WLAN网络设备性能测试

作者：容域科技发布时间：2021-04-12 17:03

1 引言

随着智能终端的大范围普及和基于智能终端的各种数据业务的蓬勃发展，移动用户对带宽的需求急剧增长，数据业务的比重较以往快速增长，这对传统的移动蜂窝网构成了很大的压力，目前主流的2G/3G网络已很难满足用户对带宽的需求。在LTE网络大规模部署之前，为了更好地满足带宽需求，WLAN网络作为一个很好的数据流量的分流手段，已经被运营商广泛重视。目前，运营商已经开始对WLAN网络建设进行大规模投入。

WLAN技术传统上主要应用于家庭和企业用户，目前作为电信级的网络来运营，必然要面对新的挑战。电信级的网络对设备的容量、可靠性、可维护性等要求要严格得多，因此通过测试手段来确保WLAN设备的高性能和高可靠性变得非常重要。

在本文中，我们将初步探讨WLAN系统的测试要点和测试技术方案、方法。

2 WLAN系统简介

WLAN是Wireless Local Area Network（无线局域网）的缩写，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，用户可通过笔记本电脑、手机等终端以WLAN接入方式随时随地访问互联网和企业网，获取信息、娱乐或进行办公，我国各大通讯运营商均已在不同程度上开展了WLAN接入服务。

WLAN采用的技术主要是IEEE组织定义的IEEE802.11系列标准，主要包括802.11a/b/g/n，能支持的数据率可达到几百兆，目前最新的标准802.11ac支持的数据率带宽超过1个G。由于可以支持很高的数据率，因此WLAN技术主要被运营商用于热点覆盖。WLAN网络现阶段主要建设在数据流量密集、速率需求高的局部热点区域和重点覆盖建筑物室内。

WLAN系统主要构成包括：

接入点AP；
接入点控制器AC；
支持用户认证的Portal Server和Radius Server；
用于设备互连的交换路由设备；
无线客户端STA，如笔记本/智能手机等。

其中，AP和AC是网络侧最关键的网元，其性能对于WLAN整个系统至关重要。WLAN网络作为一种较新的无线通信技术，其可用性、可靠性、安全性等方面均存在着大量的验证、测试需求，在网络扩容、改造、升级前如何验证产品软硬件版本的真实表现，成为一个有待解决的问题。

3 WLAN测试技术方案

3.1 测试面临的挑战

WLAN技术在电信网络中的应用是一个较新的领域，其测试理论、方法、工具等均处于同步探索阶段，现有WLAN在实验室的仿真测试方法存在诸多问题和挑战，这包括：

业务仿真难度高由于WLAN仅是一种接入网络，在其上可以承载的业务种类非常多，包括VOIP、视频、电子邮件、上网、企业应用等，普通的流量测试往往关注的是2~3层的转发能力，而对真实业务的流量模拟还比较困难，尤其是针对业务体验感受的衡量，缺乏相关手段。
对于接入点的吞吐流量摸底，直接关系到设备采购量的多少，也就是影响到投资的力度，通过对每个供应商AP设备的吞吐能力进行测试，获取到软硬件版本的真实数据，可以作为后继设备采购的数据标准支撑。
验证成本高
WLAN设备供应商众多，面对多种型号的AC、AP，运营商在集采前对其性能的摸底往往要投入大量的人力物力，资源消耗的成本较高。
效率低下
由于验证的场景、组网、业务多样性导致了现场组网复杂，测试效率低下，大量时间浪费到环境整理和手工执行用例上。
验证标准不一
测试人员因技能水平不同对结果判断无法做到客观统一，且不具备可回归性：同样的设备和测试用例在不同的时间、地点或通过不同的人员来测试，其结果可能都会有所不同，为了能够达到客观、统一、可回归，需要测试结果可重复性的高性能的测试系统来完成这些任务的验证。

Ixia公司推出的IxVeriWave测试系统可以很好地应对上述挑战，下面我们将结合IxVeriwave测试系统讨论WLAN测试的具体方法。

3.2 WLAN性能测试要点和方法

WLAN设备的测试周期可划分为以下几个阶段：

设备研发阶段的测试；
运营商选型测试；
设备部署开通前的预测试；
设备部署开通后的网络测试、优化。
在不同的测试阶段，测试关注的侧重点不尽相同。我们首先探讨一下在设备研发阶段和运营商选型测试过程中性能测试的重点。由于WLAN网络中最关键的两个网元是接入点AP和接入点AC控制器，下面我们分别讨论这两个网元的性能测试方法

