提升Wi-Fi速率的方法有哪些

Posted 2022-11-23 苏导

“ 上一篇文章以实例梳理和介绍了Wi-Fi的速率的情况，对比说明了真实速率和宣称速率的差别，这一篇文章将从技术的角度分析实际影响Wi-Fi传输速率的因素，以及对应的优化方法。”

 

PHY（物理层）速率是一个理论极限速率，在某个时刻或许可以达到，但不可能持续保持该速率，因为要考虑实际使用场景的各种因素，如下对这些造成WiFi速率损失的因素，以及技术或使用上的优化方法进行说明。

01

Wi-Fi速率降低的因素

管理帧发送

• 管理帧发送必须于最低速率发送：需要确保所有版本的协议的WiFi设备能接收到，比如一个很早期的设备，也能够收到并识别该帧，这个最低速率为：

• • 2.4GHz频带：1 Mbps

  • 5GHz频带：6 Mbps

半双工

WiFi没有独立的下行频带和上行频带(Ethernet是全双工的，可以同时收和发)，所有WiFi设备工作于某个信道，必须按照顺序进行发送和接收。另外发送时还会使用CSMA/CA(载波侦听多路接入/冲突规避)机制，任何一个设备在发送数据之前，都需要有时间消耗在侦听当前的频谱是否可用上。

IFS帧间距

每次WiFi发射前，需要在频谱上有一个空闲的间隙，WiFi有多种不同的IFS，IFS的用途是调节会话流，以及为某些类型的传输提供优先级。

PHY Signaling

无线通信都必须做同步，以获得可靠的帧接收。PHY Preamble（报头，一串bit流）就是用于此功能的。Preamble之后的PLCP Header将下一帧的属性传递给接收方，以便接收方知道该如何处理数据。比如人与人之间进行语音传递，Preamble和PLCP就好像说话者说:“你好，我准备说点什么。我要用20秒的时间说完，而且我会说得很快，所以请听好了”。

MAC Header

MAC层Header用于协商某些支持(或不支持)的特性和功能，这部分并非用户应用想传输的数据，因此是传输开销的一部分。在数据帧中，MAC报头非常小(通常以很高的数据速率传输)，几乎不能算作开销。在其他的帧如802.11 Beacon帧中，开销比例相对要大。

Guard Interval

每个802.11符号（modulation）之间，必须有一段quiet period，称为Guard Interval(GI)，在无线介质上允许先前的符号“稳定下来”。没有Guard Interval，一个符号可能会干扰先前的符号(Inter-synbol Interference)。Wi-Fi的正常保护间隔设置是800ns，也会看到有400ns，在802.11ax中还会有1600ns, 3200ns，和调制时的编码效率相关。

Acknowledgement（应答）

无线通信本身具有不可靠和有损的特性，许多类型的帧传输都需要确认。Acknowledgement本身就是开销(不传输有用数据)，而且它们还需要额外的帧间间隔(即SIFS)。

Fragmentation（分片）

有效Payload较小的帧本身并非开销，开销在于其对无线媒介的低效使用。联盟规范中允许Frame Fragmentation（帧分片）的设计，其目的是将帧变得更小，以便尝试在嘈杂干扰的环境中减少冲突(较小的帧受干扰可能性小)。Frame Fragmentation目前用得很少，因为它增加开销的坏处大于它带来的好处。

Protection Mechanism（保护帧机制）

不兼容的PHY版本之间(如802.11b和802.11g)需要保护帧才能实现共存。保护帧通常在数据传输之前通过RTS/CTS交换或CTS-to-self帧来实现。还可以使用其他类型的保护帧(针对802.11n)。除了使用这些帧交换来进行保护之外，在其他时候(例如存在隐藏终端时)，还可能被用来尝试改善整个网络的健康状况。这些保护帧本身是不传输有效用户数据的，过多的使用也会造成用户有效速率降低。

Random Backoff（随机退避）

WiFi为了避免干扰，但又需要让自己还能有机会将数据发射出去，WIFI设计了随机的Backoff机制来使用信道的频谱，需等待WIFI信道满足随机的Backoff时间内保持空闲，再尝试去发送数据。同时该机制也可以协助达成QoS优先次序机制。Random Backoff时间代表了n个"slot"，这个Backoff时间内无线信道必须空闲。

Retransmission（重传）

当发送的帧未被预期的接收方正确接收(或未被确认)时，可能需要重传。多次传输同一个帧是明显的开销来源。当帧排队等待重传时，其他开销来源(如Random Backoff、IFS等)也会重复。

Interference（干扰）

干扰可以来自802.11和非802.11的射频干扰。WiFi使用CCA(Clear Channel Assessment)机制来监测当前信道是处于“繁忙”还是“空闲”，当监测到当前信道的干扰大于某个阈值时，就会等待而不发送数据。

终端隐藏

WiFi终端隐藏，如下图所示

当出现WiFi终端隐藏问题时，上图中A和B都有数据发送给AP，即使使用了RTS/CTS保护帧，但是因为距离原因A和B互相无法听到而起不到作用，最终A和B还是会同时发射数据，导致频谱冲突，最终造成A和B发送的丢失和重传。

