浅谈无线局域网底层测试和故障诊断（二）

2014-02-27上海朗坤信息系统有限公司潘凯恩

智能建筑与智慧城市 2014年3期

文│ 上海朗坤信息系统有限公司潘凯恩

如今，无线WLAN作为更便捷的连接方式得到了广泛的应用，但随之而来的WLAN服务质量问题也不断增加，虽然无线局域网可以轻易地部署到智能楼宇或更为广泛的企业网络中，但要真正发挥无线网络的功能，实现高效、稳定的Wi-Fi接入，还需要掌握更实用的无线测试以及故障诊断技巧。相对于我们已经熟知的有线局域网测试和故障诊断知识，无线局域网在物理层上和传统有线网络介质的测试差异较大，分析方式也有所不同。

无线局域网物理层的常见问题故障主要集中于连通性问题以及性能问题。连通性的问题相对于有线介质更为复杂，需要进行无线环境分析、无线信道分配分析、网络配置分析等项目；而性能分析则要针对信号衰减、用户容量、干扰等多方面原因进行具体测试和分析。

本文主要针对上述问题，简单阐述WLAN物理层测试和故障分析的若干方法。

2.3 日常维护中的无线分析

2.3.1 日常维护环境中无线测试的方式

在日常无线网络的维护中，底层需要按步骤进行测试。以WLAN中部署语音业务为例，在日常维护排障过程中，可以按照以下几个方面进行测试：

（1）如果信号强度较低（例如：-67dBm或者更低），表明这部分区域的信号强度不足以支持一个无线应用的网络部署，可能导致的原因包括：

①AP设备不足：单纯来看也许是最简单的故障原因，但却是最不容易解决的问题。如果网络中部署的AP设备不够，将不能确保整个地区良好的信号覆盖，信号传输也将受到影响。由于语音业务中需要较强的信号才能保证良好的语音质量，因此足够的AP设备对于Wi-Fi网络部署尤为重要。虽然增加AP设备似乎就能解决这个问题，但是事实上并非如此。在某些情况下，这也许是最好的解决办法，然而，由于工作频段有限，如果AP设备布置过密（同时工作在相同或相邻的信道上），那么AP间将相互产生干扰，如此将导致更多的问题。在某些情况下，用户可能更愿意重新调整AP的位置，牺牲某些不需要Wi-Fi区域的信号覆盖（例如：休息室、大堂等），来保证业务繁忙区域有足够的信号覆盖。

②干扰：网络干扰主要来源于两方面，即802.11设备和非802.11设备。802.11设备包括WLAN网络中正在使用的无线设备，例如：AP、站点、VoFi手机等；非802.11设备包括一些平台设备，如无绳电话、蓝牙设备、微波炉，甚至是荧光灯。802.11设备产生干扰主要是因为一些AP工作在相同（或相邻）的信道上。一般建议相邻的AP尽量分别工作在相隔五个信道间隔的信道上，常用做法是在2.4GHz频段上采用1、6、11信道，当然这也会因不同的国家/地区而异。将AP放置的位置与潜在的干扰源（尤其是微波炉或无线摄像机）远离就可以减少非802.11设备干扰。同时还可以使用频谱分析仪对网络环境中的干扰源做更深入的分析。

③障碍物：在网络环境中，体积大或厚重的物体会降低其周围的信号强度，即造成一块网络盲区。造成这种现象最常见的物体为支柱或厚墙壁，也可能是水体或整屋的家具设施等。由于在网络环境中移动障碍物往往是不可行的，可以采取与解决“AP设备不足”问题相同的方法来解决这个问题，也就是增加AP设备或重新调整AP的位置。

（2）如果信号强度足够，需要查看这块区域的物理层速率（PHY Data Rate）。若速率值小于24Mbps，则表明Wi-Fi网络没有提供足够的速率来传输语音数据。语音质量较低，其可能导致的原因为多种工作模式的设备，即在具备高速率数据传输能力的无线网络（部署了802.11g或802.11n设备）中，放置了低速设备（例如仅支持802.11b的设备）后，将大大降低网络速率。由于这些“旧式”设备不能以较高速率工作，因此它们将导致整个网络的传输速率较低。这种情况下，将这些“旧式”设备清除是最好的解决办法，一般是通过设备升级或更换旧的组件来实现，同时要确保更新后的设备能满足较高的速率要求。

