微创新-WLAN隐藏节点问题研究

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。

二、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 的载波监听功能。

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的信道竞争机制—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，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/CA（Carrier 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/CA）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的监听机制，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。

图2 同一AP下的终端间不可见（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。

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的频率复用度高。

当工作信道重叠（同频）的两个AP存在交叠覆盖区域（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。

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。

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，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。

图11 整体吞吐量6.5Mbps左右图12 整体吞吐量13.2Mbps左右测试中，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13.2Mbps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协议的原理图13 RTS/CTS协议原理图如图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/CTS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WLAN协议中，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的。

AP配置的RTS/CTS的门限不会通过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析了WLAN网络特有的隐藏节点机制产生原理，阐明了隐藏节点对于网络吞吐量性能的影响(下降50%-60%)，并结合现网实际情况，分析了容易出现隐藏节点问题的典型场景，明确了相关注意问题以及规避措施。

为充分发挥WLAN网络的自身优势，应结合隐藏节点问题的规避建议，从设计审核阶段进行要求，杜绝不合要求的设计，从源头上杜绝该问题。

同时在维护和优化过程中，对覆盖范围过大的AP进行优化整改，应该意识到对于WLAN而言，覆盖与容量是一对矛盾，需综合考虑。