無線網路規劃設計和部署維護之誤區與最佳實踐（3）

本文轉載自微信公眾號“ 無線CCIE的那些事兒”(ID：passcciew)，作者：謝清。

對於無線接入點形成的覆蓋蜂窩，評估其效能好壞的最關鍵指標是通道利用率(Channel Utilization)。通道利用率反映了射頻頻譜的繁忙程度和無線接入點通道的整體可用性。通道利用率一般用百分比表示，百分比數值越大代表通道越繁忙。無線網路的一個重要最佳實踐是保持通道利用率在40%-50%以下。對於高通道利用率，我們需要警惕並詳細分析其成因。

之所以說通道利用率重要，是因為通道利用率體現了同頻干擾、鄰頻干擾(鄰居無線接入點對通道利用率的影響)和非WiFi干擾對無線接入點自身工作通道的影響，反映了通道內空氣介質競爭(客戶端競爭對通道利用率的影響)的激烈程度和資料傳輸情況。

那麼誰貢獻了通道利用率?

首先正常的客戶端空氣介質競爭和資料傳送會佔用通道時間。

上圖是我在一個使用者處看到的情況，一些無線接入點的通道利用率高達100%，但是沒有任何干擾介入，此時點選左側綠色柱體進入該無線接入點檢視，發現連線的客戶端數量也不多，是什麼原因造成了通道利用率居高不下呢?檢視該無線接入點連線的客戶端傳送的應用流量發現，個別使用者在使用BitTorrent應用下載電影。在無線控制器上配置應用視覺化和控制，對濫用的應用進行限速或者丟棄，無線接入點通道利用率恢復正常。(注，所有這些操作均由手機端的Cisco Wireless App操作完成!)

如下圖所示，要傳送的資料包越大，傳送端佔用通道的時間越長，傳送速率越慢，傳送端佔用通道的時間越長。當客戶端遠離無線接入點時(處於蜂窩覆蓋邊緣)，為補償訊號強度下降，資料連線速率會下降到一個較低的值。雖然這有助於提高資料包傳遞的可靠性，但是會降低裝置的吞吐量並導致裝置所用的無線傳播時間變長。佔用更長的無線傳播時間會導致蜂窩中可用於其他裝置的總體時間減少。

因此，如果您希望改善通道利用率，需要做的就是讓客戶端和無線接入點之間建立較高的資料連線速率。

其次，隨著無線網路部署對於高容量的需求，網路中無線接入點數量的增加，無線接入點工作通道寬度的增加和客戶端裝置數量的極速增長，同頻干擾、鄰頻干擾也在不斷地增加。

同頻干擾簡單來說就是如果在特定通道上部署無線接入點，則該無線接入點與其收聽範圍內相同通道的任何其他無線接入點(和客戶端)將競爭對通道的使用權。相比鄰頻干擾，同頻干擾至少是可管理的。

在理想的部署中，我們希望部署的每個無線接入點被分配到唯一的通道並且在射頻角度被充分隔離，使得它不能“聽到”在相同通道上的任何其他無線接入點。在這種理想情況下，我們部署的無線接入點將不必與任何其他無線接入點競爭接入通道。因此，它將能夠在客戶端和無線接入點標準支援的限制內，用理論上可用的所有頻寬(空口時間)為其相關聯的客戶端提供服務。

在現實部署中這是不可能的，來自相鄰網路的無線接入點或我們自己部署的網路上的無線接入點將在特定無線接入點的相同通道上操作。在相同通道上的無線接入點可以“聽到”彼此的訊號，並且將必須透過競爭(即共享空氣介質)來使用通道。這大大限制了每個無線接入點可以提供的潛在資料吞吐量。我們要做的是透過合理的規劃設計確保它們之間的訊號影響處於足夠低的水平，使得它們不會影響無線接入點的無干擾通道評估(CCA)過程。

網路中非法裝置造成的鄰頻干擾會極大的影響通道利用率。

下圖顯示了當通道4(紅色)，通道6(綠色)和通道5(藍色)上的無線接入點同時都處於活動狀態時的情景。由於這些無線接入點中的一個嘗試與其客戶端通訊，其傳輸對於另外兩個無線接入點的傳輸而言就是亂碼(噪音)。鄰頻干擾無法透過規劃設計被無線網路“管理”，因此無線網路需要具備有效地手段來識別、分類、定位和排除非法裝置。

鄰頻干擾一般發生在2.4Ghz頻譜上，因為歷史原因，2.4Ghz頻譜上的連續通道是部分重疊的。

在5Ghz頻譜上也會在不同寬度的通道間發生鄰頻干擾。

　第三，非Wi-Fi干擾源包括藍芽裝置、微波爐、數字增強無繩通訊(DECT)電話、監控攝像頭)或其他任何與 Wi-Fi 通道使用相同射頻頻率但不使用802.11 協議的裝置也會大幅增加通道利用率。

