Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)工作原理

　　根據(jù)IEEE802.11-2016標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)主要采用了分布式協(xié)作功能（DCF）架構(gòu)，通過(guò)載波監(jiān)聽(tīng)/沖突避免（CSMA/CA）機(jī)制在Wi-Fi設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的媒體共享和訪問(wèn)控制（MAC）。CSMA/CA專門設(shè)計(jì)用來(lái)在多個(gè)Wi-Fi設(shè)備訪問(wèn)同一個(gè)通信媒體時(shí)，降低Wi-Fi設(shè)備之間的沖突可能。根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，每一個(gè)Wi-Fi設(shè)備（無(wú)論是AP還是終端）在發(fā)送數(shù)據(jù)前必須對(duì)通信媒體進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，根據(jù)監(jiān)聽(tīng)結(jié)果判斷該媒體是否處于Busy狀態(tài)。如果是Busy狀態(tài)，則需要繼續(xù)等待；如果是空閑狀態(tài)，則需要在一定的幀間隔時(shí)間（IFS）后，再等待一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間（Backoff Time），當(dāng)退避時(shí)間結(jié)束時(shí)如果媒體仍然處于空閑狀態(tài)，則Wi-Fi設(shè)備獲取到發(fā)送機(jī)會(huì)（TXOP），通過(guò)通信媒體開始發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)報(bào)文（管理幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀......）的傳輸要求，802.11定義了幾種不同的幀間隔時(shí)間，包括SIFS、PIFS、DIFS和AIFS等。

　　無(wú)線信道和空口時(shí)間

　　對(duì)于802.11網(wǎng)絡(luò)而言，當(dāng)我們考慮一個(gè)物理范圍有限、傳輸條件良好的封閉空間時(shí)，Wi-Fi的信號(hào)覆蓋足夠，我們通?？梢约僭O(shè)每個(gè)終端都能獲得足夠好的信噪比，以保證終端的關(guān)聯(lián)速率保持穩(wěn)定。此時(shí)，對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)性能影響最大的因素就只有無(wú)線信道和空口時(shí)間。作為Wi-Fi設(shè)備通信的共享媒體，無(wú)線信道可以被認(rèn)為是一個(gè)802.11沖突域。所謂802.11沖突域，首先是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)容量單元，在這個(gè)沖突域中的所有Wi-Fi設(shè)備共享這個(gè)沖突域的系統(tǒng)容量；其次，802.11沖突域與時(shí)間和地點(diǎn)相關(guān)，兩個(gè)相鄰的Wi-Fi設(shè)備如果在不同的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)并不會(huì)產(chǎn)生沖突；最后，802.11沖突域的范圍是動(dòng)態(tài)變化的，與正在占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備有關(guān)。因此，特定空間范圍內(nèi)使用相同無(wú)線信道的無(wú)線AP和Wi-Fi終端共享一個(gè)沖突域；而相同空間內(nèi)使用不同無(wú)線信道的無(wú)線AP和Wi-Fi終端則分別共享不同的沖突域。無(wú)線信道的增加意味著沖突域的疊加，沖突域的疊加意味著系統(tǒng)性能容量的疊加。

　　在每一個(gè)沖突域中，Wi-Fi設(shè)備對(duì)媒體的共享是基于空口時(shí)間（即Wi-Fi設(shè)備占用無(wú)線信道發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間）的，所有Wi-Fi設(shè)備必須在信道處于空閑狀態(tài)，且等待相應(yīng)的幀間隔時(shí)間和退避時(shí)間后才能占用信道并發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，Wi-Fi設(shè)備占用無(wú)線信道時(shí)的空口效率，即傳輸一定的數(shù)據(jù)所需消耗的時(shí)間，很大程度決定了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的整體性能。無(wú)線信道的空口效率與兩個(gè)因素有關(guān)：傳輸速率和報(bào)文結(jié)構(gòu)。從理論上講，傳輸數(shù)據(jù)所需消耗的時(shí)間與傳輸速率成反比。在Wi-Fi環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膸ü芾韼?、控制幀和?shù)據(jù)幀，Wi-Fi傳輸速率不僅與幀的類型有關(guān)，甚至在每一幀的前導(dǎo)部分和負(fù)載部分也有差異。

　　如圖1所示，802.11數(shù)據(jù)幀實(shí)際負(fù)載的傳輸速率就是Wi-Fi設(shè)備的空口連接速率，這個(gè)速率通常與Wi-Fi設(shè)備的信噪比有關(guān)，隨距離增加而降低；802.11管理幀和控制幀則缺省采用最低速率（6Mbps），已確保能夠被沖突域中所有的終端有效接收，這一速率可以通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整到24Mbps，以減少低速率幀對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

　　圖2抽象地顯示出構(gòu)成相同的802.11管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀在采用不同的速率時(shí)對(duì)空口效率的影響。很明顯，第二張圖中由于管理幀和控制幀采用24Mbps速率進(jìn)行發(fā)送，因此每一幀可以消耗更少的空口時(shí)間，使無(wú)線信道更多地處于空閑狀態(tài)，所以可以提升空口效率，達(dá)到性能優(yōu)化的目的。

