微创新-WLAN隐藏节点问题研究资料

1、WLAN隐藏节点问题研究一、引言802.11使用的是时分复用机制，某一时刻只有一个终端或 AP在发送数据， 此时，其他终端和AP均处于空闲监听状态。这就要求同频 AP间或同一 AP不同 终端间，能够监听到对方状态，从而避免同一时间发起数据传输请求造成的冲突。 然而，在建设过程中，由于 AP覆盖范围过大或建筑物阻挡，AP或终端间可能无 法监听到对方状态，这就是“隐藏节点”问题。、原因分析及典型场景1、无线传播中的部分参数在以太网络中，工作站是通过接收传输信号来行使 CSMA/CD勺载波监听功 能。物理媒介线路中包含了信号，而且会传输至各网络节点。无线网络的界限比 较模糊，有时候并不是每个节点都可

2、以跟其他节点直接通信。如下是无线传播中 的部分参数：传输范围（TX_range）可以成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无 线电波传输特性。物理层侦听范围（PCS_range：）可以检测到该传输的范围，取决于接收器 灵敏度和无线电波传输特性。干扰范围（IF_range）:在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接 收端的接收并导致丢帧。图1发送和接收范围2、WLAN勺信道竞争机制一信道抢占（1）802.11 使用的是时分复用的机制，在同一冲突域内存在多个用户时， 某一时刻只有一个终端或AP在发送数据，此时其他终端和AP均处于空闲监听状 态。（2）由于AP将与之关联的所有终端进行通信， 所以

3、，在传输过程中会发生 冲突的现象，并且由于远近效应的关系，距离 AP近的终端所发射的信号会把远 处其他终端的信号淹没。 为此， 802.11 采用了 CSMA/C（ACarrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance 载波侦听多路访问 / 冲突避免） 机制来最大限度的 避免冲突问题。（3）802.11 假定发送的报文都会产生冲突，也就是发送的每个报文都需要 进行随机退避，并且将这个随机退避提到了帧发送之前，这也就是载波监听 / 冲 突避免（CSMA/C）机制，即在有数据需要发送时，终端首先监听信道，如果信 道中没有其他终端在传输数据， 则首先随机

4、退避一个时间， 如果在这个时间内没 有其他终端抢占到信道，终端等待完后可以立即占用信道并传输数据。（4）CSMA/CA机制发挥作用的前提是 AP/终端能监听到信道占用情况，当 AP/终端间互相不可见时，无法使用 802.11协议中MAC勺监听机制，AP/终端间 将无法侦测由于对方行为而出现的信道占用， 造成不同AP/终端在同一时间向同 一信道发送数据，导致干扰区内的碰撞率急剧上升， 网络的整体吞吐量急剧下降。3、AP/终端间不可见示例（1）同一 AP下的终端间不可见如图2所示，同一 AP所带两个天线分别覆盖两个区域，两个区域内关联的 终端由于距离较远或者屏蔽较重而互相监测不到信号收发，终端1在

5、向AP发送数据的时候，终端2也可能因为监测不到终端1的发射信号而同时向AP发送数 据，这时在AP侧接收无线信号便形成冲突。（2）同频不可见AP间存在重叠覆盖同频AP间因连接定向天线或者阻挡不能监测彼此信号，且存在交叉覆盖范 围时，在交叉覆盖范围内有终端上网时，同频 AP也互为隐藏节点。如图3所示，两个AP存在交叉覆盖区域，但 AP间无法监测到彼此的信号， 即监测部件（天线）不在另一 AP的覆盖区域内，在交叉覆盖区域内存在用户时， AP因为无法监测另一个AP的信号发送情况而同时向终端发送数据， 在终端侧形 成冲突。图3同频不可见AP间存在重叠覆盖4、隐藏节点典型场景（1）室内分布式系统终端不可见

