運營級WLAN網絡的隱藏節點問題

薛強，馬向辰，于曉冰

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

目前，中國各大通信運營商都加大了WLAN網絡的建設力度；WLAN迎來了前所未有的高速發展機遇，但同時也面臨著許多新的挑戰。本文將討論運營商在部署大規模WLAN網絡時所遇到的隱藏節點問題，藉此希望引起關注并推動該問題的解決。

本文首先介紹隱藏節點定義并分析其產生的原因，接著分析在WLAN實際部署場景中隱藏節點帶來的影響，進而提出解決問題的思路。

1 隱藏節點產生的原理

隱藏節點（hidden node）是指在無線局域網中，若存在A節點可以被B節點探測到，但是卻不能被與B節點通信的C節點探測到，那么A節點對于C節點來說就是一個隱藏節點。

如圖1所示，B既在A的覆蓋范圍內、也在C的范圍內，但是A和C不在相互的覆蓋范圍內。所以，當A向B發送數據時，C并不知道A正在發送數據，所以如果這時C也發送數據，便會在B節點產生沖突，即造成節點B無法解析A或C發送的任何信息，這就是隱藏節點問題。

圖1 隱藏節點示意圖

2 隱藏節點對運營商WLAN網絡的影響

在傳統的家庭級或企業級WLAN應用環境中，由于AP覆蓋范圍小，WLAN隱藏節點的問題并不十分突出；即使存在隱藏節點，由于網絡容量壓力較小，用戶一般情況下也不會明顯感知其帶來的影響。

但是在大規模部署運營級的WLAN網絡時，由于覆蓋范圍的擴大、網絡容量需求的提高，隱藏節點帶來的影響越來越顯得不可忽視。

運營商WLAN網絡根據部署方式的不同可分為幾種場景，而每種場景下隱藏節點的影響也有所不同，所以下文將分別討論。

2.1 室內獨立放裝方式

室內獨立放裝建設方式是在目標覆蓋區域或目標覆蓋區域附近直接部署AP，AP通過其自帶天線實現WLAN覆蓋。如圖2所示，AP可以部署于房間內部、走廊或其它便于安裝和覆蓋的區域。

在場景（a）中，AP的覆蓋范圍相對較小，每個AP下的用戶相隔較近、阻擋也較少，用戶之間能夠互相發現對方，所以在這種場景中，基本不存在隱藏節點問題。在場景（b）中，用戶之間可能存在一些阻擋，所以在這種場景中，會存在一些隱藏節點問題；當用戶較少、網絡壓力較小的情況下，隱藏節點帶來的影響也會較小。

2.2 室內分布系統合路方式

室內分布系統合路是將WLAN信號通過合路器與GSM/TD共室內分布系統，各系統信號共用天饋系統進行覆蓋。如圖3所示，AP安裝于弱電井，通過合路器、功分器、耦合器等將信號均勻分布到各個房間，從而實現WLAN對整個樓層的覆蓋。

在這種場景下，一個AP可以覆蓋一層甚至幾層樓。由于墻體等的阻擋，相當多的用戶之間相互不可見，于是將存在較多的隱藏節點；在網絡負荷比較重的時候，隱藏節點帶來的沖突就會非常明顯，將大幅降低網絡的實際容量。

2.3 室外建設方式

室外建設方式包括：室外獨立放裝、室外分布系統合路和Mesh組網等方式。這幾種方式都是通過在室外架設AP及天線，實現對室外或室內區域的覆蓋。如圖4所示，AP通過連接架在室外的天線，可以覆蓋樓宇或者廣場。

當采用室外建設方式覆蓋樓宇、地形復雜的街區等場景時，AP的覆蓋范圍比較廣，且用戶之間由于阻擋、或長距離的傳播損耗原因，使得很多用戶相互不可見，隱藏節點問題也將十分突出。

圖2 室內獨立放裝

圖3 室內分布系統合路

圖4 室外建設

當采用室外建設方式覆蓋面積較小、較空曠的廣場時，用戶之間阻擋較小，產生隱藏節點的概率較低；但若用戶密度過大、存在阻擋時，則依然可能存在隱藏節點問題。

上述3種場景是運營商最常使用的WLAN部署方式，從分析可以看出，室內分布系統合路和室外建設兩種場景下，比較容易出現隱藏節點問題，在用戶較多的情況下，可能對網絡吞吐量造成明顯的影響。

