浅谈无线局域网底层测试和故障诊断（一）

文│ 上海朗中信息系统有限公司 潘凯恩

如今，越来越多的应用被移植到无线上来，而无线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服务质量的问题也不绝于耳。虽然无线局域网可以很轻易地部署到智能楼宇或者更为广泛的企业网络中，但要正真发挥无线网络的功能，实现高效、稳定的Wi-Fi接入，我们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巨大，分析方式也有所不同。

无线局域网物理层的常见问题故障一般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。

1 无线局域网底层测试的主要内容

综合来看，无线局域网物理层测试的主要内容包括：WLAN频谱分析、信号强度、无线信道分析、AP容量测试。

（1）WLAN频谱分析：在WLAN部署和工作时，WLAN所处的无线环境并不是完全纯净的，它将面临ISM频段其他设备的干扰，典型的如同频干扰和临频干扰，可能来自同一区域内的其他AP，另外也会受到非Wi-Fi设备的干扰，如蓝牙设备、无绳电话、无线摄像头、微波炉等。

（2）信号强度：指无线AP覆盖的有效范围，通常距离越远信号越差，而根据接收机的灵敏度，无线终端会根据实际接收信号强度决定传输速率，信号强度越弱则传输速率越低。

（3）无线信道分析：无线信道分配方式，相邻无线小区应错开信道，同一信道内SSID的数量也需要进行控制。

（4）AP容量：每个AP可以同时承载的用户数是有上限的，且在无线传输时本身的开销比较大，在设计和使用时应预先规划。

在分析上我们将无线底层测试分别按三种不同场合环境进行测试：

（1）分析无线环境，一般借助频谱分析软件，分析2.4G以及5G频段的无线频谱。

（2）无线信号覆盖的评估测试，一般借助无线勘测工具，测试分析信号覆盖情况、信号强度、用户容量等。

（3）日常维护中无线分析，一般借助频谱分析工具或者WLAN专业分析工具，对已建无线网络进行测试和故障诊断。

1.1 无线频谱的状况分析

1.1.1 无线频谱状况分析环境中的部署方式

在WLAN部署前以及无线网络性能出现问题时，往往需要对无线频谱环境进行评估分析，以排查无线物理层状况而引起的无线问题和故障。无线频谱状况分析一般借助安装于PC的频谱分析卡进行无线信号采集，并通过无线频谱分析软件进行后续分析的过程。

一般在部署时，可采用单机版的频谱分析工具或者分布式的频谱分析工具，其实现的原理基本相似，即借助频谱分析卡周期扫描被测区域内Wi-Fi频段，采用时域频域转换的方式，得到频域范围内的频谱特性信息。例如，以256点FFT，采样率为40MHz，那么一次FFT需时：256/40=6 μ s。并且分辨率带宽（RBW）为：40MHz/256=160kHz。理论上采用点越多，图形越精确，但这依赖于采集卡的特性规格。

频谱分析除了需要FFT引擎外，还需要有相应的统计以及脉冲检测和快照缓冲等构成。如图1所示。FFT引擎为时域转换到频域；统计块为时间上的合计：平均值，最大值，占空比；脉冲检测器为检测突发传输；快照缓冲区为采集原始信息以供软件分析。

图1 频谱分析工具工作模块图

1.1.2 无线频谱状况分析环境中的分析方式

我们以福禄克艾尔麦的AirMagnet Spectrum XT无线频谱分析软件的工作方式来进行无线频谱分析的说明，软件通过频谱卡以及无线WLAN网卡同时配合使用，可以实时捕捉在无线网络中的频谱和无线数据，并在屏幕上实时显示。频谱卡测试包括六个频带，即2.4GHz、4.9GHz、5GHz下频段、5GHz的中频段、5GHz的上频段，覆盖了ISM频段。