02

Wi-Fi速率优化的方法

Interference（干扰问题）的解决

从干扰消除的角度处理。

• 非802.11干扰：只能找出干扰源并将其关掉，比如像微波炉等设备

• WLAN干扰：尽量减少和其他Wi-Fi设备相互的无线介质的冲突，可通过AP位置和信道调整、传输功率设置、不必要的多余Wi-Fi设备关闭等来减小干扰。

控制必要的功能

大多数开销无法消除，如IFS、Random Backoff、PHY signaling和MAC Header。

但有一些减少这些必要功能影响的方法：

• 当STA接收到带有CRC错误的帧时，会产生一个超长帧间空间(EIFS)。尽量减少干扰可以使EIFS更短。

• 802.11b除了在MAC Header和有效Payload上使用低的PHY速率外，为了与802.11b兼容，像802.11g也得使用相当长的PHY Signaling(PHY Preamble和Header)，其速率只能保持在和802.11b兼容的较低速率上。这里可行的解决方案是关闭802.11b（一般在路由器设置界面里可关掉）。

• 减少MAC(和PHY)开销的一个简单方法是消除不必要的Beacon流。使用动态用户策略分配，而不是使用单独的ssid来分隔WLAN服务。

减少不必要的广播、组播应用

Wi-Fi BroadCast, MultiCast（广播、组播）以低速率模式传输（通过路由器转发），干扰丢失时不会重传。局域网中大量的这类包会影响整个Wi-Fi空中速率。如果没有实际使用需要，可以限制不必要的广播、组播应用的使用，比较常见的此类应用如下：

• Apple: Bonjour

• Cisco: CDP(Cisco Discovery Protocol)

• SSDP: Simple Service Discovery Protocol

Short Guard Interval

802.11n的short guard interval是400ns，可以提速10%，但是需要避免在高反射率的环境使用（仓库、制造业、工业环境等）。

Frame Aggregation and Block Acknowledgment（帧聚合与块确认技术）

802.11n更好地利用了帧聚合和块确认。早期的WLAN将帧缩小(碎片化)以避免冲突，而现代网络的更高物理速率允许更大的无线帧，这极大地提高了效率。在每个帧中封装更多的上层数据是减少开销的典型例子。如果每个聚合的帧都是独立传输的，那么我们会看到来自IFS、Backoff、PHY信号和MAC报头的开销要高得多。当使用帧聚合时，也会同时使用块确认功能。通过使用ack位图来表示对多个帧的成功接收的统一回应，而不是为每个接收帧发送单独的ack，从而提高了效率。在大多数情况下，启用帧聚合将产生显著的速率改进。如果有配置选项，选择A-MPDU而不是A-MSDU。

Protection Mechanism（保护机制的适时使用）

以前的技术需要更多的时间来处理PHY信号，除了自身处理速度比较慢，传统的WiFi终端还要求效率更高的终端来保护自己的数据传输，从而阻碍整体速率的进一步提升。通过分析保护帧的格式(比如RTS和CTS)，会发现它们在MAC层实际上非常小。但是查看一下PHY层的格式，会看到实际的RTS/CTS交换需要较长的时间，这是因为PHY Preamble和PLCP头的耗费，同时还必须考虑一到两个SIFS，这就是启用保护机制的弊端。那么解决方案就是在业务场景允许的情况下摆脱旧的(特别是802.11b和更早的)WiFi终端，如果无法摆脱，那么最好的办法就是使用空中射频资源公平竞争机制，这样可以让更新的技术占据优先级而获得更快的传输效率。不过这种处理方式还是有弊端的，也不能说在任何时候都废弃使用保护功能，例如空间中本身存在着大量的干扰，且对性能造成了明显的影响，那么启用RTS/CTS或CTS-to- self也是有效果的。

Retrie（重试）尽量降低

在出现干扰的情况下，重试一般是网络的主要开销来源。重试通常由干扰引起的接收错误导致，当然也还有许多其他原因。对于重传，最大的弊端是，第一次(失败的)尝试已经耗费了一些时间，第二次尝试需要消耗更长的回退周期，而重传常常同时会导致速率转移(从更高的数据速率切换到更低的数据速率)，用于提高可靠性。在空间实际部署网络和校验性能后，应该要确定好重试的基线。重试的目标一般是要少于10%，但也根据应用场景来定，比如哪些业务数据是必须可达要重试的，哪些是允许丢弃的，并且确保用户体验的前提下确定重试率。部署网络之后，且确定了重试目标，那么要通过提高信噪比和减少干扰来减少重试，使其降低到预期目标内。具体的方式可以是适当的调整AP的位置、信道的设置、天线和功率输出设置等。

Data Rate（数据速率）尽量使用高速率模式

数据速率的支持是无线局域网设计中的一个热点问题。前面有稍微讨论802.11b，会让网络工作于低速率，如果必须保留802.11b的WiFi终端，可以考虑禁用对1 Mbps和2 Mbps的支持。当BSS必须使用较低的数据速率时，大量的空中广播时间会被消耗掉，因为所有终端必须“接收”这些低速帧，因此禁用1 Mbps和2 Mbps是非常常见的一种手段。如果不支持802.11b，甚至可以禁用对6 Mbps的支持(或12 Mbps)，让12 Mbps(或18 Mbps)成为最低速率。当然在高速率要求的应用中会这样做且做的极端点，但较低的速率还是有利于提高传输可靠性的，所以面向的场景不同，这些方法需要综合考虑再使用。

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