高密度無線覆蓋技術及其實現

王燕清，李 程，蘇 爽

（北京電視臺信息網絡管理部，北京 100022）

高密度無線覆蓋技術及其實現

王燕清，李 程，蘇 爽

（北京電視臺信息網絡管理部，北京 100022）

本文全面介紹了高密度無線覆蓋所使用相關技術，提出了高密度場景下的無線覆蓋設計原則和注意事項，為解決人員密集區域的無線覆蓋提出了解決思路。

高密度無線覆蓋；信道復用；頻譜規劃

1 引言

隨著智能終端的普及，在一些人員密集的場所經常會出現智能移動終端的無線網絡接入需求。體育場館等人員密集區域舉行的重大活動往往為無線網絡帶來挑戰，用戶要么連接失敗，要么網絡擁塞，體驗非常糟糕；移動互聯網時代的大型行業會議和企業大型內部培訓，用戶利用智能終端和無線網絡查詢、分享資料成為應用潮流，而這也對相關場所的無線網絡提出了支持高密度無線覆蓋的使用需求。

2 高密度無線覆蓋技術

所謂無線網絡高密度場景，是指在一定空間內的無線用戶數量與網絡流量都遠超過普通無線網絡覆蓋的預期，其主要技術挑戰為部署難度大、空間大，用戶流動性大，信道質量差，業務類型復雜。在現有的WLAN無線應用中，高密度用戶覆蓋一直是難以逾越的鴻溝。在人們的印象中，即使是經過多重優化的移動運營商網絡，面對密集用戶使用時也會癱瘓。WLAN的AP相比移動基站設備，無論是頻率、功率還是處理性能，均不可同日而語，所以面臨著更大的困難。實現高密度場景下的無線覆蓋不是一兩項技術能夠解決的，而是需要融合數十種無線接入優化技術形成，主要包括：

2.1 大容量AP

實現高密度無線覆蓋的前提是增加單個無線AP的最大用戶接入數量，通常廠家公布的AP所帶的最大終端數是根據MAC地址表項所寫的參數而來，并沒有考慮在實際使用中用戶的流量大小，按照每用戶4Mb/s的流量來測試，很多廠家單AP的最大用戶數最大只能到30個用戶，因此，在無線覆蓋設備選型時采用接入能力較大的AP成為高密度無線場景無線覆蓋的首要因素。

2.2 智能多振子天線系統和選擇算法

由于現場活動人員密集特點，進行分區域覆蓋，減少由于信號交叉覆蓋帶來的干擾也是需要考慮的因素。陣列天線由多個天線形成陣列，在工作時，通過不同天線的組合工作，形成不同的天線波瓣，實現多種方向、角度、增益都不相同的“虛擬天線”，以適應不同工作環境、不同用戶的位置以及避免不必要的干擾。自適應陣列天線在工作時通過對工作環境的判斷以及用戶位置的感知，經過內部芯片處理，能夠迅速計算出最佳的天線組合方式，達到想覆蓋哪里，就覆蓋哪里的目的。無線接入設備可通過不同天線的組合，形成最多4,096種不同模式，可以輕松適應各種室內環境，增加覆蓋范圍，達到穩定網絡質量之目的。

圖1 高密度無線覆蓋天線部署示意

2.3 信道復用技術

在高密環境下部署WLAN網絡應該盡量降低AP間的可見度。在該問題的解決上，可以通過AP的信道重用技術，通過對AP的射頻參數進行調整，可以過濾掉鄰近的同頻弱信號的干擾，減少沖突域和提高吞吐量。

圖2 無線頻譜規劃

2.4 空口報文抑制

影響覆蓋的最大因素包括空口利用率，如果在沒有部署前空口利用率就已經達到60%或以上，那么WLAN覆蓋就幾乎沒有效果了。空口利用率除用戶使用的比率以外，主要來自以下幾個方面：其他Wi-Fi信號占用，如個人自建的Wi-Fi熱點；非Wi-Fi信號或者由于噪聲增高導致空口不可用部分，如藍牙、微波爐；關聯和非關聯用戶數據無關報文對空口的占用。

