高密度無(wú)線覆蓋技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

王燕清，李 程，蘇 爽

（北京電視臺(tái)信息網(wǎng)絡(luò)管理部，北京 100022）

高密度無(wú)線覆蓋技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

王燕清，李 程，蘇 爽

（北京電視臺(tái)信息網(wǎng)絡(luò)管理部，北京 100022）

本文全面介紹了高密度無(wú)線覆蓋所使用相關(guān)技術(shù)，提出了高密度場(chǎng)景下的無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)，為解決人員密集區(qū)域的無(wú)線覆蓋提出了解決思路。

高密度無(wú)線覆蓋；信道復(fù)用；頻譜規(guī)劃

1 引言

隨著智能終端的普及，在一些人員密集的場(chǎng)所經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)智能移動(dòng)終端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入需求。體育場(chǎng)館等人員密集區(qū)域舉行的重大活動(dòng)往往為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)挑戰(zhàn)，用戶要么連接失敗，要么網(wǎng)絡(luò)擁塞，體驗(yàn)非常糟糕；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的大型行業(yè)會(huì)議和企業(yè)大型內(nèi)部培訓(xùn)，用戶利用智能終端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)查詢、分享資料成為應(yīng)用潮流，而這也對(duì)相關(guān)場(chǎng)所的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出了支持高密度無(wú)線覆蓋的使用需求。

2 高密度無(wú)線覆蓋技術(shù)

所謂無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高密度場(chǎng)景，是指在一定空間內(nèi)的無(wú)線用戶數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)流量都遠(yuǎn)超過(guò)普通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的預(yù)期，其主要技術(shù)挑戰(zhàn)為部署難度大、空間大，用戶流動(dòng)性大，信道質(zhì)量差，業(yè)務(wù)類型復(fù)雜。在現(xiàn)有的WLAN無(wú)線應(yīng)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(jīng)過(guò)多重優(yōu)化的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，面對(duì)密集用戶使用時(shí)也會(huì)癱瘓。WLAN的AP相比移動(dòng)基站設(shè)備，無(wú)論是頻率、功率還是處理性能，均不可同日而語(yǔ)，所以面臨著更大的困難。實(shí)現(xiàn)高密度場(chǎng)景下的無(wú)線覆蓋不是一兩項(xiàng)技術(shù)能夠解決的，而是需要融合數(shù)十種無(wú)線接入優(yōu)化技術(shù)形成，主要包括：

2.1 大容量AP

實(shí)現(xiàn)高密度無(wú)線覆蓋的前提是增加單個(gè)無(wú)線AP的最大用戶接入數(shù)量，通常廠家公布的AP所帶的最大終端數(shù)是根據(jù)MAC地址表項(xiàng)所寫的參數(shù)而來(lái)，并沒(méi)有考慮在實(shí)際使用中用戶的流量大小，按照每用戶4Mb/s的流量來(lái)測(cè)試，很多廠家單AP的最大用戶數(shù)最大只能到30個(gè)用戶，因此，在無(wú)線覆蓋設(shè)備選型時(shí)采用接入能力較大的AP成為高密度無(wú)線場(chǎng)景無(wú)線覆蓋的首要因素。

2.2 智能多振子天線系統(tǒng)和選擇算法

由于現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)人員密集特點(diǎn)，進(jìn)行分區(qū)域覆蓋，減少由于信號(hào)交叉覆蓋帶來(lái)的干擾也是需要考慮的因素。陣列天線由多個(gè)天線形成陣列，在工作時(shí)，通過(guò)不同天線的組合工作，形成不同的天線波瓣，實(shí)現(xiàn)多種方向、角度、增益都不相同的“虛擬天線”，以適應(yīng)不同工作環(huán)境、不同用戶的位置以及避免不必要的干擾。自適應(yīng)陣列天線在工作時(shí)通過(guò)對(duì)工作環(huán)境的判斷以及用戶位置的感知，經(jīng)過(guò)內(nèi)部芯片處理，能夠迅速計(jì)算出最佳的天線組合方式，達(dá)到想覆蓋哪里，就覆蓋哪里的目的。無(wú)線接入設(shè)備可通過(guò)不同天線的組合，形成最多4,096種不同模式，可以輕松適應(yīng)各種室內(nèi)環(huán)境，增加覆蓋范圍，達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量之目的。

圖1 高密度無(wú)線覆蓋天線部署示意

2.3 信道復(fù)用技術(shù)

在高密環(huán)境下部署WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該盡量降低AP間的可見(jiàn)度。在該問(wèn)題的解決上，可以通過(guò)AP的信道重用技術(shù)，通過(guò)對(duì)AP的射頻參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以過(guò)濾掉鄰近的同頻弱信號(hào)的干擾，減少?zèng)_突域和提高吞吐量。