在无线频谱测试时，将通过统计多种图形参数进行无线环境的测试，包括分析频谱以及分析Wi-Fi数据。

1.2 分析频谱

（1） 实时的FFT如图2所示，X轴为频率，Y轴为功率，读值包括当前、平均和最大FFT读数，它显示了无线电信号的射频功率。通过实时FFT图，可以测试对无线网络性能影响最大的RF干扰源的频段，可以了解基于整个WLAN频带的信号强度情况，如果出现某一频带被高强度设备长时间占用的情况，可以快速区别，以方便做出后续信道的调整，优化WLAN。

图2 实时FFT图

（2）频谱密度如图3所示，它显示了一个特定的频率/功率，随着时间的推移，其读数的时间分布情况，X轴为频率，Y轴为功率，读值为占用百分比。同时它还可以显示AP使用的相应频率范围内的信号强度。

图3 频谱密度图

（3）谱图：滚动扫描显示RF环境的历史情况如图4所示，X轴为频率，Y轴为扫描周期，而读数为某一时刻的信号强度，借助图形可以将频谱变化可视化，用来分析WLAN网络问题的RF能量断断续续的情况。

图4 谱图

（4）信道占空比如图5所示，显示RF信号高于噪声门限以上的时间占用百分比的状况，X轴为信道，Y轴为百分比，分成两部分统计，非Wi-Fi信号以及Wi-Fi信号。通过测试该项参数，可以获得每个信道占用情况的信息，排除非Wi-Fi信号对无线信道的滥用。实际Wi-Fi环境中，非Wi-Fi信号可能来自蓝牙设备、数字无绳电话、模拟无绳电话、无线摄像头、微波炉、无线监视器、无线游戏控制器以及RF阻断等设备。

图5 信道占空比

（5）信道功率如图6所示，显示选定频带所有信道的最大和平均功率，X轴为信道，Y轴为功率，可以帮助判定信道是否饱和或可用。

（6）信道占空比及干扰功率与时间趋向对比如图7所示，显示RF信号高于噪声门限以上的基于时间轴的分布情况，X轴为时间，Y轴为百分比，读值为不同信道的占用时间趋势。图7显示了信道1、6、11某段时间内的占空比情况。

图7 占空比及干扰功率与时间趋向对比

1.3 分析 Wi-Fi数据

（1）AP信号强度图：AP信号强度定义和显示所选频段信号强度最大的三个AP，如图8所示，X轴为信道，Y轴为AP信号强度，单位为dBm。

图8 AP信号强度统计

（2）信道占用：信道占用可以将所选频带可用信道可视化，并显示AP的占用情况，借助于颜色区分信号强度和受干扰程度，可以帮助Wi-Fi部署时有全面的无线信道使用状况信息，以达到最优网络性能。

（3）信道排序：在无线信道分析测试时，按照信道对各项指标进行排序也是非常普遍的分析方式。一般可按照下列方式进行排序：

①信道按速度排序，可以图形化显示每个信道的速率情况以及每个信道中传输的数据字节量。例如，我们可以很方便的获得当前信道1中的信息，即传输速率在2M～9M之间，传输的数据量近9Mbps，如图9所示。

图9 按速度进行排序

②信道按介质方式排序，即802.11a、802.11b、802.11g、802.11n，可以图形化显示每个信道中的无线介质传送的数据量。例如，借助图9我们可以得知信道1中主要的传输方式是802.11g，传输的数据量在14M左右，如图10所示。

③信道按照地址方式进行排序，即广播、组播和单播，可以图形化每个信道中的地址流量分布情况，如图11所示。信道1中，广播流量占用了超过10Mbps的流量，而单播流量为5Mbps。通过分析，可以排除Wi-Fi信道广播流量是否异常等故障。

图10 按介质方式进行排序

图11 按地址进行排序

④信道按照重试请求和CRC错误进行排序，可以比较不同信道的重传以及错误的情况，如图12所示。

图12 按重新请求和CRC错误排序

（4）信道利用率：信道利用率图形可以展示每个信道带宽占用百分比情况，并且还可以给出数据传输速率的明细情况，如图13所示。可以看出信道大多处于低速率传输模式下，说明可能存在信号强度不够、衰减较大等情况。

