北京大學醫學部校園WLAN的部署及優化


隨著信息技術的發展和網絡應用的普及,基於校園網絡的信息服務已融入學校的各個領域,人們對信息網絡有了隨時隨地的需求。無線網絡技術經過一代一代的技術演進,已能實現千兆的接入帶寬,並且在安全管理和對關鍵應用的支持能力上有了很大提高。

無線終端的普及和新的應用模式的推廣使得用戶對無線網絡越來越依賴,無線網絡在給人們帶來便利接入的同時,也給網絡部署、網絡應用、網絡管理帶來新的挑戰。頻譜資源限製、射頻幹擾、用戶競爭經常會帶來無線網絡整體性能的下降。在北京大學醫學部校園WLAN的部署實踐中,我們也麵對同樣問題。通過對問題逐個分析,查找內在原因,有針對性提出了優化方案。

一、無線網絡方案選擇


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技術標準

北京大學醫學部無線網絡建設采用新一代WLAN802.11n/802.11ac標準,向下兼容原802.11a/b/g標準產品,可工作在2.4G/5G雙頻模式。802.11n/802.11ac標準依靠對物理層和MAC層的技術改進,實現了吞吐性能和信號覆蓋效果的大幅提升。

802.11n/802.11ac采用OFDM、MIMO、信道捆綁、ShortGI、FEC、幀聚合、Block確認等關鍵技術提高傳輸性能。擴頻調製技術OFDM將信道分成多個子信道並行傳輸,將子信道的數量提升至最高64個;依靠先進的數字調製技術,引入256-QAM的無線標準,提高編碼效率;采用多信道捆綁技術提高RF頻寬,將原來20MHz頻寬提升至802.11n最高40MHz、802.11ac最高160MHz,大幅度提高了傳輸帶寬;同時,將波束成型正式納入標準,在特定方向集中射頻能量,提高了終端設備的傳輸效率,進而提高整個係統吞吐量。

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部署策略

(1)頻段特點

2.4G頻段信號覆蓋範圍相對大,設備使用多,同頻/領頻幹擾大。現網2.4G用戶多,易產生幹擾,隻部署20MHz頻寬。

5G頻段現網使用設備少,頻段幹淨,信號覆蓋範圍相對小,可用40-80MHz頻寬部署,引導用戶優先連接5G頻段。

(2)單、多空間流

多空間流效果要普遍高於單空間流,部署時將AP設置為自適應模式,AP根據終端支持能力自動選擇單流、雙流、多流模式。

(3)兼容性選擇

802.11n、802.11ac可兼容a/b/g模式,部署時須考慮用戶終端的支持能力,采用802.11ac/n/g/a混合模式。

(4)無線覆蓋

學生宿舍、辦公室、會議室、教室采用室內覆蓋方式,將AP放置進屋;室外空曠場地采用室外覆蓋方式。AP布置數量依據不同的建築麵積、建築結構和材料、人員密度分別設計。做到每一樓層無信號盲區,重點區域滿足95%區域信號強度≥-65dBm。

二、問題分析


新一代WLAN物理速率802.11ac標準可達1.3Gbps,802.11n標準可達450Mbps,但在校園實際應用場景中,經常會遇到這樣的問題:網絡不穩定,時好時壞;信號很好但連不上,連上後經常掉線等等。針對這些問題要從物理連接和數據應用兩方麵進行分析,分析影響WLAN速率的主要因素。

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影響WLAN速率的主要因素—信道競爭

WLAN由於是共享介質,采用CSMA/CA機製來解決終端衝突問題。終端在發送數據前首先監聽信道,如果信道空閑,則隨機退避一個時間,如果這個時間內沒有其他終端搶占信道,終端等待完後可以立即占用信道並傳輸數據。由於底層監聽空口信號不準確,存在隱藏節點、暴露節點問題,通過RTS/CTS信道預約機製來盡量避免衝突,但又增加了額外的開銷。

由於WLAN傳輸機製造成理論上信道吞吐量最高隻有物理速率的50%左右,終端越多,則衝突規避開銷越大,信道可用帶寬越低。

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影響WLAN速率的主要因素—傳輸損耗

無線信號穿過空間、障礙物會衰減,功率下降。傳輸距離的遠近決定信號衰減大小,距離越遠,損耗越大,接受電平越小,與AP協商的速率是逐級下調的。終端無線網卡協商速率是由接受電平、誤幀率和時延相決定。

同層的傳播模型路徑傳播損耗公式為:(半開放環境)

