Wifi性能测试影响因素评估及调优方法

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2023年12月12日发(作者：)

WiFi性能测试影响因素评估及调优方法

Evaluation of WiFi performance test factors and tuning methods

WiFi性能在准入测试中是运营商的测试衡量指标，也是比拼测试中的重点测试项目。由于WiFi处于ISM中开放频段，因此无线环境十分复杂，影响WiFi空口性能的因素也十分复杂。WiFi空口性能的影响因素不仅包括网关所配置的无线参数，还包含所处测试环境的情况。下面对性能有影响的因子一一列举，并依据理论数据和经验数据将影响程度进行量化。

1 参数配置因素

1.1 AP的无线参数影响

1.1.1 AP的保护时间间隔

为减少多径效应导致的ISI干扰，协议规定传输的信息符号间需保持800ns的保护时间间隔（GI）。在802.11n协议中为提升无线性能，有一项新的PHY层技术Short GI（400ns），该技术在在多径效应不明显的环境下，对单条空间流，Short GI相比于Long GI可以提升吞吐量10%，性能提升比是1.1108，近似为1.1倍。页面配置如下：

一般为确保家用环境下有较好的性能，网关出厂时默认为Long GI。若需要将空口性能提升，可以修改为Short。

Long GI适合场景：在AP工作在恶劣的工作环境中（特别是涉及到多墙体反射的多径环境下），使用Long（默认GI）较好；多径干扰环境下，或者环境干扰较大时，以Short GI发包容易造成丢包和重传，反而会降低性能。

Short GI适合场景：在环境干扰少，测试环境较为空旷无过多反射体的环境下，环境丢包和重传率很低的场景下，使用Short GI可以有效提升吞吐量。 串口设置方法：wl–i wl0 shortslot 1//设置为Short GI

wl–i wl0 shortslot 0//设置为Long GI

iwpriv wlan0 set_mibshortGI20M=1 //设置为shortGI

也可在串口中输入wl–i wl0 shortslot查看返回值，返回值为1则为Short GI，确认是否设置生效了。其它串口命令可以参考：《BCM WiFi串口命令行.xlsx》

1.1.2 AP的工作频宽

802.11n中采用的双频宽技术，通过将相邻的两个20MHz的频宽绑定作为40MHz使用，提高无线所用频谱的宽度，将吞吐量提升一倍。同时，由于将两个20MHz频宽间的小部分预留带宽回收用于通信，因此，对单条数据流，40MHz相比于20MHz的性能提升了2.078倍，近似2.08倍。频宽的页面配置如下：

一般为确保家用环境下有较好的性能，网关出厂时默认为20/40MHz混合模式。因此在默认配置下，可不用对频宽进行调整。AP的频宽20/40MHz是否生效，是否工作在40MHz模式，可以通过抓包查看对应字段来判别，如下图：

注意：在环境中存在11g设备时，AP会根据自身扫描结果，或STA的反馈信息，将工作频宽从40MHz降为20MHz。若协商速率最大只能到150Mbps，可能为该问题导致。

1.1.3 AP的工作模式 802.11n（典型2*2天线）理论最大速率300Mbps，802.11g理论最大速率54Mbps，802.11b理论最大速率11Mbps。以上的理论最大速率并非最大的空口速率，还包含了部分协议开销。在除去协议开销，且不计丢包、错包、重传后，802.11n（典型2*2天线、40MHz、Short GI）的理论极限空口性能是：TCP为232Mbps，UDP为258Mbps。

在除去协议开销，且不计丢包、错包、重传后，802.11g的理论极限空口性能是：TCP为29Mbps，UDP为42Mbps。

从中可以看出，工作模式对空口速率的影响。在默认配置下，AP的工作模式为混合模式802.11b/g/n。配置界面如下：

可通过查看近距离的协商速率，是否大于54Mbps，可以判断是否工作在11n模式，即低于54Mbps为非11n模式，高于54Mbps为11n模式。

1.1.4 AP的加密模式

802.11n推荐使用CCMP（AES）加密算法，WEP或TKIP不支持HT模式（802.11n特有高速模式），如下图：

因此在设置为WEP/TKIP时，工作模式会降至11g模式，性能会急剧下降。故要有良好的空口性能，需要设置为OPEN或WPA/WPA2 AES模式。如下图： 由于AES加密算法会对每个A-MSDU进行加密封装，需要添加加密头，占用了部分带宽，且加密解密过程会影响数据转发的性能，因此AES加密比不加密OPEN模式的空口性能要差一点。经过前期的测试数据积累，汇总测试数据发现，设置为OPEN模式比默认混合模式，性能提高5%~10%。