（5）信道噪声比：信噪比如图14所示，展示了所有可用信道上的信噪比，X轴为信道，Y轴为分贝数。在无线设计和性能优化时，对信噪比会做一定要求，一般需要信噪比达到25dB以上。

图13 信道利用率

图14 信号噪声比

2 无线信号覆盖的评估测试

2.1 无线信号覆盖评估环境中的部署方式

无线信号在传播时不可避免的会产生信号损耗，在室内传输时，距离发射天线1m的距离就可产生40dB的损耗，而随着距离的增加，每达到2倍损耗相应的也要增加10dB左右的损耗，而在室外也会产生近6dB的损耗。无线信号传输中损耗和距离的对应关系如图15所示。

图15 无线信号传输中损耗和距离的对应关系

在接收强度大于-85dBm时，802.11设备通常可以工作（可以低速率接入，由于信号强度不够，无法达到最高速率）；而接收强度主要取决于发射端的输出功率以及它同接收端的距离，同时还要考虑接收端的最小灵敏度。假设AP的发射功率为20dBm（100mW），而它距离站点有16m，那么它接收的信号预估为：

测试无线信号强度在部署时需要使用一台或多台安装有无线网卡的测试工具，在不同的位置对信号强度进行测试并记录。

2.2 无线信号覆盖评估环境中的分析方式

一般借助WLAN勘测软件进行覆盖评估，而考虑到实际无线覆盖环境是一个个AP工作区域组成的更大区域，在测试时通常采用打点测试的方式，即在测试区域选择若干测试点进行信号强度的测试并记录。

打点测试在测试部署上相对比较容易，测试方法简单，被广泛应用。但其缺点也非常明显，即不能全面直观的显示被测区域内的信号覆盖情况，所以在此基础上，又衍生出了信号热图测试方法。

热图的测试方式是更为直观的测试方式，原理上和打点测试相类似，但是引入了衰减模型仿真，即测试中对于没有实际测试的区域采用信道衰减模型的方式，利用已有的测试采集点数据，推算出其他位置的信号分布情况，因此测试的准确程度依赖于测试采集点的密度，采集点越多，实际得出的覆盖热图就更接近实际信号覆盖情况。而借助福禄克艾尔麦软件测量环境定义的界面，通过定义软件可以选定衰减模型，比如室内或室外的衰减模型，从而使测试勘测结果更为精确。

除了衰减模型的定义，在测试前需要对测试路径进行规划，尽可能的以最优路径来完成被测区域内的采集点最大覆盖。这就需要在勘测区域的地图上画出移动轨迹（红点表示），两个红点之间即为测试路径，通常在一次勘测测试中会经过多条测试路径，而蓝点则用来表示软件定时自动打点，在每段测试路径中的蓝点均为测试系统自动打点，打点采样频率可以根据需要自行设置采样间隔时间。勘测区域中剩余没有经过的区域就运用之前选择的衰减模型结合已采集的信息计算得出，由此便可以得到被勘测区域完整的信号覆盖状况热图。

在测试过程中，可以进行两种类型的勘测，一种是被动测试，仅仅“监听”，不主动发出信号，从整个环境采集射频数据；另一种是主动测试，测试时需要关联到某个SSID，并且配置802.11。被动测试由于无需进行设置，容易完成测试，多用于工程验收，而主动测试强调实际使用覆盖，更多用于后期维护。

图16为勘测前后的比较图，通过勘测测试以热图的方式展示被测区域信号覆盖情况。图中不同的颜色代表不同的信号强度，蓝色代表信号强度最大，橘黄色代表信号强度为-100dBm，已经非常微弱。

图16 信号覆盖热图

除了信号强度测试外，无线物理层测试内容还需要包括用户容量，保证用户接入无线后有相应的最低速率。无线客户端在信号强度变化时，接入的速率也会变化，在保证信号强度的同时，也需要考虑实际接入的用户数容量。

（注意：浅谈无线局域网底层测试和故障诊断进行分期刊登，本期为第一部分；第二部分将刊登在3 月刊 上，敬请关注。）