　　除了傳輸速率，802.11數(shù)據(jù)幀的報(bào)文架構(gòu)，特別是每個(gè)報(bào)文平均負(fù)載的大小，也會(huì)嚴(yán)重影響Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上每一次發(fā)送機(jī)會(huì)（TXOP）并非是僅僅發(fā)送某個(gè)單一報(bào)文，而是由一系列連續(xù)的交互報(bào)文構(gòu)成。對(duì)于802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，這些交互報(bào)文包括：RTS報(bào)文、CTS報(bào)文、數(shù)據(jù)報(bào)文（A-MPDU）、塊確認(rèn)報(bào)文（BA）。其中的情況是：AIFS和CW分別是與不同業(yè)務(wù)QOS相關(guān)的幀間隔和沖突退避時(shí)間，存在一定的變化范圍；SIFS是最短幀間隔，其長(zhǎng)度固定為16us；RTS、CTS和BA是長(zhǎng)度固定的管理幀/控制幀，其幀長(zhǎng)度分別為20字節(jié)、14字節(jié)和32字節(jié)，并且每一幀都有一個(gè)長(zhǎng)度為20us的傳統(tǒng)前導(dǎo)幀（LegacyPreamble），根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)前導(dǎo)幀的傳輸速率是最低速率（6Mbps），并且不可修改，而這些幀的具體內(nèi)容則可以采用相對(duì)稍高的速率進(jìn)行傳輸；A-MPDU中包含了真正的用戶數(shù)據(jù)，同時(shí)也包含相應(yīng)的傳統(tǒng)前導(dǎo)幀和VHT前導(dǎo)幀，其中前導(dǎo)幀的傳輸速率是固定的6Mbps，用戶數(shù)據(jù)則采用實(shí)際連接速率，隨著數(shù)據(jù)報(bào)文真實(shí)負(fù)載的長(zhǎng)度不同，傳輸這部分報(bào)文所需的空口時(shí)間，以及這部分空口時(shí)間在整個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)（TXOP）中的占比也存在差異。

　　從圖3可以看出，無(wú)論A-MPDU大小如何，每個(gè)TXOP中除A-MPDU外的空口開銷都是固定的，傳輸3000字節(jié)報(bào)文與90字節(jié)報(bào)文相比，其空口效率要高出很多。因此，針對(duì)802.11網(wǎng)絡(luò)，報(bào)文的構(gòu)成從以下兩個(gè)方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生重大影響：

　　802.11數(shù)據(jù)幀的負(fù)載越大，用于傳輸真實(shí)數(shù)據(jù)負(fù)載的空口時(shí)間就越長(zhǎng)，相對(duì)于整個(gè)TXOP中的傳輸開銷，其空口效率就越高；

　　802.11管理幀和控制幀都是固定長(zhǎng)度的短幀，并且傳輸速率相對(duì)數(shù)據(jù)幀低很多，因此管理幀和控制幀數(shù)量越少、速率越高，網(wǎng)絡(luò)的空口效率就越高。

　　多終端接入的性能影響

　　在802.11網(wǎng)絡(luò)中，人們普遍的感受是：當(dāng)一個(gè)AP下連接了較多的終端時(shí)，這個(gè)AP的整體性能以及用戶體驗(yàn)會(huì)快速下降。當(dāng)然，這里有一個(gè)隱含條件：這個(gè)AP和連在上面的Wi-Fi終端處于一個(gè)獨(dú)立的沖突域。因此，關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象更加精確的描述應(yīng)該是：當(dāng)一個(gè)沖突域中存在較多的終端時(shí)，這個(gè)沖突域的整體容量和用戶體驗(yàn)會(huì)快速下降。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生具有一定的普遍性，并且與終端構(gòu)成不具有相關(guān)性。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，如果以只有一個(gè)終端時(shí)的系統(tǒng)吞吐量作為參照，則無(wú)論終端類型為1x1、2x2或者3x3，當(dāng)并發(fā)終端數(shù)量在25個(gè)時(shí)，系統(tǒng)吞吐量?jī)H下降5%～10%；當(dāng)并發(fā)終端數(shù)量在50個(gè)時(shí)，系統(tǒng)吞吐量下降大約10%～30%；當(dāng)并發(fā)終端數(shù)量達(dá)到100個(gè)時(shí)，系統(tǒng)吞吐量下降高達(dá)50%～60%。

　　從理論上分析，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因有以下四個(gè)：

　　1.射頻沖突和重傳；2.連接速率的自適應(yīng)下調(diào)；3.TCP滑動(dòng)窗口機(jī)制導(dǎo)致；4.MAC層幀構(gòu)成的變化。

　　然而，通過(guò)在不同并發(fā)終端數(shù)量環(huán)境下進(jìn)行的抓包分析，我們可以推斷出：

　　1.射頻沖突和重傳不是多終端環(huán)境下系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。從圖4中可以看到，隨著并發(fā)終端的增加，射頻重傳比例基本保持穩(wěn)定，并未出現(xiàn)明顯的同步增長(zhǎng)，因此并非系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。