2.5 頻譜導航技術

5GHz頻段作為WLAN覆蓋的重要頻譜資源，尤其在802.11ac的時代，5GHz頻段將成為無線覆蓋的主要頻段，我國之前已經開放149,153,157,161和165頻段，之后工信部又開放了5.15GHz-5.35GHz頻段。目前已經有13個獨立的20M信道可供使用，完全解決了2.4G頻段無線資源匱乏的問題。

但目前絕大多數終端雖然支持5GHz頻段的WLAN接入，但仍然優先關聯2.4GHz，5GHz頻段的資源被白白浪費掉。可以通過頻譜導航技術，讓無線AP在用戶終端關聯時優先判斷用戶終端是否支持5GHz頻段接入，一旦掃描出用戶可使用5GHz頻段，會引導用戶優先連入5G信號。該技術可成倍提高AP的用戶容量，同時被引導到5G信道的終端，由于信道更加純凈，所以速率更快，體驗更好。

2.6 混合接入公平調度

在任何場景，不可避免會有一些信號不好終端或者網卡比較老的終端，比如只支持802.11b/g的終端。傳統的AP對這些低速率的終端不做任何處理，當一個低速率終端開始傳輸數據時，其他高速率終端必須要等待，就像在一條馬路上，前方有一輛面包車開的很慢，這時后面所有的跑車都要跟在面包車的后邊，使得道路使用效率大幅降低。無線終端也是一樣，在有限的空口資源中，我們不想被低速率終端占用過多的資源，但又不能不讓它進行通信，所以就需要專門對此情景做了優化。把關聯上來的終端均勻分配數據傳輸時長，如果低速率終端在單位時間內沒有傳輸完數據，也要等到下次繼續傳輸，這樣把更多的空口資源留給高速率終端，提升單AP的吞吐量。

3 高密度無線覆蓋系統設計

3.1 設計原則

系統應采用無線控制器（AC）+瘦AP(FIT AP)的組網方式，瘦AP實現無線信號的處理，而用戶管理、加密、漫游、AP管理等功能全部集中到AC進行，這樣可以簡化整個網絡的管理，提高設備的工作效率。AP的供電采用以太網供電（Power Over Ethernet，PoE），通過以太網線來匯聚AP的流量，同時為AP提供電源，這樣可以簡化布線，同時減少故障點，提高網絡的可靠性。

采取通行的網絡協議標準：目前無線局域網普遍采用802.11系列標準，因此，高密度無線局域網將主要支持802.11n（300M帶寬）標準，以提供可實際應用的相對穩定的網絡通信服務，同時兼顧多種類型應用和投資保護，并同時支持801.11a，802.11g，實現雙頻三模技術。

突出無線網的快速搭建和便攜式移動能力，能夠實現在活動現場的快速部署和搭建；全面的無線網絡支撐系統（包括無線網管、無線安全，無線計費等），以避免無線設備及軟件之間的不兼容性或網絡管理的混亂而導致的問題；保證網絡訪問的安全性，包括信號隱藏、二/三層地址過濾、數據加密、用戶認證以及非法無線入侵等措施。

3.2 無線頻率規劃

目前，針對WLAN來講，2.4G具有3個不重疊的信道，5.8G具有5個不重疊信道，但由于網絡用戶具有一定的不確定性，故網絡覆蓋時所需要的WLAN網絡空間都要進行2.4G與5.8G的頻率覆蓋，從網絡規劃的角度出發，主要考慮2.4G與5.8G二個頻率的覆蓋設計，針對2.4G的頻率的信號衰減模型主要采用PathLoss(dB)=46+10*n*LogD（m）；而對于5.8G的信號衰減模型是PathLoss(dB) =32.4+20*lgf[MHz ]+20*lgd[km]+a*d[ km]，以上二信號衰減模型進行網絡的設計，到具體網絡實施時要進行工勘與優化，而對于信道主要采用1，6，11三個信道交錯使用，如圖4所示。

圖4 WLAN2.4G信道規劃示意圖

圖3 系統結構圖

3.3 AP供電解決方式

由于高密度無線覆蓋涉及AP設備數量較多，AP布放位置根據實際覆蓋效果而調整，在已建設完成的建筑物上較難進行本地供電，基于標準的802.3af實現對AP的供電，通過以太網線在傳輸數據的同時給AP供電，供電距離達100米，滿足實際組網的要求。

