Wi-Fi連接速率的探討

高峰

摘? 要：曾幾何時三大運營商都使用Wi-Fi設備建設過無線城市，但效果并不理想。隨著4G資費的不斷下降，大家更愿意使用4G網絡。但Wi-Fi最大的優勢就是免費，有很多的場景應用還是會用到它。因為速率是大家可以看到的無線鏈路質量的指標，該文就是針對Wi-Fi系統中接入點和終端連接時出現不同速率的現象，分析其原因，并提出了提高速率的解決方案。與以往不同的是，本文中提出了一些新的觀點也包括介紹了新的技術。對如何利用Wi-Fi系統起到一定的指導作用。

關鍵詞：Wi-Fi? 速率? 改善? 體驗

中圖分類號：TN925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0014-03

Wi-Fi早已融入我們的生活，隨手掃描一下周圍的接入點，一般都有十幾個。早在2011年全球Wi-Fi聯盟的統計數據就宣傳稱，目前全球共有150萬個Wi-Fi熱點，中國市場Wi-Fi熱點數量在50～100萬之間。曾經我國超過200個城市投入過無線城市建設，當時三大運營商的Wi-Fi熱點覆蓋已經“無處不在”。然而在實際生活中，并沒有多少人使用這些熱點，“不好用”是大家的普遍感覺。相比之下大家更加愿意使用4G網絡。但4G無法代替Wi-Fi的全部應用，例如物聯網。更重要的是使用Wi-Fi是免費的。面對廠商們鋪天蓋地的宣傳，我們都知道Wi-Fi標準經過飛速發展，速率早就升至目前主流的300Mbps甚至到了1.3Gbps。那為什么還有這樣的反饋呢？那我們就從速率談起，帶你尋找根因。

1? IEEE 802.11協議匹配的因素

由表1我們看到采用不用的協議時，速率會有所不同。也就是說當一個僅支持802.11g的終端連接上802.11n的接入點時，它們之間的速率就是54Mbps，一個支持802.11n的終端連接上802.11n的接入點時，它們之間的速率最高達到300Mbps。

所以當你感覺網絡不好時，先看看接入點以及終端使用的什么協議，確?；ハ嗥ヅ?。尤其要注意是802.11a/n和802.11g/n是互不兼容的，因為它們工作的頻段不相同。建議購買同時支持2.4GHz和5GHz的雙頻設備。那如何知道接入點和終端支持哪個頻段？也很簡單，只要去查一下廠商宣傳的產品數據就明白了。支持2.4GHz的接入點和終端都至少支持802.11 b/g/n 這三個協議的一種，支持5GHz的接入點和終端都至少支持802.11 a/n/ac這三個協議的一種。

2? 無線線路開銷因素

廠商們通常宣傳的是Wi-Fi產品的最大速率，而和實際獲得的性能也就是吞吐量相比，這兩者差別很大。我們在享受Wi-Fi的便捷的時候，Wi-Fi產品為了保持無線網絡的可靠性和安全性，需要加入很多的開銷，例如等待傳輸數據的時間，報文與報文之間的時間間隔，無線加密所需要的報文以及一些必要的協議報文等，此時吞吐量會降低到最大速率50%。如果終端的增多了，除了吞吐量還需要被繼續分配外，終端之間還需要額外開銷避免沖突，這同樣會造成吞吐量下降很快。

這里有一個公式 最大吞吐量=（終端顯示的最大速率÷2）÷終端數量

終端顯示的最大速率可以終端的系統中顯示（見圖1），或者在接入點的終端列表頁面里面顯示（見圖2）。

3? 信號強度的因素

決定接入點和終端的速率高低的一個很重要的指標就是信號強度。一般而言信號強度越好，它們之間的速率就越高。當我們發現接入點和終端的信號強度低于-65dBm時，這點我們仍然可以從接入點的終端列表里面可以看到。這時候，我們就要想辦法提升信號強度了。影響信號強度的因素比較多，包括設備的天線增益，設備的天線類型，接入點和終端的距離遠近，接入點和終端的遮擋情況等。

我們首先調整接入點和終端的距離，盡量縮小它們的間距。其次，讓接入點和終端盡量可視，不要有遮擋。在一個可視空曠的空間內，普通家用無線路由器也能夠覆蓋4，500m的范圍，但如果其和終端之間出現阻擋，這個距離將大大縮小，一堵承重墻足以讓覆蓋范圍縮小到100m以內。我們還可以選擇WLAN天線增益大的設備。WLAN天線增益越大，連接范圍越廣。筆記本電腦、PAD、無線網卡的WLAN天線都比手機好的多。而無線路由器的WLAN天線又比這些終端要好。至于高增益天線的WLAN網橋，那更是可以傳輸幾十公里。另外我們還可以從天線類型著手，由于天線發出的信號具有方向性，那么使用定向天線就會提升某一個方向的信號強度，網上流行的利用廢棄的易拉罐制作定向天線提高信號強度就是這個原理。