3.2.1 AP的性能测试

针对AP而言，目前AP生产厂家众多，采用的芯片种类也很多，而AP的性能在很大程度上取决于芯片的解调性能，数据包转发性能和协议处理性能，以及设备软硬件的集成开发水平。

我们对AP性能的考察主要从以下几个方面进行：

（1）首先隔离无线信道的影响，对AP进行包围测试。Ixia的WLAN测试仪表可以模拟大量的无线客户端和有线客户端。无线客户端和AP采用射频线缆连接，这样可以在相对理想的信道环境下，得出AP最大性能指标，测试的性能指标包括以下内容：

吞吐量测试，测试AP设备在单用户或多用户关联情况下的上下行速率。该指标能够反映设备在较为理想环境下的上下行吞吐量，可以作为用于衡量设备的实际吞吐量设计指标的一个重要参考依据。
丢包率和时延，测试AP设备的转发性能，设备对不同字节数的数据包转发能力是不一样的，需分别测试。
最大关联用户数，验证AP最多支持多少用户的接入，并且接入后，进行业务流量测试，验证AP能否在一定的QOS范围内（如丢包率1%）使接入的用户均能够占有一定的带宽流量（如1Mbs等）。
多模接入能力，验证AP对于不同模式的客户端的兼容性和处理能力。可以按一定比例混合11a/11b/11g/11n的不同客户端参与测试。
漫游性能测试，在电信级运营的AP，必须支持客户端在不同AP下进行漫游，其漫游性能（如每秒最大支持的漫游次数等）也是需要重点考虑的指标。
数据率的自适应调整，在测试中引入上行衰减，通过上行衰减值大小的调整，以及下行数据误码的反馈，让AP感知到客户端所处的覆盖区域和相关的信道条件的变化，从而自适应地进行速率调整，以提高客户端的解码正确率。例如感知到用户位于AP覆盖边缘时，AP应能够调低MCS值，采用低阶调制方式发射信号，提高解码正确率。

Ixia公司的WaveApps测试软件预置了用于性能基准测试的测试集，可以很便捷地应用于上述性能指标的测试，快速得出AP的相关性能指标，并给出详细的测试报表，这极大地提高了测试效率。

（2）其次，在上述基准测试的基础上，我们还应该增加多业务支持能力的测试。

在运营商网络中，AP需要承载很多种类型的业务，其中包括IP语音、聊天、视频、互动游戏、网页浏览、文件下载等。这些不同业务类型对于服务质量（QOS）的要求也不一样，例如语音业务对时延很敏感，视频业务对丢包率很敏感。因此有必要模拟现实生活的场景，建立基于现实场景的混合业务模型，考察AP在该业务模型下，对各种业务的QOS保证机制是否有效。表1展示了不同业务类型下的QoE预期。这里也突显了不同的业务有哪些影响用户质量感知的不同性能属性。

借助于Ixia公司的WaveQoE测试软件，可以快速地创建现实场景中的业务流量模型。WaveQoE已经预置了很多场景（例如学校、医院、商场、办公楼、酒店、机场等）下的业务模型。不同场景下的业务模型的业务组成比例也不相同，WaveQoE可以仿真不同的业务类型，加载到不同的无线客户端上，对AP发起真实混合业务流量的测试。在测试中应该为不同的业务设置不同的服务等级值（SLA），测试结束后考察是否能够达到预期的服务等级值。WaveQoE软件可以非常方便地设置SLA值，并可自动判定是否达到给定的SLA值，这种测试对于运营商非常有意义，因为用户最直接感知到的就是业务的服务质量。

3.2.2 AC的性能测试

上面的讨论主要集中于AP的性能测试，下面将对AC的性能测试做初步的探讨。

目前运营商部署的主要方式是瘦AP+AC。所谓瘦AP就是将AP的部分功能移到AC上完成，这样可以降低成本并方便集中管理，但同时也对AC设备提出了更高的性能要求。AC除了需对AP进行配置和维护管理外，主要还需处理用户关联、认证等信令流程，以及用户面的上下行数据转发。