3 隱藏節點測試結果

為測試驗證隱藏節點的影響，選取某室外存在隱藏節點的場景進行了測試。如圖5所示。

圖5 隱藏節點測試場景

場景中樓頂建設有室外型AP，選取測試點A、B點互為隱藏節點，A、B處放置筆記本終端，測試時終端與AP之間運行吞吐量測試軟件。A點、B點的終端單獨運行以及兩點處終端同時運行的吞吐量如表1所示。

從測試結果可以看出，A、B點終端同時運行時，由于存在隱藏節點問題，所以吞吐量較A點或B點的終端單獨運行時低：其中下行吞吐量下降幅度較小，上行的吞吐量下降非常明顯——這可以從隱藏節點產生的原理分析得到，如圖1中終端A、C同時向B發送數據（即上行）時，會產生沖突，造成數據無法被解析，吞吐量大幅下降。

表1 隱藏節點測試結果

4 隱藏節點問題的解決思路

4.1 RTS-CTS機制

IEEE 802.11采用CSMA/CA協議，通過載波偵聽/沖突避免機制為各個設備分配信道。為解決隱藏終端問題，IEEE 802.11協議包含了RTS-CTS 4次握手機制，包括RTS-CTS-DATA-ACK 4個過程，該機制工作步驟如圖6所示。

（1）源站在發送數據幀之前，首先發送一個RTS（Request to Send）幀預約信道，要求接收到這一消息的除目的站外的其它工作站停止發言；

（2） 目的站收到后，回復一個CTS（Clear to Send)幀，為源站預留帶寬同時通告所有站點（包括隱藏的）保持靜默；

（3）源站開始發送DATA幀；

圖6 RTS-CTS握手機制

（4）目的站回復ACK進行確認。

由于RTS和CTS長度很短，其本身沖突的概率減少，因此RTS/CTS機制可以有效運行。但整個RTS/CTS 傳輸過程會增加管理幀的數量，且幀間延遲也會消耗一定的資源，因此RTS-CTS的不恰當使用可能會降低網絡效率。

4.2 參數優化

雖然WLAN的AP及終端設備均支持RTSCTS，且該功能默認開啟，但其開啟的門限值缺省值為2347byte；由于大多數的以太網幀長度小于上述值，使得RTS-CTS實際上基本沒有發揮作用。

用戶可以通過調整RTS 門限值來控制RTS-CTS流程：只要大于此門限值，就會進行RTS-CTS交互；小于此門限值則會直接傳送數據幀。

在運營商建設的網絡中，AP的管理較容易實現，可以根據需要調整RTS-CTS門限值。而多數終端上沒有開放該參數的修改權限，用戶一般也不會主動修改相關參數；但是，可以通過安裝具有調整RTS-CTS參數功能的客戶端軟件實現相關門限的調整。

下面對在AP和終端上修改RTS-CTS門限的效果進行討論。在運營商建設的網絡中，AP與AP之間、終端與終端之間不通過無線信道直接通信，因此，網絡中只存在互為隱藏節點的多個AP、或互為隱藏節點的多個終端，而不存在AP和終端互為隱藏節點的情況。下面就針對這兩種情況進行分析：

（1）AP互為隱藏節點：AP的數量相對較少，且AP發射功率大、接收靈敏度高，所以這種情況出現的概率較低。而且，在運營商建設的WLAN網絡中，多數時間內，終端僅與一個固定的AP關聯并通信；終端僅在初次關聯或切換時才可能與多個AP通信，這進一步降低了AP互為隱藏節點的概率；

（2）終端互為隱藏節點：終端的數量相對較多、發射功率小、接收靈敏度低，且終端較為分散，在室外建設和室內分布場景中相互不可見的概率更高。

因此，實際網絡中隱藏節點影響更多的是上行數據通信，即終端向AP發送數據。所以，AP的RTS-CTS門限調整效果有限，終端側相關參數的優化更為重要。

此外，由于采用RTS-CTS保護會增加信令開銷，所以開啟RTS-CTS的場景也需要正確選擇：

（1）在采用室內獨立放裝方式建設，且用戶數量少、單AP下用戶較為集中的場景下，不建議開啟RTSCTS機制；

（2）在采用室內分布系統合路和室外建設、且用戶較多的場景下，建議開啟RTS-CTS機制。

4.3 網絡規劃

除上述手段外，在網絡規劃中，也可以通過合理的設計，在一定程度上減少隱藏節點的數量：

（1）控制每個AP的覆蓋范圍，避免單個AP關聯用戶過多；

（2）合理規劃AP覆蓋邊界，減少每個AP的覆蓋范圍內的隔斷、阻擋的數量。

但規劃手段只起輔助作用，在條件具備的時候，還應主要依靠RTS-CTS參數的合理設置來減少、避免隱藏節點對網絡的影響。