電子書包場景下多用戶性能自適應優化方法研究

摘? 要：文章通過集成處理無線環境評估、最優信道選擇、5G終端個數引導式收集、頻段自動切換、自適應限速等措施，提升了電子書包場景下多用戶的總體性能，同時也改善了多用戶的均衡性，且實際測試數據與理論分析的結論可以相互印證，最終實現了電子書包場景下實現自適應配置優化的目的，降低配置難度，做到非專業人員也可自行實施的效果，同時進一步提升應用體驗。

關鍵詞：電子書包;無線多用戶;自適應優化

Abstract：This paper improves the throughput of WLAN multi-users in the e-book package scenario by integrating measures such as wireless environment assessment，optimal channel selection，5G terminal number guided collection，automatic frequency band switching，and adaptive speed limit. At the same time，it also improves the multi-users performance Balanced，and the actual test data and theoretical analysis conclusions can be mutually confirmed，and finally achieve the purpose of achieving adaptive configuration optimization in the e-book package scenario，reduce the configuration difficulty，and achieve the effect that non-professionals can also implement themselves，while further improving application experience.

Keywords：e-book package;WLAN multi-user;self-optimization

0? 引? 言

銳捷網絡“One Class One AP”的電子書包無線網絡解決方案，專門針對學校電子書包應用場景，在一間教室里只需要部署一臺電子書包專用AP，如RG-AP730（TR），就可以完成全班師生約60個無線終端用戶的網絡接入和移動等需求，同時配合學校的有線網絡和統一認證系統，共同構建一個安全、可靠、高效、移動、互聯的無線網絡。

但是，在實際使用中，還是出現了一些問題，如威海某中學電子書包應用、動畫、視頻同步廣播慢、卡，無法提交作業，再如香港某中學電子書包場景使用，超過連接35個用戶觀看本地視頻，平板出現轉圈，沒有辦法完成正常的教學任務。通過現場的故障分析，我們發現，支持5G的終端關聯到2G射頻導致2G性能低下而5G射頻資源相對空閑、多用戶流量不均衡導致使用體驗不好、客戶配置專業性要求高導致優化配置無法真正落地是三個主要原因。

1? 場景分析

1.1? 有線與無線區別

無線射頻中有2G頻段和5G頻段的區別，2G互不干擾信道少，較易受到無線環境中各種無線射頻的干擾，5G互不干擾信道多，可以較好地規避其他無線射頻信號的干擾，能夠保證較好的數據傳輸，保證業務流暢。同時，5G目前支持的IEEE 802.11ac協議極大提升了帶寬與協商速率，為大吞吐的業務應用提供了基礎性保證。RG-AP730（TR）產品在這方面有天然的優勢，其內部集成3個射頻卡，一個僅支持2G，一個僅支持5G，另一個支持2G/5G切換，可以根據需要組合成雙2G單5G、單2G雙5G的模式，當其工作在單2G雙5G模式時，2個5G射頻可以分別工作在5.2G頻段和5.8G頻段，獨立不干擾，大大提升射頻穩定性和帶寬資源，滿足業務需求。

1.2? 單用戶與多用戶區別

電子書包場景，從技術根源上分析是一個無線的多用戶場景。

在WLAN中，因為采用了CSMA/CA和DCF的競爭機制，當STA（密集用戶）的數目增加到一定程度時，會使得競爭接入碰撞和隨機退避時間相等的概率大幅增加，導致STA根本無法接入，或者即使接入了，但是可傳輸的機會太少、傳輸速率太低，又或者數據傳輸的誤比特率太高、丟包嚴重。激烈的CSMA/CA競爭主要會產生兩方面的影響，一方面會影響接入，大家誰也上不去;另一方面又會產生太多的碰撞和干擾，阻礙已接入用戶的使用。

實驗室環境下，我們在IEEE 802.11g模式下進行了實際的多用戶吞吐測試，10個用戶的下行總吞吐為19.800 Mbps，20個用戶的下行總吞吐為12.300 Mbps，而增加到50個用戶的下行總吞吐則急劇降低到了5.100 Mbps。

