WLAN射频管理

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什么是射频管理

射频资源管理RRM（Radio Resource Management）能够实现自动检查周边无线信号环境、动态调整信道和发射功率等射频资源、智能均衡用户接入，从而降低射频信号干扰，调整无线信号覆盖范围，使无线网络能够快速适应无线环境变化，确保用户接入无线网络的服务质量，保持最优的射频资源状态。

WLAN技术是以射频信号（例如频率为2.4GHz或5GHz的无线电磁波）作为传输介质的，无线电磁波在空气中的传播会因为周围环境影响而导致无线信号衰减等现象，进而影响无线用户上网的服务质量。通过配置射频资源管理，可以动态调整射频资源以适应无线信号环境的变化，提高用户上网体验。

射频管理包括：

射频调优、负载均衡、频谱导航、用户CAC、信道切换业务不中断和逐包功率调整等

射频调优

WLAN网络中，AP的工作状态会受到周围环境的影响。例如，当相邻AP的工作信道存在重叠频段时，某个AP的功率过大会对相邻AP造成信号干扰。通过射频调优功能，动态调整AP的信道和功率，可以使同一AC管理的各AP的信道和功率保持相对平衡，保证AP工作在最佳状态

射频调优包括：

  • 动态调整AP信道
  • 动态调整AP功率

调优的方式包括：

  • 全局射频调优：AP域内所有AP动态分配合理的信道和功率，一般用于新部署WLAN网络或WLAN网络出现大面积环境恶化的情况。
  • 局部射频调优：对指定的AP动态分配合理的信道和功率，一般用于新增AP或AP域内出现局部信号干扰的情况。

调整信道：

为了保证每个AP能分配到最优的信道，尽可能地减少和避免相邻或相同信道的干扰

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  • 信道调整除了用在射频调优功能，还可以用在动态频率选择DFS（Dynamic Frequency Selection）功能。
  • 某些地区的雷达系统工作在5G频段，与工作在5G频段的AP射频信号会存在干扰。通过DFS功能，当AP检测到其所在工作信道的频段有干扰时，会自动切换工作信道。
信道

对于无线局域网，为了避免信号干扰，相邻AP只能工作在非重叠信道上。例如，2.4G频段可以划分14个交叠的、错列的20MHz信道

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相较于2.4G，5G频段，频率资源更为丰富，AP不仅支持20MHz带宽的信道，还支持40MHz、80MHz及更大带宽的信道

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  • 40MHz信道是将两个相邻的20MHz信道捆绑在一起形成的。其中一个是主信道，另一个是辅信道。
  • 80MHz信道是将两个相邻的40MHz信道捆绑在一起形成的。在80MHz带宽的信道中，必须选一个20MHz的信道作为主信道，那么这个主信道所在的40MHz信道中，剩余的20MHz信道称为辅20MHz信道，而不包含这个主信道的40MHz称为辅40MHz信道。
  • 160MHz信道是将两个相邻的80MHz信道捆绑在一起形成的。在160MHz带宽的信道中，必须选一个20MHz的信道作为主信道，那么这个主信道所在的80MHz信道中，剩余的20MHz信道称为辅20MHz信道，不包含这个主信道的40MHz信道称为辅40MHz信道。不包含这个主信道的80MHz称为辅80MHz信道。5GHz频段至多可以划分出2个160MHz信道。
  • 80+80MHz信道是将两个不相邻的80MHz信道捆绑在一起形成的，主信道和辅信道的划分与160MHz信道类似。相较于160MHz信道方案，80+80MHz信道方案可以在5GHz频段内划分出3个以上非重叠信道，可以用于蜂窝式信道规划，更加贴近实际无线网络部署的需要。
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主信道用来发送管理报文和控制报文。只有当主信道空闲时，整个信道才是空闲状态。

调整功率：

在整个无线网络运行的过程中，根据实时的无线环境情况动态地分配合理的功率

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AP的发射功率决定了其射频信号的覆盖范围，AP功率越大，其覆盖范围也就越大。传统的射频功率控制方法只是静态地将发射功率设置为最大值，单纯地追求信号覆盖范围，但是功率过大可能对其他无线设备造成不必要的干扰。因此，需要选择一个能平衡覆盖范围和信号质量的最佳功率。