6、场景分析在现网中采用分布式系统的一些热点中，一个 AP覆盖范围可以达到1至2 个楼面（甚至更多），由于距离过远或者信号阻挡，与AP关联的终端之间有时候不能正常检测到其他终端发出的信息，造成拥塞如图4所示，平层所有房间均使用同一个 AP信号，距离过远的房间内的终 端间容易因房间墙壁阻挡互相监测不到信号，不可见终端同时上网时便会产生大 量冲突，影响整个网络的性能。：i.阴IH1FAKT4-B1FrxiiiiC9iAhTPRIl7AMI3-R3FI乘图4室内分布式系统终端不可见场景（2）大型场馆内同频AP不可见场景分析在一些大型场馆中，WLAN勺频率复用度高。当工作信道重叠（同频）的两 个AP存在交

7、叠覆盖区域（如图5），而两个AP无法侦测由于对方行为带来的信 道占用时，网络的整体性能会急剧下降，处于交叠干扰区内的终端通讯会受到严 重干扰。图5大型场馆内同频 AP不可见场景(3) 室外覆盖情况下同频不可见场景分析现网的小区覆盖中，同一 AP连接多副天线，覆盖范围过大时，会造成终端 间距离过远，受到墙壁、楼板阻挡后，相互间容易监测不到信号，同时上网会造 成AP侧信息冲突，影响整个网络性能。如图 6至8所示。匚工图6单个AP覆盖对面整栋楼图7同一 AP覆盖两侧楼宇图8覆盖范围包含多个建筑物三、影响分析在小型、不太活跃、只有几部客户端共享一个接入点的网络里，很少会有同 时进行传输的情况。而在比较

8、大型的网络环境里，由于覆盖范围内有相当密集的 接入点，所以隐藏节点的存在对于实际应用就有很大影响。在一些高密度覆盖场 所，单个AP下活跃用户超过12个时，会出现一些无线终端业务几乎无法使用的 情况，甚至表现为无法连接问题。通过测试，当两台终端间距离超过3道水泥墙壁或3个楼层，或两台终端位 于不同楼宇时，两台终端就基本不可见，如表 1所示。5M10M15M20M25M30M同一楼层信号强度-38-43-46-48-49-532F信号强度-69-71-73-75-78-803F信号强度:-83-85-88-90-92无信号4F信号强度无信号r无信号无信号”无信号无信号无信号5F信号强度无信号无信号

9、无信号无信号无信号无信号6F信号强度 :无信号:无信号无信号1无信号无信号无信号楼宇外信号强度-81-83-85-88-90无信号表1终端可见性测试注：测试时将一台笔记本作为信号源，设置固定SSID，由近及远地使用另一台笔记本进行测试。两个相邻AP的工作信道相同，当两个AP处于全重叠覆盖状态（如图9）时, 相互间能够侦测对方的行为，此时二者以自由竞争形式占用信道，干扰区内发生 的碰撞现象较少；当两个AP处于半重叠覆盖状态（如图10）时，则无法使用802.11 协议中MAC的监听机制，AP间无法侦测由于对方行为而出现的信道占用，导致 AP在同一时间向同一信道发送数据，造成干扰区内的碰撞率急剧上升

10、，网络的 整体吞吐量急剧下降。图9全重叠覆盖状态图10半重叠覆盖状态AP1与AP2处于半重叠覆盖状态，工作模式设定为 802.11g模式，工作频点 设定为11,终端1与终端2处于干扰区，如图11所示。测试中，改变AP2的物理位置，使AP1与AP2由半重叠覆盖状态转变为全重 叠覆盖状态（如图12所示），测试网络的整体吞吐量。（AP1在终端1处的信号 电平为-60dBm AP2在终端2处的信号电平为-60dBm）当两个AP处于半重叠覆盖状态时，干扰对网络的影响最大，网络的整体吞吐量仅为6.5Mbps左右。而当两个AP的位置处于全重叠覆盖状态时，借助于MAC 层的监听机制，网络的整体吞吐量上升至13