圖2 無(wú)線頻譜規(guī)劃

2.4 空口報(bào)文抑制

影響覆蓋的最大因素包括空口利用率，如果在沒(méi)有部署前空口利用率就已經(jīng)達(dá)到60%或以上，那么WLAN覆蓋就幾乎沒(méi)有效果了。空口利用率除用戶使用的比率以外，主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：其他Wi-Fi信號(hào)占用，如個(gè)人自建的Wi-Fi熱點(diǎn)；非Wi-Fi信號(hào)或者由于噪聲增高導(dǎo)致空口不可用部分，如藍(lán)牙、微波爐；關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)用戶數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)報(bào)文對(duì)空口的占用。

2.5 頻譜導(dǎo)航技術(shù)

5GHz頻段作為WLAN覆蓋的重要頻譜資源，尤其在802.11ac的時(shí)代，5GHz頻段將成為無(wú)線覆蓋的主要頻段，我國(guó)之前已經(jīng)開(kāi)放149,153,157,161和165頻段，之后工信部又開(kāi)放了5.15GHz-5.35GHz頻段。目前已經(jīng)有13個(gè)獨(dú)立的20M信道可供使用，完全解決了2.4G頻段無(wú)線資源匱乏的問(wèn)題。

但目前絕大多數(shù)終端雖然支持5GHz頻段的WLAN接入，但仍然優(yōu)先關(guān)聯(lián)2.4GHz，5GHz頻段的資源被白白浪費(fèi)掉?？梢酝ㄟ^(guò)頻譜導(dǎo)航技術(shù)，讓無(wú)線AP在用戶終端關(guān)聯(lián)時(shí)優(yōu)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(huì)引導(dǎo)用戶優(yōu)先連入5G信號(hào)。該技術(shù)可成倍提高AP的用戶容量，同時(shí)被引導(dǎo)到5G信道的終端，由于信道更加純凈，所以速率更快，體驗(yàn)更好。

2.6 混合接入公平調(diào)度

在任何場(chǎng)景，不可避免會(huì)有一些信號(hào)不好終端或者網(wǎng)卡比較老的終端，比如只支持802.11b/g的終端。傳統(tǒng)的AP對(duì)這些低速率的終端不做任何處理，當(dāng)一個(gè)低速率終端開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，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(kāi)的很慢，這時(shí)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(wú)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(guò)多的資源，但又不能不讓它進(jìn)行通信，所以就需要專門對(duì)此情景做了優(yōu)化。把關(guān)聯(lián)上來(lái)的終端均勻分配數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)，如果低速率終端在單位時(shí)間內(nèi)沒(méi)有傳輸完數(shù)據(jù)，也要等到下次繼續(xù)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(wú)線覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)應(yīng)采用無(wú)線控制器（AC）+瘦AP(FIT AP)的組網(wǎng)方式，瘦AP實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)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(jìn)行，這樣可以簡(jiǎn)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理，提高設(shè)備的工作效率。AP的供電采用以太網(wǎng)供電（Power Over Ethernet，PoE），通過(guò)以太網(wǎng)線來(lái)匯聚AP的流量，同時(shí)為AP提供電源，這樣可以簡(jiǎn)化布線，同時(shí)減少故障點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

采取通行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：目前無(wú)線局域網(wǎng)普遍采用802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，因此，高密度無(wú)線局域網(wǎng)將主要支持802.11n（300M帶寬）標(biāo)準(zhǔn)，以提供可實(shí)際應(yīng)用的相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，同時(shí)兼顧多種類型應(yīng)用和投資保護(hù)，并同時(shí)支持801.11a，802.11g，實(shí)現(xiàn)雙頻三模技術(shù)。

突出無(wú)線網(wǎng)的快速搭建和便攜式移動(dòng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)在活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的快速部署和搭建；全面的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支撐系統(tǒng)（包括無(wú)線網(wǎng)管、無(wú)線安全，無(wú)線計(jì)費(fèi)等），以避免無(wú)線設(shè)備及軟件之間的不兼容性或網(wǎng)絡(luò)管理的混亂而導(dǎo)致的問(wèn)題；保證網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的安全性，包括信號(hào)隱藏、二/三層地址過(guò)濾、數(shù)據(jù)加密、用戶認(rèn)證以及非法無(wú)線入侵等措施。

3.2 無(wú)線頻率規(guī)劃

目前，針對(duì)WLAN來(lái)講，2.4G具有3個(gè)不重疊的信道，5.8G具有5個(gè)不重疊信道，但由于網(wǎng)絡(luò)用戶具有一定的不確定性，故網(wǎng)絡(luò)覆蓋時(shí)所需要的WLAN網(wǎng)絡(luò)空間都要進(jìn)行2.4G與5.8G的頻率覆蓋，從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度出發(fā)，主要考慮2.4G與5.8G二個(gè)頻率的覆蓋設(shè)計(jì)，針對(duì)2.4G的頻率的信號(hào)衰減模型主要采用PathLoss(dB)=46+10*n*LogD（m）；而對(duì)于5.8G的信號(hào)衰減模型是PathLoss(dB) =32.4+20*lgf[MHz ]+20*lgd[km]+a*d[ km]，以上二信號(hào)衰減模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，到具體網(wǎng)絡(luò)實(shí)施時(shí)要進(jìn)行工勘與優(yōu)化，而對(duì)于信道主要采用1，6，11三個(gè)信道交錯(cuò)使用，如圖4所示。