实际案例
一次在做长ping测试时，发现有个区域的延时很不稳定，明明已经在AP底下进行测试了，但仍然会出现延时跳跃的情况，抬头看了一眼AP位置，发现其左右5M左右各有一个AP，进行功率调优后，平均延时便降了下来。

实现原理

全局调优

在射频调优时，合法AP需要收集周围合法AP、非法AP（指的是非本AC控制下的AP）和非WiFi设备的信息上报给AC。在AC上，AC根据这些信息形成网络中的AP设备的邻居关系，并根据邻居关系、干扰以及负载信息，运行DCA（Dynamic Channel Assignment）和TPC（Transmit Power Control）算法，生成AP新的发射功率和工作信道，再下发给AP使用。在这个过程中，邻居关系、DCA算法（信道调优）和TPC算法（功率调优）是三个关键技术点。

调优过程：

  • 使能全局调优后，AC通知各个AP开始周期性的进行邻居探测。
  • AP进行周期性的邻居探测并将探测结果上报AC。
  • AC等待所有AP都上报邻居信息后开始运行全局调优算法为AP分配信道、功率。
  • AC向AP下发调优结果。如果是第一次启动全局调优，AC等待一段时间后根据新收集到的邻居信息再次启动全局调优，如此连续调优多次，可以使得调优结果尽快逼近最佳并稳定下来。
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邻居探测

邻居探测的目的是收集周围合法AP、非法AP和非WIFI设备的信息。探测方式包括主动和被动两种方式

其中，合法AP的信息包括：

  • 邻居关系：主动探测AP以最大发射功率在不同信道（比如，1、6、11）轮询发送Probe Request请求，收集周围有哪些邻居。
  • 邻居干扰：AP在不同信道上轮询收集消息，消息包括Beacon、Data、Probe Request、Probe Response消息等，干扰强度的大小取这些消息中TOP20的信号强度的平均值。
  • 邻居负载：AP上行和下行的吞吐率。

非法AP的信息：

  • 邻居关系：非法AP的判断以及合法AP之间的邻居关系是由WIDS&WIPS模块输入的。
  • 邻居干扰：AP在不同信道上轮询收集消息，消息包括Beacon、Data、Probe Request、Probe Response消息等，干扰强度的大小取这些消息中TOP20的信号强度的平均值。
  • 邻居负载：这里的负载只包括上行和下行，即，收集非法AP收发的Data帧信息，根据帧的大小（长度），帧的个数，估算其吞吐率大小。

非WIFI设备的信息：

  • 邻居关系：非WIFI干扰是指来自于微波炉，无绳电话这种与WIFI系统使用相同频段的非WIFI设备的干扰。非WIFI信息的收集通过频谱分析模块收集。
  • 邻居干扰：频谱分析模块给调优的模块包括设备类型，频谱类型（跳频，固定频率等），信号强度，所在信道。以及包括了干扰的大小。
  • 邻居负载：非WiFi设备的负载使用被干扰的合法AP的负载。
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调优算法

动态信道调整算法DCA

AC在获得邻居关系拓扑，干扰以及负载信息后，通过DCA算法（信道调优）就可以为AP分配信道了。DCA算法本身是一种迭代算法：在每次迭代中，为待分配信道的AP选择不同的信道，并比较本次使用的信道与上次相比，是否满足性能提升则用本次选择的信道替换上次的信道，并且继续下一组信道的比较；如果不满足则使用上次使用的信道，并且继续下一组信道的比较。然而，实际组网时AP数是非常多的，AP的信道配置组合随AP数增加而成指数增加，如果直接这样迭代每个信道组合，效率和效果都非常差。

解决方案：将所有AP分解为许多小的局部调优组，通过为每一个调优组分配信道从而实现为全局的AP进行信道分配。在局部调优组内部采用比较简单的迭代穷举算法，迭代所有可能的“AP-信道”组合，最终选出一组最优的组合。

动态带宽选择算法DBS

从802.11ac开始，Wi-Fi系统中的频宽类型增加到了4种：20 MHz、40 MHz、80 MHz和160 MHz。频宽越高，吞吐量越大。由于可用信道数量有限，无法将每个AP的单射频频宽都配置为80MHz或160MHz模式。对于室内非高密部署场景（AP间距10m～15m）的5G网络，通过DBS算法可以自动识别业务优先级、业务吞吐量和干扰的情况，优先为负载高的区域分配更多网络资源，为每个AP的射频动态分配合理的频宽，提升用户体验。算法步骤：