一般为确保有良好的兼容性，网关出厂时默认为WPA/WPA2 TKIP/AES混合模式。因此默认配置下，该项影响性能的风险不大。若需要提升部分性能且不考虑安全性问题，可以设置为OPEN模式进行测试。

1.1.5 AP的MCS

MCS，即Modulation and Coding Scheme，调制与编码方案。802.11n射频速率的配置通过MCS索引值实现。MCS调制编码表是802.11n为表征WLAN的通讯速率而提出的一种表示形式。

MCS 0～7使用单条空间流（1*1），当MCS＝7时，速率值最大。MCS数值与速率对应关系表如下： MCS 8～15使用两条空间流（2*2），当MCS＝15时，速率值最大。不同的MCS值对应802.11n不同的速率值。因此设置为较低的MCS值，会降低无线速率。MCS数值与速率对应关系表如下：

网关在出厂时默认配置为AUTO，自动速率协商模式。页面配置如下： 建议在干扰环境下配置为AUTO模式，但前提是需要提前在TELMEX场景下验证自动速率调节功能是正常的。

由于0~7为1*1天线的速率集，速率在150Mbps以内，往往为网关无法工作在2*2模式导致（可能原因是STA不支持2*2，或者存在AP某一根天线损坏导致），因此设置该MCS数值段内，将会使AP从2*2降为1*1，这样即关闭了MIMO功能，会导致抗多径干扰能力下降，吞吐性能下降等。

如果需要手动固定MCS值，建议在8~15之间配置。参考MCS与速率值对应关系表，MCS较低的调制方式低，编码效率也低，因此发包速率慢，发包数量少，因此在环境较差时不会造成严重的丢包，但是空口速率被限定在协商速率之下，因此性能较低。MCS数值选择多少是需要综合进行考量来选择的。建议在实际测试时，较好环境下，固定在MCS 15进行测试，较差环境下，稍微降低MCS值，如设置为11,12,13等协商速率为100Mbps左右的数值，确保在既保证协商速率也保证空口性能。

1.1.6 AP的TX Power

AP的发射功率对性能有较大的影响，特别是在环境干扰较大、弱信号的场景下，在不超过当地功率限值的基础上，适当提升TX Power（支持功率推升的基础上），可以增加AP争抢信道使用权的能力，有效提升空口性能。页面配置如下：

TX Power的功率默认强度为100%。为保证良好的性能，请检查是否发射功率为最大。

1.1.7 AP的WMM功能是否开启 某些特殊的芯片方案的网卡（如INTEL方案），必须开启WMM（无线QoS）才能工作在802.11n模式。如关闭WMM，则会降速至802.11g，导致性能急剧下降。

但是Broadcom方案WMM的开启或关闭是不受802.11n模式限制的，可以手动进行配置。因此最好在页面上写死该功能，即在工作为802.11n模式时，WMM在WLAN驱动为强制开启状态，且无法通过配置命令关闭。页面配置如下：

为确保性能较好，需要开启WMM功能。

1.2 STA的无线参数影响

1.2.1 STA的工作频宽

有一个历史问题：之前遇到过性能一直提不上去的情况，使用的电脑联想X201自带的INTEL 6200无线网卡默认是20MHz频宽，测试中一直关注AP的频宽，但是忽略了STA的频宽配置。

该参数并非所有无线网卡驱动均开放了配置接口。若不支持，则无线网卡为默认模式，是否支持配置为40MHz模式，可网上查看无线网卡参数或通过抓包查看Probe Request帧内的如下字段： Packet Info信息中也携带了频宽信息，但主要用于之明当前协商后选择的工作频宽：

1.2.2 STA的天线形态

需确认性能测试的STA天线是1*1，还是2*2。市面上多数低端无线便携，或者手持终端多数是1*1天线。2*2天线相比于1*1的天线，性能提升是2倍整。

可通过抓包查看Probe Request帧内的以下字段查看空间流数量，来确定是否支持2*2：（下图说明是1*1天线）

此外，还可以通过网卡近距离（1~2m）的协商速率来确定是否是2*2天线，譬如，若协商速率为150Mbps最大，那可能是1*1天线。

1.2.3 STA的省电唤醒

STA开启最大省电唤醒（如INTEL无线网卡的MAX-PSP），无线网卡会在不收发包时进入休眠状态，以达到省电的目的。由于在反复省电唤醒过程中，需要有一些报文交互，将会对性能有一定的影响。