上文描述的問題大致可總結為STA接入問題，而要解決這個問題，主要有兩個努力方向：一是改進DCF+CSMA/CA的隨機退避這種相對比較混亂的接入機制，讓接入更加有序，減少因碰撞而造成的傳輸機會的浪費，同時也盡量維護公平性原則，比如公平調度、WMM優化等，但是這個方向涉及面廣、難度較大，不是一個廠商能夠完成的;另一個是增加接入機會，部署更多的AP，或者在同一個AP上集成更多可以相互獨立工作的射頻模塊，稀釋單個BSS下的STA密度，RG-AP730（TR）產品正是從這個角度出發開發出來的產品，通過在一個AP內部增加一個支持2G/5G切換的射頻來均分無線終端，達到稀釋單個BSS下的STA密度的目的。

1.3? 電子書包多用戶均衡性要求

一個教室內由40～60個終端用戶構成了多用戶場景，存在一個典型的問題就是多類型終端的空口競爭能力不一致，比較典型的參數如WMM、CCA等。當存在某些空口競爭能力特別強的終端，而其他終端的競爭能力相對較弱時，會出現空口資源都被競爭能力強的終端搶占，導致其他終端吞吐被壓得很低，嚴重影響電子書包場景中要求所有終端的業務都需要實時同步的特殊要求。針對競爭能力的差異，通過修改無線配置很難進行規避，需要更高層面的協調機制來滿足多用戶均衡性的要求，比如本文將采用的改進型的基于用戶的限速。

2? 問題分解

針對電子書包這個特殊場景的需求，目前比較主流的方案是使用3頻無線接入點，如銳捷的RG-AP730（TR）、H3C的WA4330，通過增加一個可2G/5G切換的無線射頻模塊，一方面增加終端接入數，另一方面拓寬無線傳輸帶寬，但即使如此，還是存在如下三個問題。

2.1? 射頻資源競爭問題

單用戶數據包傳輸過程中，AP與終端是平等的，利用DIFS時間來進行信道狀態檢測、隨機規避，可根據鏈路情況調整發射時機，避免設備同時競爭產生沖突。

多用戶數據傳輸時，也同樣遵循CSMA/CA機制，但由于終端設備的大量增多，設備間同時競爭產生的沖突就呈幾何級數的增加，出現信道質量變差、數據傳輸卡頓。

射頻資源的競爭直接體現的參數是無線信道利用率，實驗室測試數據顯示，當信道利用率達到90%時，無線報文的丟包率、錯包率就會急劇升高到40%以上，導致無線協商速率降低到6.000 Mbps，甚至低至1.000 Mbps，此時又因為速率低，每個報文占用的空口時間長，進一步加劇了競爭的沖突，更加惡化了無線空口環境。

2.2? 終端差異問題

現場部署的終端個數與類型無法方便收集，目前都需要現場的部署調試人員通過網絡或者向供應商咨詢各個終端的網卡屬性，對終端進行人為的清點，給出總數、5G終端數。當終端型號不統一時，這個統計工作就比較繁瑣，同時也不精確。兩個數值直接影響到電子書包場景中關鍵的頻段切換配置。

2.3? 實時無線干擾問題

無線的開放環境中，干擾每時每刻都會變化，導致不同部署下，總體的無線性能千差萬別，針對多用戶場景的限速配置就會很困難，不合理的限速配置會導致帶寬浪費，或者部分終端的帶寬會被少數幾個終端完全搶占。實時干擾主要有如下類型：

（1）同頻干擾：2.4G的1、6、11同頻點工作WLAN設備，同頻干擾不僅導致原AP吞吐量下降明顯，總吞吐量也呈下降趨勢，整體信道利用率降低;

（2）鄰頻干擾：交叉頻點配置的WLAN設備，如4信道對1信道的干擾，影響與同頻干擾類似，共享信道容量，但由于CCA判決機制，干擾程度更高;

（3）蜂窩網干擾：WLAN與現有的GSM網絡、TD網絡、LTE網絡共址或者合路，產生雜散干擾，其中2.3 GHz頻段的LTE對WLAN的干擾尤為嚴重;

（4）其他設備干擾：微波爐、藍牙等設備的干擾也無處不在，根據實驗數據，藍牙會導致系統性能下降約20%，微波爐會導致系統性能下降約50%。

在銳捷實際的電子書包應用場景中，普遍存在一個樓層的多間教室內存在多個同時運行的多用戶電子書包環境，短距離的信號干擾更為突出，此時同頻干擾和鄰頻干擾的影響比較凸顯。同時，實驗室仿真數據顯示，鄰頻干擾可能形成的雜散干擾比同頻干擾的影響更加嚴重。