如何評估通道利用率

一個負責任的無線網路系統應該可以為你提供實時的和歷史的通道利用率資料，並且應該告訴你造成通道繁忙的原因。

從思科PrimeInfrastrucure上可以檢視無線接入點通道利用率的歷史資訊：

對於思科統一無線網路，可在無線控制器一側檢視具體某個無線接入點無線的實時通道利用率，選擇Minitor選單，導航到AccessPoints > Radios > 802.11x/y/z > AP Name：

　　詳細分析同頻干擾和鄰頻干擾情況：

對非WiFi干擾進行詳細分析：

也可以檢視一組無線接入點的實時通道利用率：

評估通道利用率的另一個好方法是使用思科的WLC配置分析(WLCCA)工具。該工具為思科免費提供的Windows應用程式(下載地址：https://supportforums.cisco.com/document/7711/wlc-config-analyzer)，提供對WLC配置的分析。 您只需從無線控制器 CLI中載入showrun-config命令，將輸出結果匯入到WLCCA工具就可以得到每個無線接入點2.4和5GHz通道的通道利用率資訊，而且還支援圖形化列表：

如果你更喜歡從CLI看這個資訊。您可以使用命令提取相同的資訊：

show ap auto-rf 802.11b 或者show ap auto-rf 802.11a

執行上述命令將得到類似於以下輸出的輸出。下面示例中用紅色文字突出顯示了通道利用率資訊：

Number OfSlots.................................. 2

APName.......................................... AP2600

MACAddress...................................... 44:2b:03:9a:xx:xx
SlotID........................................ 0

RadioType..................................... RADIO_TYPE_80211b/g

Sub-bandType.................................. All

Noise Information　
NoiseProfile................................ PASSED

Channel1.................................... -95 dBm

Channel2.................................... -94 dBm

Channel3.................................... -76 dBm

Channel4.................................... -85 dBm

Channel 5.................................... -93 dBm

Channel6.................................... -78 dBm

Channel7.................................... -88 dBm

Channel8.................................... -91 dBm

Channel9.................................... -92 dBm

Channel10................................... -93 dBm

Channel11................................... -93 dBm

Channel12................................... -92 dBm

Channel13................................... -92 dBm

Interference Information

InterferenceProfile......................... PASSED

Channel1.................................... -77 dBm @ 7 % busy

Channel2.................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel 3....................................-128 dBm @ 0 % busy

Channel4.................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel5.................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel6.................................... -83 dBm @ 2 % busy

Channel7.................................... -81 dBm @ 7 % busy

Channel8.................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel9.................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel10................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel11................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel12................................... -128 dBm @ 0 % busy

Channel13................................... -128 dBm @ 0 % busy

Load Information

LoadProfile................................. PASSED

ReceiveUtilization.......................... 0 %

TransmitUtilization......................... 4 %

ChannelUtilization.......................... 66 %

AttachedClients............................. 0 clients

對於思科Meraki使用者，可以透過儀表板介面檢視：

還有一些軟體工具可以檢視，例如Wi-Fi Explorer App(付費)

另外，可以藉助專業測試儀器(晶片經過特殊設計和嚴格校準)檢視通道利用率，例如NetScout的 AirCheck G2。

透過通道選單直接檢視所有通道得通道利用率資料：

透過自動測試，觀察當前連線通道的效能，包括通道利用率及其組成，同頻干擾和鄰頻干擾資訊。

最後，還是要注意，如果無線網路系統自身無法準確提供通道利用率的資訊，那您在網路維護和故障排查上將面臨極大挑戰!

如何改善(降低)高通道利用率

無線網路要獲得最佳應用效能就必須關注和改善通道利用率。平均而言，當利用率在 40% 到 50% 之間時，無線網路容量通常會達到飽和。對於對延遲敏感的應用和實時應用(例如，VoWLAN)，通道利用率在超過 30% 時就可能會影響終端使用者體驗。

● 降低SSID數量&降低管理幀開銷

無線網路中每增加一個SSID都會帶來不小的空口開銷，例如在一個無線接入點上啟用一個SSID，他的信標等管理幀佔用通道的開銷在1Mbps資料連線速率是約為3%。而一個無線接入點啟用了3個SSID，佔用通道的開銷在1Mbps資料連線速率就升高到了約為9%。當你在連續覆蓋組網時，該無線接入點如果與同通道無線接入點處於一個競爭域內，此時通道利用率會高達27%。