电信级的单个AC规格要求非常高，要求支持几千个AP和几十万个无线客户端。因此，无论信令面还是用户面对设备的压力都非常大。对于AC的性能测试主要关注以下几个方面：

最大支持的AP数量；
最大支持的客户端数量；
最大上下行转发吞吐量；
最大的用户关联并发速度。

如果对AC进行性能测试，需要大量的AP和无线客户端，这需要很高的成本投入。所以，可考虑对AC进行包围测试，使用测试仪表来仿真大量的AP和无线客户端，这样可以大大降低成本和投入的时间。对AC进行包围测试还需要解决的一个问题是AP与AC接口的规范性。目前的现状是各个AC厂家都有自己的接口规范，使用仪表模拟AP，必须要能兼容和适配各个厂家的接口规范。Ixia公司的IxCatapult平台以其非常高的协议灵活性，正好可以适配不同厂家的接口规范。此外，AC上会聚了所有AP上来的流量，一个AC的基准测试至少要达到几十G的吞吐量，Ixia高端口密度的板卡可以满足高带宽的测试要求。测试环境中，采用仪表仿真的大量AP和客户端，以及Portal/Radius server，对AC进行包围测试。这样的测试方式具有环境搭建快速、测试自动化程度高的优点。借助于仪表的强大性能，可以对AC发起信令和业务面的大容量冲击。

3.2.3 WLAN网络部署开通前的测试

上面两节主要讨论了AP和AC的实验室测试方法。对AP而言，实验室测试还存在一定局限性。实验室测试很难仿真真实的信道环境，例如相邻AP的同信道和相邻信道的干扰，以及无线信道环境的多径效应。因而实验室测试主要是得到被测设备在理想信道条件下的最高性能，在实际环境中设备的表现必然要低于其最高性能。

那么在设备部署到现场后，在开通之前有必要对部署的实际网络进行开通前的预测试，以验证是否能满足实际环境下的性能要求。传统的现场测试的方法主要是人力密集型方式，即大量测试人员控制众多的客户端，在测试现场进行拨测。这样的方式测试成本高，搭建测试环境周期长，可重复性较差。针对这种情况，Ixia公司推出了用于WLAN测试的流量发生器WF1101，单个WF1101能够模拟64个无线客户端，可以取代大量的拨测终端，通过空口接入AP；而且可以仿真各种业务模型对应的流量，对被测AP形成大量的背景流量。Ixia公司还推出了WaveDeploy软件，配合WF1101可以用于WLAN网络进行覆盖评估测试。下面将以具体实例说明新的测试方式。

某上市公司的股东大会召开前，预计会场有100人会同时播放远端视频，因此需要事先评估会议现场的WLAN网络覆盖是否能满足要求。

（1）测试环境准备

安装WaveAgent到测试用的笔记本电脑上，WaveAgent是和WaveDeploy配套使用的流量发生软件，可以在笔记本和智能手机上安装，可按照WaveDeploy发送的指令产生各种类型的业务流量。
在测试用的笔记本电脑安装测试用的笔记本电脑软件，此软件可用于对业务服务质量进行统计，并在地图上绘制热波图，以浅色代表信号或业务质量较好的点，深色代表信号或业务质量较差的点。

（2）测试步骤

在未使用WF1101加载背景流量的情况下，使用笔记本电脑在会议场所的各个典型的位置进行视频业务质量的测试。安装于笔记本电脑上的WaveAgent可以产生视频业务的流量，并进行质量统计，统计结果会反馈到WaveDeploy测试软件，WaveDeploy会在地图上的相应的点上标注当前位置上的视频业务质量对应的热波图。可看出，在未加载的情况下，单个笔记本电脑的视频业务质量在会议场所的大部分点都比较好，只有在会场的边缘区域，视频业务质量略有下降。
使用2个WF1101进行加载，共仿真100个终端进行视频业务，会议场所的WLAN网络此时有很高的背景流量加载。然后使用笔记本电脑在会议场所的各个典型的位置进行视频业务质量的测试。安装于笔记本电脑上的WaveAgent产生视频业务的流量，并进行质量统计，统计结果会反馈到WaveDeploy测试软件。视频业务质量较之前有了很大的下降，部分区域质量已经很差，急需在会议召开之前进行网络部署的优化。

从以上的案例中我们可以看出，使用WF1101可以很方便地对网络进行加载，快速得出网络在加载的情况下视频业务质量的覆盖情况。因此，使用上述的方式可以大大加速网络运营前的覆盖质量评估过程。

４结束语

我们在上述的章节详细探讨了在实验室环境下对WLAN网络的关键设备AP和AC进行性能测试的方法和方案，并且举例说明了如何在网络开通前进行网络业务质量覆盖评估。随着智能终端设备的广泛普及和它上面支持的使用方便、功能强大的移动应用层出不穷，移动数据量出现井喷，运营商势必要进行大量的投资来升级网络容量和提升网络性能。作为重要分流手段的WLAN网络急需大量部署来提升用户的服务质量。如何通过测试来保证WLAN设备能满足电信级运营的需求，实现用户对网络的可用性和服务质量的期望，成为非常重要的课题。希望本文能起到抛砖引玉的作用，同时也期待Ixia的WLAN测试方案能为中国WLAN网络的大规模部署做出贡献。