11、.2Mbps左右。由此可见，AP间同频不可见对网络性能的影响远远大于同频可见情况。隐 藏节点会导致网络吞吐量下降50-60%。四、解决方案建议开启RTS/CTS功能，或者控制AP覆盖范围以解决“隐藏节点”问题。1、开启 RTS/CTS功能（1）RTS/CTS*议的原理图13 RTS/CTS*议原理图如图13所示，终端1欲向AP发送数据，必先发送RTS帧提醒AP,随后AP 应答CTS阻止在AP覆盖范围内的所有站点发送数据（但不包括终端1）。当终端2收到CTS后,不再向AP发送数据而避免了冲突，即：在AP周围的所有终端 中，只有终端1能发送数据，这样就有效避免了隐藏节点的问题。（2）开启RTS/C

12、TS功能的适用性及注意事项当“RTS阈值”设置为默认值2347时，将禁用RTS/CTS如果设置为0, RTS/CTS 机制将应用于所有的数据包。如果设置为 0-2347之间的某个值，访问点将对大 于或等于指定大小的数据包使用 RTS/CTS机制。经调查，部分厂家AP缺省启用RTS/CTS机制且触发门限设置较大（如2347）， 即对大于门限的发送报文启用 RTS/CTS机制；但在 WLAF*议中，RTS/CTS机制 都是设备在发送的时候决定的，例如AP要发送报文的时候会判断是否发送RTS/CTS无线网卡发送报文的时候也会自己判断是否发送RTS/CTS在通常的 情况下AP和终端之间是没有相应的协商

13、的。AP配置的RTS/CTS勺门限不会通过Beacon广播给客户端，也就是这个配置 只会对AP发送有效；而具体客户端发送报文是否发送 RTS/CTS只有客户端自 身的驱动或者配置能够决定的。在隐藏节点比较多的情况下，调低RTS门限可以提高吞吐量，在没有隐藏节 点的情况下，调高 RTS门限值，可以提高吞吐量。实际应用中应谨慎设置RTS阈值的大小， 因为如果将该阈值降低过多， 可能会为网络引入更多延迟 （这是由 于请求发送增加过多，以至于共享介质的保留更加频繁） ，会对吞吐量造成负面 影响。一般情况下不建议更改默认 RTS 阈值，如果需要更改 RTS 阈值，请进行 渐进式调整， 每次降低一点。 每

14、次更改后， 等待足够长时间以确定网络性能是否 改善，然后再继续调整该阈值。2、控制单AP覆盖范围从同频不可见的典型场景可以看出，造成同频不可见的原因主要是AP的覆盖范围过大，特别是采用室外覆盖时， AP 覆盖范围的广泛性直接造成大量的同 频不可见状况。对于室内覆盖，建议将容量作为首要考虑因素。大型场馆内应缩小干扰 AP 的覆盖范围，牺牲少量的覆盖范围以换取整体网络性能的提升； 采用分布系统的， 应控制单AP覆盖范围，杜绝单AP跨楼覆盖现象。对于室外覆盖，应尽量缩小AP的覆盖范围，控制小区覆盖中同一 AP所带天 线覆盖多个楼宇的现象（如楼顶1个AP带2个天线覆盖2栋楼；路灯杆覆盖前、 后两栋楼），基站类覆盖方式则应控制AP带的天线个数。在同一室外区域部署多 个AP时，应充分协调频率和覆盖范围，降低 AP发射功率，调整天线的方向、俯 仰角，以避免同频AP交叉覆盖。从以上分析可知，造成隐藏节点的原因主要是 AP覆盖范围过大，因此应合 理控制AP覆盖范围。相关建议如下：控制单AP覆盖范围，保证覆盖范围内终端互相可见；对于室内覆盖，杜绝单AP跨楼覆盖现象；对于室外覆盖，需注意AP覆盖范围与性能的平衡，杜绝同一 AP所带天 线覆盖多个楼宇的情况，建议室外 AP每射频最多带2个天线。五、总结与后续建议本研究深入分