（3）如果物理层传输速率是足够的，那么问题的症结也许在于数据包重传率较高。过多的数据重传意味着AP与手机间的数据传输经常不可达，这会导致语音信息丢失，甚至是掉话。如果网络中的用户终端数大于AP设备可持的最大用户数，那么就会导致数据包在传输过程中发生碰撞。在网络中增加设备数量的方法有两种，一是增大网络布局（如增加AP设备），另一种是减少提供无线业务的站点数目。

2.3.2 日常维护环境中无线测试的分析

了解无线网络物理层日常维护的测试方式后，我们以福禄克艾尔麦Wi-Fi Analyzer无线分析软件作为主要测试工具进行介绍。

（1）无线信号强度分析

针对无线信号强度的情况，可以借助Wi-Fi Analyzer查看整个被测区域的无线状况，重点在于对无线信号强度和AP数量的监测，同时注意观测干扰情况，设备数量。

RF信号指示器可以展示无线信道的情况，通过测试得到无线信号的瞬时值以及最大值，另外也包括了非Wi-Fi信号的占用情况，同时分别给出了802.11内b/g/n和802.11a/n各信道的情况，每条信道由一个柱子代表，这些柱子实现了一种高水位线功能，能够显示每个信道在一个用户指定的采样间隔时间内所达到的最高信号功率。信道栏用不同颜色进行了标记，而颜色的动态变化反映了RF信号质量的变化。另外还需要观察被测区域中SSID的数量，以及每个SSID的AP以及AP的信道占用情况。

（2）干扰评分

对每个802.11设备，Channel Occupancy分析都会显示以下信息：设备名称和媒介类型；该设备的“中心”信道（频率），由红色方块的位置来表明；设备的信号强度由“中心信道单元格”的着色深度来表明，红色越深，信号强度越强；设备占用的信道由中心信道单元格中的数值来表明（对于40MHz的信道，1和-1分别用来表示40MHz以上和40MHz以下的信道。对于低于40MHz模式，由红色方块表示的中心频率可向左偏移10MHz，而对于高于40MHz模式，可向右偏移同样的大小）；设备的调制频谱利用情况，由在它这一行内的黄色单元格表明，而设备的未调制频谱利用情况，由在它这一行内的淡黄色单元格表明。

为了更好地描述无线信号的干扰情况，在测试上往往通过干扰评分的方式简化测试过程，信道的干扰评分基于标准Wi-Fi设备计算。在所选信道或相邻信道中工作的每个设备，都将会在受关注的信道中产生干扰。所显示的干扰评分则是把来自这些设备的干扰加起来得到的，它意味着信道因此遭受到多少干扰。每个信道的干扰评分可能大相径庭，这是由于在相邻信道中工作的设备数量不同而导致的。

802.11规定了标准所支持的每种调制类型对RF发射频谱特定的需求。这些需求被用于限制一台802.11设备对与工作信道相邻的信道所造成的干扰总量。由于RF信道没有明确的边缘，应采取谨慎的手段，让802.11设备采用滤波或其他技术，令其发送信号时，将发射到工作信道以外的RF总能量降至最低。即使已经将这种“信道外”干扰降到最低水平，却还是无法保证完全消除影响。

802.11标准和其修订版本中规定了如下发射频谱特性：如图18～20所示，当802.11设备发送信号时，允许对相邻信道产生最大-28dBr～-50dBr（相对于峰值的分贝值）的干扰。对于在2.4GHz频带内的40MHz传输，RF能量最远可能会在中心频率两侧的11个信道中存在。