  1. 根据能够组成80MHz/40MHz信道的能力，对可用的5G信道进行分组；
  2. 按拓扑距离对AP进行分配顺序排序；
  3. 根据干扰指数、带宽满足度、信道隔离度、信道复用指数等因素，分配主信道；
  4. 各AP基于20MHz信道，按分配顺序升级为40MHz和80MHz。
动态频段调整算法DFA

DFA算法主要针对的是冗余2.4G射频的自动识别和调整。DFA对于冗余射频的处理步骤如下：

  1. 识别某个射频为冗余射频后，DCA算法会根据当前网络中射频的信道、带宽、干扰等来决定将该射频切换为5G或monitor。
  2. 当该射频被切换为5G时，其信道为默认的5G信道。此时，需要再次通过DCA算法对该射频的信道进行调整。
  3. 在此过程中，一旦漏洞检测机制检测到2.4G射频存在覆盖漏洞，切换后的5G射频会回切到2.4G射频。
  4. 如果AC出现重启，AP上线时会携带AC重启前的信道、功率、频段、射频开关等配置信息重新上线。如果AP长时间未上线，在上线后会重新进行冗余射频的判断和频段分配。
  5. 当关闭DFA功能时，冗余射频将恢复为原配置值。例如，被自动切换为5G或monitor状态的射频将恢复为2.4G。
2.4G冗余射频

2.4G冗余射频，指的是该射频和邻居射频存在同频干扰，同时该射频覆盖的区域可以由邻居2.4G射频进行覆盖，这样的射频称之为冗余射频

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WLAN网络中的冗余射频会形成同频干扰，同时也是对网络容量的浪费。因此，对于冗余射频，采用如下处理策略：

  • 切换为5G：如果5G可用信道比较多且该冗余射频支持切换到5G，可以切换为5G来增加5G射频的最大容量。
  • 切换为monitor：如果5G信道资源使用已经饱和，可以切换为monitor，专用于扫描类业务。
  • 关闭射频：关闭冗余射频不会产生覆盖问题，同时有利于降低同频干扰。

如果通过人工识别冗余射频并手动切换或关闭，无疑会形成大量的网络维护成本。DFA（Dynamic Frequency Assignment）功能能够自动识别2.4G冗余射频，并自动切换或关闭冗余射频，降低了2.4G同频干扰，增加了系统容量。

发送功率控制算法TPC

TPC算法的目标是选择一个合适的发送功率，既能满足本AP的覆盖范围要求，又不会对邻居AP形成较大的干扰。算法步骤：

  1. 根据AP的邻居数目估计AP的布放密度，确定发送功率初始值，及对邻居干扰的最小和最大门限。

    最小干扰门限：表示对邻居干扰强度很低，干扰可接受，两个AP既相互不感知，又能同时发送报文。最大干扰门限表示对邻居干扰非常大，两个AP之间几乎不能避免相互感知，只能通过CSMA竞争收发报文。

  2. 重新检测邻居间的信号强度，如果邻居的干扰 < 最小干扰门限，根据两者差值大小决定是否提高发送功率。如果邻居的干扰 > 最大干扰门限，则根据两者差值的大小决定是否降低发送功率。

局部调优

目标是在局部信号环境恶化时通过小范围内的信道和功率调整，使局部的信号环境达到最佳。局部调优算法中基本的DCA和TPC算法与全局调优完全相同。以下几个场景会触发局部调优：

  • AP上线：AC检测到AP上线后，AC将会给新上线的AP分配信道和功率。为了获取到更好的结果，AC可能还会对新上线AP的直接邻居重新分配信道或功率，例如为了避免新上线AP和邻居间的互相干扰，可能会适当调小邻居的功率。
  • AP下线：AC检测到AP下线后会运行调优算法适当增加下线AP邻居的功率，以求弥补下线AP留下的信号覆盖空洞。考虑到AP异常重启或者人为维护等目的导致的短时间内的重启，AC并不是在AP下线后立刻开始调优，而是等待一段时间后，才在更新邻居信息后运行局部调优算法。
  • 非法AP干扰：非法AP由邻居探测识别，并将干扰信息作为调优的输入，设备根据干扰大小触发局部调优。当干扰大小超过门限（默认-65dBm）时，被认为是严重干扰，及时触发局部调优处理，调整非法AP周边AP的信道，尽量避开非法AP的干扰。
  • 无线环境恶化：由于干扰、信号弱等各种原因引起的丢包率、误码率等的增加。如果AP发现信道利用率过高、底噪过高或无法正常发送Beacon帧，会上报AC触发局部射频调优。
  • 非WiFi设备干扰：包括微波炉、无绳电话等与WiFi系统使用相同的频率的非WiFi设备带来的干扰。对非WiFi设备干扰的识别由频谱分析模块负责，输出的干扰信息作为调优模块的输入，并根据干扰的级别判断是否触发局部调优，如果存在一个严重干扰或一个周期内多次出现较大的干扰则及时触发局部调优，通过调整非WiFi设备周边AP的信道或功率，从而尽量避开非WiFi设备的干扰。
  • 手动触发局部调优：用户通过手动指定AP组或AP来触发局部调优。
配置思路
  1. 配置信道和发送功率自动选择功能
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  1. 配置调优功能的模式（方式）
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  1. 配置邻居探测功能