備註：另外一個降低SSID數量的原因是很多客戶端由於自身能力的限制，無法應付大量的SSID資訊，這些終端會由於檢測到大量SSID而被鎖定、重啟甚至無法關聯無線網路。
減少SSID的數量可以透過合併類似用途的SSID來實現，例如

1.利用802.1x/EAP將連線同一SSID的客戶端動態分配到不同VLAN

2.啟用BYOD，單一SSID完成客戶端報導和接入

3.啟用FastLane協議，不論客戶端是否支援802.11r均可關聯同一SSID

● 關閉低資料速率

本文前面提到，當客戶端遠離無線接入點時(處於蜂窩覆蓋邊緣)，資料連線速率會下降到一個較低的值，從而導致裝置所用的無線傳播時間變長。關閉地資料速率，強制無線客戶端與無線接入點之間以高資料速率通訊是改善通道利用率的手段之一。其次資料速率決定了信標等管理幀佔用通道的開銷，例如1Mbps資料連線速率的通道開銷是約為3%，如果關閉6Mbps以下的資料連線速率，此時通道開銷約為0.6%，如果關閉12Mbps以下的資料連線速率，此時通道開銷約為0.3.%

下圖是在使用者實際部署現場看到的情況，低資料連線速率和多SSID共同造成了高通道利用率的惡果。

在實際的部署最佳化中，透過關閉低資料連線速率和減少SSID數量，使用者可以獲得通道利用率的極大改善。

● 控制客戶端數量和客戶端應用的行為

另外高通道利用率也體現了客戶端數量和客戶端應用的行為，無線接入點上關聯的客戶端數量多少會間接的反映到通道利用率上，關聯客戶端多的無線接入點的通道一般比少的繁忙。此時如果有必要，可以透過系統級的客戶端負載均衡手段來改善無線接入點的通道利用率。如果客戶端傳輸的是實時影片，那麼他比瀏覽簡單網頁的應用要更多佔用通道。透過應用視覺化和控制(AVC)手段，管理員可以禁用客戶端的無關應用來改善通道利用率。

● 調節無線接入點蜂窩覆蓋尺寸

● 合理規劃通道複用

● 排除非法裝置(無線接入點和連線在其上的客戶端)

鄰頻干擾無法透過規劃設計被無線網路“管理”，因此無線網路需要具備有效地手段來識別、分類、定位和排除非法裝置。

● 其它方法

最後降低通道利用率水平並提高無線網路效能的措施包括但是並不僅限於上述方法。我們沒有辦法在短短的一篇文章中全部闡述。

例如， 最佳化漫遊的802.11k 標準允許客戶端請求報告來獲取與作為漫遊候選的已知鄰居無線接入點相關的資訊。這種請求採用 802.11 管理幀的形式，無線接入點將回應相同 WLAN 上鄰居無線接入點的列表以及它們的 Wi-Fi 通道號。利用來自無線接入點的802.11k 響應幀，客戶端可以在下一次漫遊前知道應掃描的最佳候選通道。掌握了這個方便的鄰居列表後，客戶端在接近下一個漫遊位置之前，可以先在戰略角度檢測這些報告的通道，從而縮短掃描時間並加快無線接入點漫遊目標的決策速度。

在思科無線網路基礎設施中，802.11k演算法使用 RRM 確定與客戶端關聯的無線接入點的鄰居、檢查哪些無線接入點能夠聽到客戶端，然後無線接入點將包含 6 個最佳無線接入點的列表傳回給客戶端。得到鄰居列表資訊後，支援 11k 的客戶端在尋找可漫遊到的無線接入點時，將無需再掃描所有通道從而減少管理幀的開銷，節省通道上的無線傳輸時間，從而降低通道利用率。

還有一些非技術手段也能大幅減少管理幀開銷，如果您的無線網路中存在大量訪客客戶端，由於他們並不能提前知道您的訪客SSID，那麼他們在聯網前會傳送大量的探測請求管理幀，此時空口將充斥管理幀而無法騰出時間為真正的資料幀傳輸。所以，透過一些提前通知的方法，儘量讓客戶端直接連線上來，否則他們發的探測管理幀(probe)會將頻譜資源大量佔用，造成通道利用率居高不下，客戶端連線網路以後傳送探測管理幀的頻度將大大下降。

前文回顧：

（1）堅持正確的規劃設計是邁向成功部署的第一步

（2）關注關鍵效能指標（上）

（3）關注關鍵效能指標（下）

（4）5GHz頻譜最佳保障，2.4GHz頻譜盡力而為

（5）任何忽視客戶端能力的設計規劃都將部署失敗！

（6）正確認識 802.11ac 的作用

（7）實現優質的無線覆蓋並不簡單

（8）無線接入點部署位置和方法不容妥協