在进行干扰评分时，使用这些802.11设备的频谱特性来确定某特定设备对某特定（逻辑）信道所造成的干扰总量。在计算干扰评分时，如下细节被纳入考虑范围：

①所关注的信道与设备工作信道间的“频谱距离”（包括每个信道的宽度）。

②设备对信道的干扰，是由调制频谱（即设备的工信道宽度以内）造成，还是由发射频谱的调制部分以外的“泄露”造成。

③设备的RSSI（信号强度）。

④设备当前的“带宽利用率”。

基于以上内容进行计算之后，应将干扰评分针对每个设备归一化、比例化（并可能加以限制）。应该注意的是，使用这种方法，一个Channel 6上具有很高信号强度的“忙”AP，与一个Channel 3上具有较低信号强度的不太忙的AP相比，可能会对Channel 1造成更大的干扰。

图18 802.11b的发射频谱特性

图19 802.11a/g（20MHz）的发射频谱特性

图20 802.11n（40MHz）的发射频谱特性

如图21所示为干扰评分的实际界面，左半部分为不同信道的干扰评分，如信道1为3.036、信道2为2.745，而右半部分为信道1中干扰源的归一化分值。绿色表示干扰评分被认为未超出正常水平（0～4.999）；黄色表示干扰评分被认为是“告警”的信号（5～19.999）；而红色表示严重的干扰（20及以上），需要即刻引起注意。

图21 干扰评分实际界面

（3）速率分析

WLAN要实现最佳的性能，速率测试和分析也是一项必要的测试。测试时，在每一条使用的信道上，分别查看信道的利用率以及信道的吞吐率两项内容。一般来说，60%的信道利用率和6Mbps的吞吐率对于一个802.11b网络来说是一个现实的上限。

如图22所示为信道利用率的测试，测试中根据指定采样时间，统计每个采样间隔时间内不同速率的分布情况和总的利用率情况，当前采样的利用率为16.14%，如果出现持续的高信道利用率伴随着 11Mbps 的最大流量，同时数据包错误率很低，可能意味着该802.11b 网络已经没有足够的容量来满足其所有用户的需要。一个可行的解决方法是降低小区的利用率，并在重点位置添加接入点。

除了上述测试内容，日常维护时还需要重点测试的另一项内容就是数据包错误率。

无线环境也是一个共享环境，过多的主机连在同一AP上时，会导致错误和重传的快速增加，在测试上可以通过站点——站点，或者站点——AP——站点连接测试方式加以判定。

图22 信道利用率测试图

2.4 无线局域网底层的故障诊断

2.4.1 场景一：衰减引起的无线故障

无线局域网可部署于不同的场合，可以在室内部署也可以在室外部署，而无线收发元器件在室内覆盖效果要明显劣于室外，在室内传播环境变化往往会很大，同样的AP和接收器部署，由于传输中遇到环境变化，可能造成不同程度的衰减。

在一些仓库或物流企业，经常能够遇到类似情形，现有物流业的发展，使得货物无线扫描终端在这些场合受到广泛运用。在仓库中货物按照货架排列，而货架在堆积满货物后，就如同一堵高墙，直接导致信号传输中的衰减。如图23所示，A、B、C三处由于货架的阻挡，远处A信号一般会低于近处C信号，而同一货架上由于货物本身所携带物品经常发生变动，若货物为电子产品或文档类物品，所形成的衰减效果也存在很大差别，这些都会直接或间接造成路径衰减的增大，从而使得无线的有效覆盖范围减小。

借助于路测无线工具，可以获得基于平面覆盖区域的热图，如图24所示。从图中可以看到灰色区域为信噪比没有达到25dB的区域，以噪声为-95dBm计算，要达到25dB的信噪比，则信号强度要在-70dBm以上，这就意味着灰色区域在无线传输过程中，信号强度不满足-70dBm，当信噪比低至10dB以下时，可能出现通信时断时续的现象。

图23 仓库货物堆积影响简易图

图24 基于平面覆盖区域的热图

在无线传输中，接收到的信号强度除了和距离有关外，还与传输路径中的障碍物材质有很大关系。距离导致数据传输率下降，此时发送和接收的应用吞吐量都会受到影响。

2.4.2 场景二：干扰引起的传输速率慢

除了距离外，在无线传输中，干扰也是非常重要的因素，因此除了监视信号强度和信噪比外，还需引入频谱分析，查看频谱内信道占用情况，相邻信道是否存在对本信道的干扰，而干扰又可分为非Wi-Fi干扰和Wi-Fi干扰。