  2. 射频调优绑定到AP或AP组

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负载均衡

在大中型WLAN网络当中，有的AP接入的用户数多，有的AP接入的用户数少。由于Wi-Fi空口采用的是基于竞争的多址接入方式，在同一个射频下接入的用户数越多，竞争开销越大。体现在空口吞吐率也会越低，用户体验也就越差。也就是说布放更多的AP并没有带来更好用户体验。

  • 使能负载均衡功能的AP必须连接到同一AC上，且STA能够扫描到相互进行负载均衡的AP的SSID。

负载均衡分为静态负载均衡和静态负载均衡

静态负载均衡

将提供相同业务的一些AP通过手工配置加入到一个负载均衡组中。AP周期性地向AC发送与其关联的STA的信息，AC根据这些信息执行负载均衡过程。当STA发送关联请求时，AC根据负载均衡算法判断STA是否允许接入。实现静态负载均衡，需要满足：

  • 一个AP的同一个射频只能加入到一个负载均衡组。图中AP是以单频AP（即AP仅支持一个射频：2.4G或5G）为例。如果是多频AP，则AP上相同频段的射频之间实现负载均衡。也就是说，一个双频AP同时可以加入到两个负载均衡组。

  • 每个负载均衡组内成员有限，最多支持16个成员。

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动态负载均衡

STA上线之前，发送广播的Probe Request报文，扫描周围的AP。AP收到STA探测信号后，上报AC。AC将所有上报该STA的AP动态组成一个组，然后根据负载均衡算法判断STA是否允许接入。动态负载均衡解决了静态负载均衡的成员数目有限，均衡组内各成员需要手工配置且必须为同一频段的缺点。

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负载均衡算法

当STA向STA发起关联请求时，AC会首先判断是目前AP的接入用户数是否超出负载均衡起始门限，如果没有超出门限，则允许STA上线，如果超出门限，则根据负载均衡算法来决定是否允许STA接入

通过公式（当前射频已关联的用户数/当前射频支持的最大关联用户数）×100%，计算出均衡组内所有成员（即所有AP射频）的负载百分比，得到最小值。然后取STA预加入的AP射频的负载百分比与最小值的差值，并将此差值跟设置的负载差值门限（通过命令行配置）比较，如果差值小于预设置的负载差值门限，则认为负载均衡，允许该STA接入；否则，认为负载不均衡，拒绝STA接入请求，如果STA继续向此AP发送关联请求，重复次数大于设置的最大拒绝关联次数，则最终还是允许STA接入。

e.g.

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AP_1和AP_2在一个负载均衡组中，AP1下有四个用户，AP2下有一个用户，设置负载均衡起始门限为5，负载差值门限为5%，AP1和AP2的射频支持最大关联用户为10，现STA6想加入AP1，由于超出了负载均衡起始门限，因此根据负载均衡算法来决定。

通过公式，AP1的负载为$4/10100%=40%$，AP2的负载为$1/10100%=10%$，因此负载均衡组的最小值为10%，STA6预加入到AP1的负载为$(4+1)/10*100%=50%$，与最小值的差为40%，超过了负载差值门限（5%），因此判断该负载均衡组需要负载均衡，AP1拒绝STA6的关联。