實際應用中我們盡管能夠增強Wi-Fi的信號強度，但不等同于可以增快上網速度（也就是提高吞吐量）。在較好的網絡信號范圍內，信號的強弱對網速的影響幾乎可以忽略不計，只有當信號低到一定程度時，網速才會受到影響。那還有什么因素影響速率呢？

原因四：無線鏈路質量因素

當終端發現與接入點通訊的環境有干擾、或者兩者之間有障礙物遮擋以及多終端混合接入時，會采用降低速率的方法維持鏈路的質量。因為終端采用低速率時會提高自身的發射功率，從而提高信噪比。高信噪比會獲得更高的吞吐量。我們發現不同終端在相同的環境中速率高高低低，這是由于各個終端采用的自適應算法不同，造成了不同終端間速率自適應時存在差異性。目前的速率自適應方法可分為以下4類。

（1）利用物理層指標，即利用信號強度的強弱來計算。當終端掃描到接入點的信號低于一定的閥值時，自動降低速率，高于一定的閥值時，則提高速率。這個算法比較簡單，但存在誤判。信號強度高并不代表鏈路質量一定高。

（2）利用傳送幀連續的成功和失敗次數，即通過丟包率來計算。比如連續丟一定數量的包，則降低一檔速率發送下面的數據并啟動一個定時器;如果連續收到一定數量的包或者定時器時間到，則提高發送速率。

（3）利用一段時間的數據幀的統計特征來決定發送速率。比如在一段時間內統計丟幀率等信息，并將其與相應的驅動信息進行比較。

（4）每隔一段時間以不同速率發送一個或者一些試探幀，用來估計不同速率幀在信道中的表現。

這四種方法各有利弊，但總的目的就是通過降低速率的方式維持鏈路質量。但我們完全能夠在高速率的情況下維持高質量的鏈路，做到這點可以從以下方法著手：

（1）減少環境中的干擾。比如錯開與其他接入點的信道。不靠近微波爐、無線鼠標、藍牙等設備。

（2）消除隱藏節點。在WLAN中，當兩個終端無法探知對方正在傳輸數據時，它們互為隱藏節點，此時就會出現搶占資源的情況，造成傳輸效率急劇下降。

（3）拒絕信號太弱的終端接入。由于WLAN的特性，每個連接上接入點的終端都會獨占一定的時間用于傳輸數據。當某個終端傳輸數據時，其他終端必須等待，所以一旦速率慢的終端開始傳輸數據就會降低整個網絡的效率。而一般信號強度弱的終端速率都比較慢，所以接入點會通過拒絕弱信號（一般低于-75dBm）的終端接入來提升整個網絡的效率。

（4）使用更新的技術。通常一個接入點建議接入用戶20～30個，然而在實際應用中即使滿足這個條件甚至用戶數更少還是會影響用戶體驗。這是WLAN特性決定的，所以在最新的802.11ac協議里加入了 MU-MIMO（多用戶多入多出）技術。通過MU-MIMO保證多設備同時上網不卡頓，但要使用這個功能需要接入點和終端都只支持此功能。

（5）降低設備接收靈敏度。通過降低接收靈敏度，可以避免外界的干擾，但會犧牲傳輸距離。

4? 結語

Wi-Fi技術還在發展，適用的場合也越來越精準——小型局域網的搭建，無線監控視頻領域，機器人的指令傳輸，長距離的數據傳輸甚至對人體動作的探測。Wi-Fi并不是一個完美的技術，易被干擾就是很大的“硬傷”。盡管已有廠商可以通過私有協議達到抗干擾的目的，但這需要接入點和終端都支持此協議。隨著人們對Wi-Fi高吞吐量低延時的要求也會越來越高，構造一條質量高的無線鏈路也是一項基本的網優能力。作為有線接入技術的補充，用好Wi-Fi必然能使人們在如今數據爆發的時代取得方便、快捷的感受。

參考文獻

[1] Wikipedia. IEEE 802.11ac[EB/OL]. （2019-3-26）[2019-3-28] https：//en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ac.

[2] 大衛安吉爾.新一代Wi-Fi標準802[M].11ac for dummies，2014.

[3] 張建軍，唐雅娟.基于IEEE802.11的速率自適應算法研究[N].重慶郵電大學學報，2009.