传统蜂窝wlan无线网络的缺陷以及extricom新一代无干扰构架解决方案

萃科公司 Extricom Interference-Free WLAN System 萃科无干扰信道层覆盖无线局域网系统 技术白皮书 Extricom 2011-7-13 Version 1.1 2 目录目录 一、传统蜂窝覆盖系统的弊病和缺陷 . 3 1.1 性能谎言. 3 1.1.1 传输范围和有效覆盖范围 . 4 1.1.2 边缘用户/低速用户导致网络整体性能下降 . 5 1.1.3 用户数限制与冲突 . 5 1.1.4 信道复用范围 . 6 1.1.5 干扰范围. 6 1.1.6 覆盖/性能 . 7 总结 . 7 二、Extricom 无干扰信道层覆盖系统构架. 7 2.1 系统构架及工作原理 . 8 2.2 系统优势. 9 2.2.1 范围延伸，麻烦消除 . 9 2.2.2 所有的用户都使用高速率接入 . 9 2.2.3 零延时漫游 . 9 2.2.4 信道层叠能力 . 10 2.2.5 TrueReuse优化信道复用 . 10 2.2.6 优势总结. 10 3 一、一、传统蜂窝覆盖系统的弊病和缺陷传统蜂窝覆盖系统的弊病和缺陷 传统的无线局域网 WiFi 部署架构为蜂窝部署方式，在蜂窝构架下，可用的无线信道被 分布到每个 AP 上，如下图所示： 图 1，蜂窝覆盖架构示意图 如上图所示， 在 2.4GHz 频段， 只有 3 个无重叠的信道可用。 每一个 AP （由六边形表示） 被指定工作在一个特定的无线信道，之后部署 AP 来覆盖每一个单元面积。设计者必须在每 2 个工作在相同信道上的 AP 之间提供足够的隔离空间，以最大程度降低它们之间的相互干 扰。 不幸的是，这种系统拓扑非常难以部署、优化和维护，并且在现实世界中，它很难满足 无处不在的 WiFi 网络的部署需要。最核心的问题是，蜂窝系统拓扑的内在劣势难以应付下 列问题： 信道资源的缺乏，使得同信道干扰无法避免。没有足够的信道，导致了冲突域相互覆盖 和性能的严重下降。 在工作在不同信道的 AP 之间进行切换，引起无线网络的严重延时。 在同时支持多项服务时，对于蜂窝架构，只能让所有的客户端、设备和应用流量共享同 一个无线信道。这表示 QoS 服务质量面临的挑战很难被克服，哪怕遵从 802.11e 标准。 本文档将关注于上述问题，即对于无线局域网络性能和带宽的最大阻碍。本文档将关注于上述问题，即对于无线局域网络性能和带宽的最大阻碍。 1.1 性能谎言性能谎言 蜂窝架构的普遍观点认为， 如果无线信道可以被重复利用， 那么这个无线网络系统就可 以提供无限的性能。 这个理论是这样表述的：每一个 AP 接入点可以提供 54Mbps 的接入速率（假设采用 802.11g） ；因为有 3 个可用的无线信道，蜂窝单元可以遍布整个企业，每一个单元被两个工 作在其它信道的单元所包围。 同信道单元因此被隔离开了， 并且每一个单元都能够支持最高4 的接入速率。无线网络可以提供的总带宽，根据蜂窝构架的观点，是无限的。每一个单元都 提供全速接入速率，现场部署多少个 AP（即蜂窝单元） ，就有多少带宽。如图 2 显示。 但是在实际情况中，有一些因素使得这个普遍观点变得完全不可实现。这些导致 WiFi 网络地性能的因素是： 传输范围和有效覆盖传输范围和有效覆盖 边缘用户边缘用户/低速用户导致网络整体性能下降低速用户导致网络整体性能下降 用户数限制用户数限制与冲突与冲突 信道信道复用范围复用范围 干扰范围干扰范围 覆盖覆盖/性能性能 1.1.1 传输传输范围和有效覆盖范围范围和有效覆盖范围 在包含墙、门、人员、家具、计算机和其它无线干扰物体的一个真实的企业环境中，一 个 AP 能够在 10 米处提供 54Mbps 带宽，30 米处提供 11Mbps 的带宽，并且在 60 米处提供 2Mbps 的带宽。