　　2.連接速率的自適應(yīng)下調(diào)也不是系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。從圖5中可以觀察到，由于retry導(dǎo)致Wi-Fi終端自適應(yīng)降低射頻速率的數(shù)量并未明顯增加，因此自適應(yīng)的速率調(diào)節(jié)也不是系統(tǒng)吞吐量下降的可能原因。

　　3.系統(tǒng)吞吐量下滑與TCP或者UDP沒(méi)有關(guān)系。

　　如圖6所示，通過(guò)對(duì)比并發(fā)終端數(shù)量變化前后系統(tǒng)的TCP和UDP性能，可以發(fā)現(xiàn)UDP同樣存在近似的性能下滑，因此可以排除TCP窗口機(jī)制導(dǎo)致性能下降的潛在可能。

　　4.隨著并發(fā)終端的增加，MAC層的幀構(gòu)成發(fā)生了重大變化，這才是導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。

　　如圖7所示，隨著并發(fā)終端數(shù)量從1增加到100，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)幀數(shù)量減少了34%，而與此同時(shí)，控制幀數(shù)量則增加了3倍，用于喚醒Wi-Fi終端的Power Save NDP幀則更是增加了5倍。

　　如圖8中802.11幀尺寸的維度進(jìn)行分析，可以看到小于64字節(jié)的幀數(shù)量從32K增長(zhǎng)到107K，大約3倍多的比例。根據(jù)前面的研究，報(bào)文負(fù)載越小，射頻空口的效率就越低，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越差；反之亦然。因此，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩虉?bào)文數(shù)量大幅增加嚴(yán)重拉低了系統(tǒng)的吞吐量性能。對(duì)控制幀的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：

　　RTS和NDP幀快速增長(zhǎng)，由于RTS和NDP都需要DIFS/AIFS和Backoff timer作為沖突避免機(jī)制，因此意味著DIFS/AIFS和Backoff timer的數(shù)量也在同步快速增加；

　　TXOP數(shù)量快速增長(zhǎng)。作為TXOP結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)成，RTS、CTS和BA數(shù)量的增長(zhǎng)可以反映出TXOP數(shù)量的增長(zhǎng)，TXOP數(shù)量的增長(zhǎng)意味著AIFS、DIFS、SIFS和Backoff Timer數(shù)量的增長(zhǎng)；

　　每個(gè)TXOP中數(shù)據(jù)幀的占比下降明顯。TXOP在快速增加，然而數(shù)據(jù)幀的數(shù)量卻在顯著下滑，意味著大量的發(fā)送機(jī)會(huì)（TXOP）并未用來(lái)發(fā)送有用數(shù)據(jù)；

　　隨著終端數(shù)量的增長(zhǎng)，由于每個(gè)終端都會(huì)經(jīng)常進(jìn)入PowerSave模式，因此用于喚醒終端的NDP和ACK報(bào)文大量增加。

　　分析結(jié)論：隨著并發(fā)終端數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)中的MAC幀構(gòu)成會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化，主要體現(xiàn)在控制幀數(shù)量的增加和數(shù)據(jù)幀數(shù)量的減少。這兩個(gè)變化，導(dǎo)致了更多的發(fā)送機(jī)會(huì)（TXOP），但是其中真正用于傳輸有用數(shù)據(jù)的卻不多，因此導(dǎo)致了高密度環(huán)境下的Wi-Fi性能快速下降。

　　多終端接入的優(yōu)化

　　根據(jù)前面的分析，高密度多終端接入的性能優(yōu)化可以有針對(duì)性地從以下幾個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化：

　　通過(guò)合理的信道和功率規(guī)劃，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的射頻優(yōu)化功能，降低每個(gè)信道的并發(fā)終端數(shù)量；

　　盡量減少不必要的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，減少TXOP就可以減少與之相關(guān)的幀間隔時(shí)間和沖突退避時(shí)間，降低802.11性能開銷；

　　在確?？煽總鬏?shù)恼{(diào)節(jié)下，盡量提高管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀的傳輸速率，降低管理幀/控制幀對(duì)空口資源的開銷。

　　通過(guò)這幾方面優(yōu)化過(guò)的高密度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域能大幅度提高用戶使用體驗(yàn)。

　　本文對(duì)無(wú)線網(wǎng)在高密度多終端接入環(huán)境下，對(duì)影響Wi-Fi性能的主要因素進(jìn)行了分析與討論，從而總結(jié)出具體的優(yōu)化方向。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋密度不斷增加的趨勢(shì)下，通過(guò)這些具體優(yōu)化方向可以對(duì)不同多終端接入環(huán)境下的Wi-Fi性能作針對(duì)性地優(yōu)化調(diào)整，從而能大幅度提高優(yōu)化區(qū)域Wi-Fi性能，給用戶帶來(lái)更好的無(wú)線體驗(yàn)。