3? 優化討論

實際的電子書包部署中，考慮到干擾，2G射頻建議配置為20 M頻寬，5G射頻建議配置為40 M頻寬，同時由于5G支持802.11ac協議，在相同的SGI配置下，2.4G的802.11n的MCS7的20 M頻寬最高協商速率是72.200 Mbps，而5G的802.11ac的MCS9的40 M頻寬最高協商速率是200.000 Mbps，一個終端如果從2G切換到5G，理論上吞吐會提升至2.77倍。

從前述問題分解分析看，要讓電子書包場景下的業務體驗滿足要求，必須同時考慮實時干擾、AP多用戶帶載能力、終端不同頻段數量、終端競爭差異這幾個影響重大的因素，而這幾個因素最終的作用結果就是會對終端的業務吞吐產生影響，如干擾多了吞吐就會下降、終端個數多了吞吐就會下降、5G終端數量多會提升整體吞吐量，結合1.3章節中所討論的多用戶均衡性的分析，優化的目標應該是通過綜合這些因素并最終通過基于用戶限速的配置來實現吞吐提升、多用戶均衡的效果。

3.1? 技術方案

本文在三頻無線接入點RG-AP730（TR）既有軟件基礎上，主要通過綜合如下5個優化點，解決電子書包場景下應用的上述4個問題，實現自適應優化配置：

（1）無線環境評估自動評估：通過實時監測無線干擾對無線環境質量進行實時評估，供后續的自適應限速環節進行空口總吞吐估算;

（2）最優信道選擇：通過實時切換信道解決時刻變化的無線干擾問題;

（3）5G終端個數引導式收集：通過將所有5G終端引導關聯到5G射頻來解決2G射頻干擾大、帶寬資源不足的問題;

（4）頻段自適應切換：通過單射頻卡自適應切換2G/ 5G解決2G與5G射頻資源不足問題;

（5）自適應限速配置：綜合干擾、終端數量、終端類型、經驗數據對用戶的流量進行限制來解決多用戶均衡性問題，同時保證總吞吐不下降。

基本流程如下：雖然本文以RG-AP730（TR）作為驗證測試設備，但為了保證方案有一定的魯棒性，還是需要把設備的能力特性加入考慮，本文主要考慮的是設備射頻支持能力，具體的流程如下：

（1）觸發自適應優化;

（2）自動遍歷各個信道收集信道利用率和底噪;

（3）自動選擇最優的信道并自動切換;

（4）自動釋放出5G的無線信號;

（5）所有終端手動觸發嘗試管理5G信號;

（6）統計出關聯5G射頻的終端個數，此個數即支持5G的終端個數;

（7）獲取AP設備的頻段支持能力，如支持雙2G、雙5G，或者僅支持一個2G和一個5G;

（8）根據收集到的5G終端個數自動進行頻段切換;

（9）統計所有管理終端的個數;

（10）根據公式動態配置基于用戶的限速值;

（11）自適應優化完成。

3.2? 詳細步驟

無線AP上基于用戶限速的配置，使用的是具體的流量值，如每用戶2.000 Mbps，以上的所有分析僅說明了影響的程度，如影響了20%，但無法給出具體的數值。這樣就需要引入一個初始值，作為基礎數值，之后通過各個因素百分比影響率的計算來得到基于用戶限速應該配置多少。這個初始值，本文選擇無線屏蔽實驗室理想環境下測試的性能數值，理想環境有兩個關鍵指標如下：

（1）未打流前底噪小于-90 db;

（2）未打流前信道利用率低于10%。

3.2.1? 無線環境評估自動評估與最優信道選擇

無線環境開放性導致了無線信道的復雜性，各種無線的干擾，如微波、藍牙等都會影響無線的使用體驗，為了排除這些影響，需要通過一定的手段選擇出最優信道。

以固定的時間間隔遍歷所有工作信道，直接調用設備提供的接口，收集各個信道的信道利用率與信道底噪。

通過信道利用率與信道底噪的數據對比，優先選擇底噪較低的信道，如果所有信道的底噪差距僅在5%以內，選擇信道利用率最小的信道。

3.2.2? 5G終端個數引導式收集與頻段自適應切換

5G終端個數引導式收集需要一定的人為參與，因為同時支持2G/5G的終端不會對外提供能力支持表項，同時也不是必然連接到5G，即使AP上開啟了5G優先功能，實驗發現還是有一定的比例會連接到2G射頻上，具體的步驟如下：

（1）自動下發配置并放出一個5G的無線信號，信號名稱唯一;