PoE設備的原理是通過非屏蔽雙絞線中四對線中的兩對線來傳輸電源，傳輸數據的同時傳輸直流電。采用PoE設備，AP端僅僅通過一根RJ-45網線與網絡連接即可以同時傳輸數據和電力，如果不使用PoE設備，還需要在AP附近安裝電源插座，增加了成本。因此，使用PoE設備將大大降低設備成本和管理成本。

PoE具有非常明顯的優勢，具體包括：簡化安裝，降低成本，不需為每個網絡設備單獨提供數據和電力線纜；靈活性提高，網絡裝置可被安裝在任何位置，而不需靠近一個已存在的電源輸出口；可靠性增強，有SNMP能力的POE裝置，可實施遠程檢測和控制，能有效地處理或修理裝置的耗電量和（或）失效故障。

3.4 無線網絡安全措施

網絡安全問題在建網時必須考慮，安全方式主要側重幾個方面：用戶安全、網絡安全；本次無線網絡中著重考慮使用無線網絡的空口信息的安全機制，同時也要考慮與無線相關的有線網絡的安全問題。

3.4.1 無線物理安全

⊙ 無線產品需支持以下的加密機制：WEP加密、TKIP加密、CCMP加密、WPA/WPA2加密、WAPI加密。

⊙ 在無線設備安全方面，FIT AP提供“零配置”功能，在設備上不保存業務配置，而是每次啟動的時候從無線控制器動態加載業務配置，這樣可以有效避免設備丟失造成配置泄漏。

⊙ 當AP啟動和無線控制器建立關聯時，無線控制器會檢查AP上報的序列號信息，只有這些預先授權的AP才能接入無線控制器使用，防止非法FIT AP接入網絡。

3.4.2 無線網絡安全

⊙ MAC地址過濾：目前支持基于MAC地址的過濾，限制具有某種類型的MAC地址特征的終端才能進入網絡中。

⊙ SSID管理：是一種網絡標識的方案，將網絡進行一個邏輯化標識，對終端上發的報文都要求進行上帶SSID，如果沒有SSID標識則不能進入網絡。

⊙ WEP加密是一種靜態加密的機制，通信雙方具有一個共同的密鑰，終端發送的空口信息報文必須使用共同的密鑰進行加密。

⊙ 支持AES加密，AES安全機制是一種動態密

鑰管理機制，同時密鑰生成也基于不對稱密鑰機制來實現的，同時密鑰的管理也定期更新，具有體的時間由系統可以設定，一般情況都設定為5分鐘左右，這樣非法用戶要想在5分鐘之內進行獲取足夠數量的報文進行匹配出密鑰出來，從無線空口的流理來看，基本上是不可能的。

3.4.3 無線用戶安全

通過用戶接入認證實現了對無線接入用戶的身份認證，為網絡服務提供了安全保護。接入認證主要有802.1x接入認證、PSK認證、MAC接入認證以及常用的portal認證等。通過和AAA服務器配合，無線設備支持對認證用戶動態下發帶寬、VLAN、ACL、優先級等參數，對于不同的用戶群和業務可以控制其訪問網絡的權限，限制網絡資源的使用，通過VLAN和優先級來標識用戶和業務，并做到業務隔離。

3.5 無線網絡管理

由于高密度無線覆蓋涉及較多的AP，維護工作量較大，加之WLAN網絡的靈活性和不可見性，如果對每個AP進行單獨管理則會造成較高的維護開銷，需要通過無線網管理平臺實現無線終端的策略配置自動下發，終端AP的統一管理等功能。

4 結束語

綜上所述，通過綜合用于高密度無線覆蓋相關技術，結合高密度場地特點，從無線設備選型、頻譜規劃、安全管理、部署和實施等多方面綜合考慮，可以有效解決在人員密集場景下的無線覆蓋需求，讓用戶享受如影隨形的智能覆蓋體驗。

High Density Wireless Coverage Technology And Its Realization

Wang Yanqing, Li Cheng, Su Shuang
(Beijing TV Station Information Network Management Dept., Beijing, 100022)

This paper introduces the use of high density wireless coverage technology, proposed the design principle of high density wireless coverage scenarios and matters needing attention, and puts forward solutions to solve the wireless coverage in a densely populated area.

High density wireless coverage; Channel multiplexing; Spectrum planning

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.002

TN925+.93文獻標示碼：B

1672-7274（2017）01-0006-04