根据屏蔽房的经验测试数据，将两款网卡接入时，在CAM（不省电模式）分别测试一组数据，再控制其中一个无线网卡进入PSP（最大省电模式），分别测试一组数据，比较前后的吞吐量、延迟。组网如下： （CAM-CAM）

（PSP-CAM）

发现开启最大省电模式的无线网卡性能下降10%，对同一组网中的其它无线网卡的性能也有影响，下降11%。且无线响应时间变长，开启最大省电模式的网卡响应时间变长10倍，对性能影响很大。

配置界面如下：

1.2.4 STA的性能

往往低端无线网卡性能本身较差，或者一些较老网卡性能已经下降，在测试中尽量选择金机网卡，以多次多款产品测试数据均一致性较好，性能较高的网卡为主。

另外无线网卡驱动版本尽量更新到最新版本，老版本的网卡驱动可能存在部分性能问题或兼容性问题。以WS310网卡为例，查看网卡驱动方法如下：

2 环境因素

2.1 测试PC

测试中的无线便携尽量纯净，避免因某些软件周期性发包，影响了性能测试工具（如Chariot）的测试数据。

另外，对于自带无线网卡的无线便携机，在测试中，要确保无线网卡的驱动已经更新为较新的驱动，避免因驱动版本过老导致性能不佳，或者出现掉线等严重问题。

2.2 环境干扰

2.2.1 自身信号的多径干扰

AP发出的无线信号，会在环境中不断反射，形成对自己主发射方向上信号的多径干扰。多径干扰在不同环境下对性能的影响不同，在多径严重的环境下，多径干扰产生的削弱效应甚至会导致性能下降为0，直至掉线。

要避免该问题，要尽量选择空旷开阔的环境、或者AP与STA直线方向上及周边无障碍物、或者环境内物体反射能力较差（反射系数和透射系数成反比，譬如木质桌子反射能力比铁质桌子强，环境中要尽量减少），以减少多径的影响。

2.2.2 环境设备的干扰

在一些公共场所，周边设备对无线性能的影响往往十分严重。干扰源的类型不仅包括：WiFi的同频点（同信道）、邻频点（相邻有重叠的信道）干扰，同频带（BT、微波），邻频带（LTE）。干扰设备包括：周边无线AP、手持设备、安防设备、微波炉等。

对干扰环境的规避方法根据不同干扰信号有差别：

对于WiFi的同频和邻频信号，可以采用信道划分的方式，利用蜂窝分布原理来进行规避，如下图：（2.4G内三个独立信道是1、6、11，但仅针对20MHz频宽下，40MHz频宽下，独立信道直接的间距要保持8个channel以上）

对于微波和BT干扰信号，一方面需要尽量确定干扰源的位置，尽量保持一定的距离可以减少干扰的影响。另一方面，也可以通过了解干扰设备的工作频段，来设置规避信道，减小影响。

LTE的TD制式与FD制式都可能影响到WiFi 2.4G，可能存在影响的BAND是BAND 7（FD，影响ch13和ch14）和BAND 40（TD，影响ch1）。根据屏蔽房实测的结论，只有在BAND7设置为2505MHz时，对11n-ch13-40MHz的影响非常大，可导致WiFi不可用。但是一般情况下，运营商部署时，不太可能会选择该频段，因此具体影响程度根据不同运营商有区别，一般情况下影响可以忽略。

2.2.3 环境设备的参数影响

（1）不同制式网卡共存，802.11b/g设备会导致工作频宽降低

根据WFA规定，802.11n设备遇到环境中存在802.11b/g设备存在时，需要将工作频宽从40MHz降至20MHz，且由于802.11b/g设备传输速率很慢，因此会导致高速率的802.11n设备每次发送完毕后都需要花较长的时间等待低速率的设备发送完毕再开始争抢信道，因此会极大的拖延802.11n设备的性能。如下是WFA Test Plan原文：