为了提供全面的信号覆盖，AP 被排列成蜂窝的样子，相邻的蜂窝单元工作 在不同的信道，如图 2 所示。深色的圈表示 11Mbps 的覆盖范围，而外侧的圈表示 2Mbps 的覆盖范围。 图 2，蜂窝架构覆盖示意 在现实世界中，AP 蜂窝的覆盖面积总是要比最高速率的覆盖面积大得多。换句话说， 就是 AP 信道的干扰范围要比我们希望它提供高速连接的覆盖面积大得多。 如果采取 AP 密集部署，会带来严重的干扰问题（参见“复用范围”和“干扰范围”章 节） 。并且 AP 蜂窝单元的数量越多，会导致移动用户在 AP 之间切换的次数越多，因其延时 和网络服务中断，漫游问题也就越发严重。 如果采用较为稀疏的 AP 部署，采用大的 AP 蜂窝面积（图 2 中的外圈）进行覆盖，对5 于系统的性能是有很大损害的。当一个节点（客户端或 AP）接收到的另一个节点（客户端 或 AP）的信号非常微弱时（因为距离 AP 或客户端较远） ，它会采用速率协商，或者说“减 速”到更低的接入速率，以提高接收成功率。低速接入面积（图 2 中的大圈）占整个蜂窝覆 盖面积的四分之三。 这就意味着大部分用户会使用低速率接入。 这不仅会降低整个蜂窝的整 体带宽，同时也会影响在高接入速率范围下的用户体验（参见“边缘用户” ） 。 另外， 进行一次大范围的蜂窝设计规划是非常耗费人工和资金的， 尤其是因为蜂窝规划 必须保持更新和调整，以适应变化的无线环境（无线设备的变化或环境变化） 。 结论：蜂窝系统的整体带宽将会远远低于理论中的最高速率。结论：蜂窝系统的整体带宽将会远远低于理论中的最高速率。 1.1.2 边缘用户边缘用户/低速用户导致网络整体性能下降低速用户导致网络整体性能下降 传统的蜂窝规划方案总会产生边缘用户，那就是，用户距离最近的 AP 太远，从而不能 以更高的速率接入网络。 不仅是边缘用户会经历网速下降和速率协商， 它们也会影响到每一 个在冲突域（一个 AP 蜂窝覆盖的范围内）中的其它用户。 如果有一个边缘用户与 AP 通讯时不能达到最高或较高的接入速率（因为距离远或较差 的信号接收） ，由于 WLAN 的媒体共享特性，所有的用户都会感受很低的整体性能，甚至是 那些以最高速率接入的用户。因为它们必须等待边缘用户，为边缘用户留出传输时间。因为 边缘用户的数据传输比其它用户速率低， 占用的时间长的多， 因此边缘用户总是会造成性能 瓶颈，影响其它高速用户的使用体验。 当在同一环境中同时使用 802.11b、g 和 n 客户端时，就会产生无法避免的边缘用户问 题：11b 支持的速率低于 11g 和 n。虽然 802.11g 协议本身解决了部分问题，但是当多种客 户端混合使用时，保护机制本身也会大大的降低网络的整体性能。 结论：蜂窝规划不能够提升性能。速率最低的客户端决定网络的整体速率。结论：蜂窝规划不能够提升性能。速率最低的客户端决定网络的整体速率。 1.1.3 用户数限制用户数限制与冲突与冲突 在企业的无线局域网络中，当用户的数量越来越多（总体来说大于60个） ，发生冲突的 几率就会迅速提高。 冲突避免机制要求一个节点首先检查， 确认没有其它设备在监听范围内 工作信道上进行传输。在开始传输之前，一个节点用50微秒（1微秒=百万分之一秒）的时间 来监听，以确认其所工作的信道时空闲的。然后，这个节点会选择一个随机长度的时间（时 间长度为031 x 20微秒）等待，然后再进行传输发送。这个随机等待时间降低了2个节点同 时开始传输数据的可能。但是，这个处理流程也使得发送前的等待时间平均为（50微妙+310 微妙=）360微妙，这个时间相对于传输用时来说是相当可观的。如果，在随机等待之后，传 输数据没有被清晰的接收，那么在再次传输之前，随即等待时间的长度会加倍（063