（2）所有終端手動點擊關聯這個信號;

（3）能夠關聯上的都是支持5G的終端，剩余的終端為僅支持2G的終端，此時可以得到支持5G的終端個數;

（4）根據終端總數和支持5G終端的個數，結合設備的能力，采用如表1所示的算法進行頻段自適應切換配置。

3.2.3? 自適應限速配置

多用戶的限速配置一直是電子書包場景應用的難題，限制小了，可能大部分用戶體驗都不好;限制大了，可能導致有些終端搶占大部分信道資源，導致部分終端一直無法正常應用。

本文中的自適應限速，綜合了終端個數、干擾情況、頻段情況、歷史性能數據，對不同場景下的限速進行自適應匹配，從達到最優的效果：

（1）單流20 M頻寬單用戶無干擾場景下，極限性能為M1（如：55.000 Mbps），不同的流數、頻寬，極限性能不同;

（2）單流20 M頻寬最多C（如：64）個用戶無干擾場景下，極限性能為M2（如：30.000 Mbps），不同的流數、頻寬，極限性能不同;

（3）無干擾場景下，信道利用率為U1（如：10%），信道利用率越高（如：30%）說明環境越惡劣，無線總體的性能會越低，根據經驗，信道利用率達到極限U2（如：80%），電子書包應用的流量幾乎為0;

（4）無干擾場景下，底噪為N1（如：-90 db），底噪越高（如：-70 db）說明環境越惡劣，無線總體的性能會越低，根據經驗，底噪達到極限N2（如：-50 db），電子書包應用的流量幾乎為0;

（5）根據步驟3.2.1，可以確定目前的信道利用率為u，底噪為n;

（6）根據步驟3.2.2，可以確定目前的關聯終端數為c;

（7）進行限速自適應配置的計算公式如下：

4? 效果分析

通過采用如上的優化手段，使用32個終端進行模擬，其中2G終端10個，5G終端22個，使用IxChariot進行打流測試進行電子書包業務場景的模擬測試。優化前，支持5G終端關聯5G設備概率、射頻1關聯終端平均數（11信道）、射頻2關聯終端平均數（36信道）、射頻3關聯終端平均數（149信道）分別為73.6%、15.8、6.1、10.1，優化后，支持5G終端關聯5G設備概率、射頻1關聯終端平均數（11信道）、射頻2關聯終端平均數（36信道）、射頻3關聯終端平均數（149信道）分別為100%、10.0、10.9、11.1。

根據優化的構想，理想的效果應該是，所有22個同時支持2G和5G的終端都連接到5G射頻上，且在2個不同信道的5G射頻上平均分布，實際的測試結果與預想的理想結果幾乎等同。具體測試結果如表2所示。

從表2的吞吐測試數據看，優化后，上行的總性能+下行的總性能為396 M，優化前，上行的總性能+下行的總性能為253 M，提升至1.57倍。

理論上，有26%約5.8個終端從2G射頻切換到了5G射頻，占總終端數的18.1%。根據之前的分析，一個終端從2G切換到5G，理論性能會提升至2.77倍，則此處的理論提升為0.181×2.77?0.5，即理論上，優化后總性能約提升至1.50倍，和實測數據接近。

從均方差看，優化后，多終端的均衡性也有較大提升，提升的主要來源是5G終端都接入5G射頻，以及根據環境進行的實時用戶限速。未優化前，26%左右的支持5G的終端連接到了2G射頻，使2G射頻的終端密度增加到了15.8個，導致2G頻段的射頻資源競爭過于激烈，出現均衡性變差。優化后，2G射頻的終端為10個，在2G射頻最優的承載范圍內，性能不會下降。同時在總體性能提升的基礎上的動態用戶限速，能夠很好地保證電子書包高實時同步業務的開展。

如圖1、圖2所示的優化前后上、下行吞吐測試雷達圖，更加直觀地表明了優化后的均衡性有顯著提升。

5? 結? 論

本文方案通過一系列的自動化監控與自適應配置，來提升電子書包場景下的應用體驗，其中5G終端個數引導式收集、頻段自適應切換、自適應限速配置都可以應用于其他類似的通用場景中，特別是自適應限速配置方案，能夠應用于所有無線場景中。

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作者簡介：廖加彬（1983.12—），男，漢族，福建三明人，中級職稱，碩士研究生，主要研究方向：WLAN接入設備的產品化開發。