指，AP 对检测到的语音视频业务类型，做EDCA 参数的调整。

EDCA 参数自适应的流程逻辑示意图如下：
图2-6 动态EDCA 参数流程逻辑示意图
EDCA 自适应，流程逻辑说明：
1.各AC调度队列负载测量模块：对各AC调度队列中的待发送数据包进行空口发送时长统
计，用于计算各AC的待调度负载量。

2.参数配置策略选择机制：根据现有系统中AC负载比重，选择一种参数配置机制。

3.参数配置机制：本系统涉及三种参数配置机制，分别为VO_Basic Policy、
VO&VI_Optimized Policy、Super Slot_4AC Policy。

4.WLAN默认开启EDCA自适应，AP配置微秒级调度。

2.4Airtime 公平调度
Airtime 技术改变了WMM 中每个AC 队列的调度方式。

由原来的先进先出的调度变为
基于时间的公平调度，保证不同速率的用户获得相同的累积调度时间。

在每次发包前，
选择累积时间最小的用户发包，从而达到队列中的每个用户趋近分到相同时间的空口资源。

如下图中，在使用Airtime 技术后，同一个AC 队列中的不同速率的用户经过调度后，
可以获得相同的调度时间：低速率用户不在长时间“霸占”空口，高速率用户可以获得更多
的发送机会。

图2-7 WMM+Airtime 调度
下面再介绍一下Airtime 的调度是如何实现的。

1、新加入用户
对于新加入队列用户，由于其无调度历史记录，其对应的累积调度时间为0，直接加入到队列的队头，最先得到调度。

图2-8 新加入用户的处理
如上图所示，假设在AP 上的某个AC 的队列里有5 个用户正在排队调度，当新加入用户6 加入后，由于用户6 是新加入用户，并无历史调度记录，其对应的累积调度时间为0，刷新队列时用户6 被刷到队列的最前面，首先获得调度。

2、已加列用户
对于已经加入队列用户，在完成一个包的发送后，如果还有数据需要发送，根据其已累计占用的历史时间，刷新在调度队列中的位置；如果没有数据需要发送，则从队列中清除。

图2-9 已加入用户的处理
如上图中，假设调度队列中有5 个用户，用户1~用户5，按照优先级由高到低的顺序分布在调度队列中，队列头的用户1 先被调度，发送完一轮数据后，并将用户1 从调度队列中删除。

如果用户1 已经没有数据需要发送，则直接调度优先级次高的用户2；如果用户1 还有数据需要发送，AP 刷新用户1 的累积调度时间，并按照累积时间越小越靠
前的原则重新加入队列，插入用户4 和用户5 之间，并调度优先级次高的用户2。

为防止有些用户一直得到调度，而有些用户被饿死的情况，比如新加入的用户，其一直得到优先调度，而已经在队列中的用户仍然有数据需要发送而得不到调度，需要周期性的对统计时间清零，清零周期为5 秒。

虽然WMM 已经是WLAN 网络的主流，但实际上网络中也存在非WMM 的场景，如AP 的WMM 特性关闭，这时候Airtime 是不是就不生效了？答案是否定的。

关闭WMM 后，用户将不不会根据其优先级进入不同的AC 队列，他们会进入同一个队列，此时Airtime 仍然可以对这个共用的队列生效。

图2-10 非WMM 下Airtime 调度
3 典型组网应用3.1大型展会场景
在一些大型的发布会，比如华为每年的HC（Huawei Connect）大会，都会为参会的现场
嘉宾和媒体提供免费的WI-FI 接入服务。

在以往的这些大型的发布会上我们发现2.4G 频
段上吸收过多的用户，而5G 的射频吸收的用户却很少。

出现这种一边是“火焰”一边是
“海水”的局面的原因既跟支持双终端普及率有关，也跟很多双频终端默认先从2.4G
尝试接入有关。

在华为的HC 大会上部署的WLAN 网络开启了频谱导航特性，很好地实
现了将双频终端引导到5G 的射频上，会后的统计数据表明5G 射频上吸收的用户数在
50%左右，而吸收的吞吐率已经超过了50%。

发布会上提供的高质量的WI-FI 接入为嘉
宾和媒体提供了便捷的访问网络的服务，深受参会人员的喜爱和好评。

3.2高密体育场馆场景
在一些大型的体育场馆部署WI-FI 已经成为一种趋势，在欧洲华为已经成功地为德甲的
多特蒙德，荷甲的阿贾克斯等足球场馆部署了高密WI-FI 覆盖。

这些WI-FI 网络为球迷分
享比赛，赛事直播，媒体播报，在线博彩等提供了便捷的接入服务。

在高密体育场馆中，
为了满足数万用户的接入，对5G 的充分利用非常重要，所有的AP 都工作在双频模式。

同时为了满足高密度的用户，相邻两个AP 的间距最小只有7 米左右。

在这种场景下，
利用负载均衡特性可以将双频用户引导到5G 上，最大化每个AP 的接入用户数和容量；
利用负载均衡特性还可以帮助覆盖相邻的AP 之间做负载均衡，接入用户少的AP 帮助接
入用户多的AP 分担一些负载（用户行为会导致部分AP 接入用户多，部分AP 接入用户
少），提升每个接入用户的接入带宽和体验。