在很多场合下，即便信号强度良好，例如，LCTech当前的信号强度已达到-35dBm，但是PING网关地址为192.168.1.1时，依然无法与PING联通，甚至有时连SSID都无法连接。

此时查看频谱分析结果，就可以发现信号占空比有很大问题，在信道中从1～5信道都受到了来自于非Wi-Fi信号的干扰，其中信道1占到了80%以上，而真正的Wi-Fi信号被压制在了很小范围内。这实际就造成了WLAN工作信道内，可用带宽减少，从而导致用户无线接入访问缓慢甚至无法连入。根据图形分析结果，可以得出11信道处无线环境良好，接下来可以考虑首先将AP的信道划分到11信道，以错开干扰，其次定位和识别干扰源的类型和位置。

除了上述提到的非Wi-Fi干扰，对同属Wi-Fi类型的信号，也分同频干扰和邻频干扰，在测试时也要进行分析，排除同频或邻频干扰因素造成的故障，一般建议同频接收信号强度小于等于-90dBm，邻频接收信号强度小于等于-70dBm。

同一信道内在设计时需要注意尽可能不设置过多的SSID。虽然设置了多个SSID可以方便用户管理，并且可以设置User和Guest用来区分本地用户和来访用户，但考虑到信道共享的通道，多个SSID并存必然导致无线资源的竞争，使可用带宽变少，从而致使访问变慢。

一般来说，不产生干扰的前提是AP为单频单无线模块（AP里只有一套无线收发），如果AP里有2块以上无线模块，分别在不同的模块上开启多个SSID，并使用同一信道，那么就会产生干扰。

另外，单模块的AP也只能设置1个信道，不会因为在该模块上要开启多个SSID，就可以使用不同的信道。信道数与AP内的无线模块数相关。

即便是AP+AC（控制器）的方式，在单个AP上可以开启多个SSID，使用相同信道，而它的工作原理是AC使用时分机制分配单模块AP上不同SSID所接受的数据包，所以，无论在AP上开启多少个SSID（一般的运营级AP单个无线模块可支持多达16个SSID），AP总的容量是不变的，如11b/g的AP，业务层容量最多不会超过24Mbps。

2.4.3 场景三：无线容量导致的故障

在完成无线局域网部署后，后期在使用过程中经常还会遇到用户数量的调整和业务的调整，此时会面临新的问题。

在无线热点的区域，如会议室或用户人群密集区域，信号强度和干扰问题不一定是最大的困惑，而覆盖区域内有效的用户容量将是更为突出的问题。

借助通道占空比的测试，我们可以了解到当前信道实际被占用的情况，判定当前信道是否存在过载的情况。如果信道占空比已经达到70%以上，那么说明信道已处于高载状态，而无线局域网则采用类似共享的方式使用信道资源。若在同一时间内，30个用户连接在同一个AP下，并且不同程度的进行着业务通信，那么访问速度缓慢甚至连接不上网络将是必然的事情。

2.4.4 场景四：无线测试中的定位

在实际维护无线网络时，经常面临着本网络内的合法设备和非本网络设备的区分问题。非本网络设备经常成为故障的隐患，例如员工私接AP进行组网，一旦这些AP接入网络中，那么安全状况将成为首要问题，由于借助该类非许可AP接入到了内网，局域网中的防火墙已形同虚设；而另一种情况是智能终端的使用越来越多，而其私人用品的特点导致了可管理性较差。

基于上述情况，需要对非法AP或终端进行有效地定位。在定位技术的使用上，由于无线传输模型比较复杂，且现场实际环境千变万化，通常无法单纯地借助信号强弱的方式来识别需要定位的对象。一般情况可借助于1/4法，即把检测区域分为4个区域，然后分别在4个小区域进行信号测量，得到4个小区域内信号强度的情况。再如图25所示，找到信号区域最强的左上角小区域，继续在左上角小区域划分4个更小的区域，按照同样的方式再次进行测试统计，最后逐渐确定被定位的对象。