频谱导航

一个AP上的频段负载均衡。

现网应用中，大多数STA同时支持2.4G和5G频段。当STA通过AP接入网络时，通常默认选择2.4G接入。这就导致信道本身就少的2.4G频段显得更加拥挤，负载高，干扰大；而信道多，干扰小的5G频段优势得不到发挥。特别是在高密度用户或者2.4G频段干扰较为严重的环境中，5G频段可以提供更好的接入能力，减少干扰对用户上网的影响。如果用户想要接入5G，则需要在STA上手工选择。

  • 频谱导航实现分两阶段：
    • 记录终端的频段能力；
    • 判断是5G优先还是2.4G优先。
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记录终端的频段能力

当AP从2.4G收到Probe请求时，如果在连续的一段时间内只能收到2.4G的Probe请求，则认为该终端只支持2.4G频段；否则认为该终端是双频终端。相同的逻辑也用于5G上的判断

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2.4G？5G？

根据负载分担情况选择当前终端接入时，是从2.4G频段还是5G频段：

  • 首先判断AP的接入用户数是否超过起始门限（start-threshold），如果没有，则STA可以优先接入5G射频。
  • 如果超过，则AP将根据公式（5G射频接入的用户数–2.4G射频接入的用户数）/5G射频接入的用户数*100%，计算出两个射频间负载差值与双频间负载均衡的差值门限（gap-threshold）比较，从而判断让STA在哪个频段接入。

e.g.

如果STA在2.4G向AP发起关联请求，假设现在用户数超过start-threshold，则需要根据两个射频间的负载差值进行双频间的负载均衡。如果（5G射频接入的用户数–2.4G射频接入的用户数）/5G射频接入的用户数*100% > gap-threshold，则优先使该用户在2.4G射频上线；反之，则优先使该用户在5G射频上线。

用户CAC

WLAN网络中存在较多用户时，如高密场景，随着上线用户数目的增多，用户间对信道的抢占激烈，导致每个用户的上网质量变差。为了保证在线用户的上网体验，可以部署用户接入控制CAC（Calling Access Control）功能，AP通过统计射频的信道利用率、该射频上在线的STA数目或终端信噪比，设置门限值控制用户的接入，保证在线用户的上网质量。

两个门限值

CAC使用两个门限值，分别控制新增用户和漫游用户的接入。新用户接入时，AP检查当前的信道利用率、用户数目或终端信噪比是否达到新增用户的门限值，如果达到则拒绝新用户的接入，并可以隐藏SSID，避免其他新用户搜索到此射频提供的WLAN服务。同时针对基于信道利用率和基于用户数这两种用户接入控制，为了保证在线用户能够漫游到此AP，需要为漫游用户预留一定资源，但如果漫游用户过多，同样会影响在线用户的上网体验，这就需要漫游用户的门限值。当漫游用户接入时，只要未达到漫游用户门限，漫游用户都可以接入该射频。

三种实现方式

  • 基于信道利用率

    • 基于信道利用率的CAC，能更精准的保证用户质量，但算法较为复杂。当用户间的业务类型和流量大小差异较大时，推荐使用此方式。

  • 基于用户数

    • 基于用户数的CAC，不如基于信道利用率的CAC计算精确，但算法简单。当多数用户使用的业务类型相同，业务流量平均时，推荐使用此方式。

  • 基于终端SNR（Signal Noise Ratio）

    • 当WLAN网络整体信号覆盖效果好，覆盖范围边缘信号较弱时，推荐使用此方式。

  • 其中，基于信道利用率和基于用户数二者互斥，但与基于终端可共存。

信道切换业务不中断

  • 当AP工作在DFS信道时，AP会进行雷达检测，因为DFS的信道频率和雷达工作频率之间有干扰，因此AP会自动调整信道，避免干扰雷达。
  • AP在信道需要切换时，会通知STA在固定beacon周期后进行信道切换，使AP和STA同时切换信道，避免STA重新关联，从而快速恢复业务，提高用户的上网体验。
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  • 配置时可以选择信道切换后是否继续原信道的业务流量

逐包功率调整

传统的射频功率控制只是静态的将AP的功率设为固定值，对AP覆盖范围内的所有用户的功率都保持一致。

为了实现绿色节能的目的，可以执行power auto-adjust enable命令使能AP逐包功率调整功能，此时，AP实时检测STA的信号强度，如果STA信号强度强（距离AP较近），则发送数据包时自动降低实际发送的功率；如果STA信号强度弱（距离AP较远），则恢复正常功率发送无线信号。

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参考文章

https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100126893/7fa790cb