P(2.4G)=46+10*2.7*logD(米)

P(5.8G)=56+10*2.7*logD(米)

其中,D為傳播路徑,n為衰減因子。對於全開放環境下n的取值為2.0~2.5;對於半開放環境下n的取值為2.5~3.0;對於較封閉環境下n的取值為3.0~3.5。

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影響WLAN速率的主要因素——信道幹擾

信道的帶寬是一定的,同一個信道內AP越多,同頻、臨頻幹擾越嚴重,每個AP的帶寬就越低。相互幹擾的終端、AP都占用同一個信道,大大影響設備傳輸速率。

當環境中幹擾出現時,AP吞吐量有明顯的惡化。信道被大量的數據幀所占據,則別的數據幀的傳輸會因為信道被占,而不斷退避,當持續退避一定次數後,則出現丟包,繼而掉線。

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影響WLAN速率的主要因素——低速終端的加入

802.11n/ac設備如需兼容802.11a/b/g用戶,需要工作在混合模式。當有802.11a/b/g用戶接入後,接入點需開啟保護機製來保證與不同模式用戶的正常通訊。開啟保護機製會帶來額外的開銷,降低傳輸效率。

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影響WLAN速率的主要因素——終端應用

在網絡傳輸過程中,傳輸的報文越小,實際帶寬利用率越低,相應傳輸速率也越低。 

三、網絡優化


通過對問題的分析,在部署實施中,要針對WLAN的具體特點,結合具體場景,重視WLAN的優化調整,這樣才能提升WLAN係統容量,降低幹擾影響。特別是在高校WLAN中,網絡幹擾源多、用戶密集、應用複雜多樣。針對信號側、數據側、終端側存在的問題,必須采取多種技術手段,優化WLAN網絡,以提高網絡性能和用戶感知度。

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信號側優化

(1)覆蓋優化:將AP盡量靠近用戶,AP入室布放,調整位置及天線角度,將重點區域信號強度提高到-50dBm至-65dBm。

(2)信道優化:采用蜂窩部署、立體規劃,盡可能選用無幹擾信道。

(3)功率優化:在提高密度的基礎上,為降低幹擾,合理降低AP功率,天線下信號強度控製在-40dBm左右,同信道AP互相可見功率控製在-80dBm以下。

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數據側優化

(1)廣播抑製:開啟無線用戶二層隔離功能、阻斷無用的廣播、組播包,減少非必要的廣播報文對空口速率的影響。

(2)合理限速:控製大流量用戶,公平使用網絡,製定限速策略:20Mbps/每人。

(3)應用管理:限製BT、網遊等小數據包應用,提高信道綜合利用率。

(4)控製報文:調整Beacon幀的發送時間(由100ms調整到160ms),減少管理報文的發送數量。

(5)關閉低速率:低速率連接會大大消耗空口資源,關閉802.11g的1、2、6、9Mbps四個低速率應用,提高整個WLAN網絡處理能力。

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終端側優化

(1)頻段優化:鼓勵用戶使用雙頻網卡,引導、培養用戶使用5G頻段。

(2)負載均衡:開啟“ClientMatch”功能,在用戶漫遊和RF環境變化時動態優化客戶端性能,調節用戶與最優的AP關聯,減少用戶粘連。

(3)終端優化:手動選擇終端的關聯模式,調整信道、頻寬、電源管理等設置,使其與AP的關聯效果最佳。

四、總結


北京大學醫學部校園WLAN建設,使網絡覆蓋了醫學部任意空間,全麵支撐數據傳輸、無線語音、無線多媒體、移動計算等校園綜合業務,為迎新係統運行、慶典視頻直播等關鍵業務運行提供了強有力的保障。

無線網絡優化是WLAN網絡建設中一個重要的環節。在網絡建設初期,經常通過增補AP來增強信號覆蓋,但AP部署越密集,幹擾越大,係統容量反而下降。這時,需要通過功率調節、頻率分配、站點參數調整等方法來優化無線網絡性能,提高通信質量。

同時,校園WLAN是一個動態多變的網絡環境,網絡優化不是一蹴而就的事情,必須配合日常的維護實現,在部署上努力使WLAN適應用戶,同時逐步引導用戶適應新型校園無線網絡。

(作者:尹憶民 郝宇紅 孫浩誌 趙雪捷 種連榮,北京大學醫學部信息通訊中心。本文選自《中國高等教育學會教育信息化分會第十三次學術年會論文集》。)

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