根据屏蔽房的经验测试数据，802.11n对802.11g的速率影响会更大，但是802.11n的速率也受到了一定程度的影响，影响程度在5%以内。因此要尽量关闭环境中802.11g设备。可通过用inssider扫描的方式查询环境中是否有11g的设备，若有则根据其信号强度等参数，尽量找到该设备并关闭它。若实在无法关闭，需要尽量远离该设备的覆盖区域。 3 摆放因素

3.1 天线方向性

3.1.1 AP的天线方向

目前接入终端产品的天线形态主要包括：外置天线（鞭状天线）、PCB主板印制天线、PCB壁挂天线、钢片天线四种类型。这四类天线形态有各自的覆盖特点：

1）外置天线：为全向天线，信号在水平面内是均匀辐射的，性能最好，两根天线水平面无明显盲区；

2）PCB主板印制天线：2*2立式网关多用此种天线设计，但是性能不可控；

3）PCB壁挂天线：多数产品使用此种天线设计，性能介于外置天线与PCB主板印制天线之间；

4）钢片天线：竞争产品品多采用此种天线设计，发展方向，性能介于外置天线与PCB主板印制天线之间；

除了外置天线外，其余均为定向天线。天线有几个因子会影响到家庭网关的覆盖性能。一是天线的极化方向（电磁波电场的方向），二是天线是定向天线还是全向天线（天线形态决定），三是天线辐射的雷达图。一般来讲，家庭网关都是垂直极化方式，因此水平方向上性能较强。当前多数家庭网关是定向天线，存在一定的方向性，即某些方向上性能较好，某些方式上差一点。水平方向上性能最好的点可以通过雷达图查看出来。如下图（说明0°角度最好，180°最差）：

近距离性能：在准入测试时，可参考屏蔽房转台选择测试得到的网关的WiFi不圆度图（与天线的雷达图有一定的对应关系）来调整天线的方向以获取最佳性能。在准入测试中，尽量选择性能好的测试角度。根据屏蔽房的测试经验，多数立式网关AP与STA的天线成0°时性能较好，少数网关AP与STA的天线成90°/270°时性能较好。摆放如下图所示（USB无线网卡参考如下标准）：

（0°，前面板对着STA）

（顺90°，右侧边对着STA）

（180°，后面板对着STA）

（顺270°，左侧边对着STA）

远距离性能：在环境较为复杂的情况下，天线的雷达图或者屏蔽房的不圆度图仅能作为参考，此种情况下要依据天线XOY/XOZ/YOZ三个平面上形成的立体雷达图来参考。在远距离性能测试上，没有固定的那个方向要好，需要根据实际环境自行调整。但有一些经验可以参考，在TELMEX场景下，HG532e和HG658d均是90°方向性能较好，HG532d是180°方向性能较好。

3.1.2 STA的天线方向

性能测试设计AP和STA两个无线设备，因此不仅需要考虑AP的天线方向性问题，还需要考虑STA的天线方向。一般无线便携的天线垂直分布在显示屏左右侧，USB无线网卡的天线可以将外壳拆开查看。调整原则依然是：AP与STA的天线0°方向上时，性能多数情况下较好。也可不断旋转STA，微调方向，寻找到最佳测试角度。

3.2 相对位置

AP与STA摆放的高低位置也对性能有一定影响。根据测试经验，家庭网关与STA的高低位置与水平面的夹角为10°时，性能较好。在家居环境下，在调整相对高低位置时，需要考虑环境中直线方向上是否有障碍物，若有障碍物要尽量调整位置避开，或者通过垫一个有一定高度的箱子来规避。示意图如下：

4 组网因素

4.1 接入STA数目

性能测试中，AP接入的STA数目要进行控制，最好仅测试的STA接入，以减少AP的负载压力。

4.2 测试工具脚本

经过前期分析，chariot内自带的两个吞吐性能测试脚本，Throughput脚本和High

Throughput脚本。在无干扰环境下，建议使用High脚本来测试，可以测试到较大的性能。在有干扰环境下，由于High脚本每次发包均按照最大包长最大buffer size来发，发送速率快，但容易造成丢包重传，导致吞吐性能反而不如Throughput脚本。因此在干扰环境下建议使用Throughput脚本测试。

在用Jperf测试的场合，譬如中东地区，需要确认是否每次发包均是大包。大包吞吐性能和小包差异很大，要保证每次发包的均为1500Bytes，可以保证性能最佳。默认配置为大包模式，界面配置参考下图：

本文标签： 性能天线无线环境