圖4 WLAN2.4G信道規(guī)劃示意圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 AP供電解決方式

由于高密度無(wú)線覆蓋涉及AP設(shè)備數(shù)量較多，AP布放位置根據(jù)實(shí)際覆蓋效果而調(diào)整，在已建設(shè)完成的建筑物上較難進(jìn)行本地供電，基于標(biāo)準(zhǔn)的802.3af實(shí)現(xiàn)對(duì)AP的供電，通過(guò)以太網(wǎng)線在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)給AP供電，供電距離達(dá)100米，滿足實(shí)際組網(wǎng)的要求。

PoE設(shè)備的原理是通過(guò)非屏蔽雙絞線中四對(duì)線中的兩對(duì)線來(lái)傳輸電源，傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸直流電。采用PoE設(shè)備，AP端僅僅通過(guò)一根RJ-45網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)連接即可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電力，如果不使用PoE設(shè)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(shè)備將大大降低設(shè)備成本和管理成本。

PoE具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，具體包括：簡(jiǎn)化安裝，降低成本，不需為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備單獨(dú)提供數(shù)據(jù)和電力線纜；靈活性提高，網(wǎng)絡(luò)裝置可被安裝在任何位置，而不需靠近一個(gè)已存在的電源輸出口；可靠性增強(qiáng)，有SNMP能力的POE裝置，可實(shí)施遠(yuǎn)程檢測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全措施

網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題在建網(wǎng)時(shí)必須考慮，安全方式主要側(cè)重幾個(gè)方面：用戶安全、網(wǎng)絡(luò)安全；本次無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中著重考慮使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的空口信息的安全機(jī)制，同時(shí)也要考慮與無(wú)線相關(guān)的有線網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題。

3.4.1 無(wú)線物理安全

⊙ 無(wú)線產(chǎn)品需支持以下的加密機(jī)制：WEP加密、TKIP加密、CCMP加密、WPA/WPA2加密、WAPI加密。

⊙ 在無(wú)線設(shè)備安全方面，F(xiàn)IT AP提供“零配置”功能，在設(shè)備上不保存業(yè)務(wù)配置，而是每次啟動(dòng)的時(shí)候從無(wú)線控制器動(dòng)態(tài)加載業(yè)務(wù)配置，這樣可以有效避免設(shè)備丟失造成配置泄漏。

⊙ 當(dāng)AP啟動(dòng)和無(wú)線控制器建立關(guān)聯(lián)時(shí)，無(wú)線控制器會(huì)檢查AP上報(bào)的序列號(hào)信息，只有這些預(yù)先授權(quán)的AP才能接入無(wú)線控制器使用，防止非法FIT AP接入網(wǎng)絡(luò)。

3.4.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全

⊙ MAC地址過(guò)濾：目前支持基于MAC地址的過(guò)濾，限制具有某種類型的MAC地址特征的終端才能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中。

⊙ SSID管理：是一種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的方案，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一個(gè)邏輯化標(biāo)識(shí)，對(duì)終端上發(fā)的報(bào)文都要求進(jìn)行上帶SSID，如果沒(méi)有SSID標(biāo)識(shí)則不能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

⊙ WEP加密是一種靜態(tài)加密的機(jī)制，通信雙方具有一個(gè)共同的密鑰，終端發(fā)送的空口信息報(bào)文必須使用共同的密鑰進(jìn)行加密。

⊙ 支持AES加密，AES安全機(jī)制是一種動(dòng)態(tài)密

鑰管理機(jī)制，同時(shí)密鑰生成也基于不對(duì)稱密鑰機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)密鑰的管理也定期更新，具有體的時(shí)間由系統(tǒng)可以設(shè)定，一般情況都設(shè)定為5分鐘左右，這樣非法用戶要想在5分鐘之內(nèi)進(jìn)行獲取足夠數(shù)量的報(bào)文進(jìn)行匹配出密鑰出來(lái)，從無(wú)線空口的流理來(lái)看，基本上是不可能的。

3.4.3 無(wú)線用戶安全

通過(guò)用戶接入認(rèn)證實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線接入用戶的身份認(rèn)證，為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供了安全保護(hù)。接入認(rèn)證主要有802.1x接入認(rèn)證、PSK認(rèn)證、MAC接入認(rèn)證以及常用的portal認(rèn)證等。通過(guò)和AAA服務(wù)器配合，無(wú)線設(shè)備支持對(duì)認(rèn)證用戶動(dòng)態(tài)下發(fā)帶寬、VLAN、ACL、優(yōu)先級(jí)等參數(shù)，對(duì)于不同的用戶群和業(yè)務(wù)可以控制其訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，限制網(wǎng)絡(luò)資源的使用，通過(guò)VLAN和優(yōu)先級(jí)來(lái)標(biāo)識(shí)用戶和業(yè)務(wù)，并做到業(yè)務(wù)隔離。

3.5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理

由于高密度無(wú)線覆蓋涉及較多的AP，維護(hù)工作量較大，加之WLAN網(wǎng)絡(luò)的靈活性和不可見(jiàn)性，如果對(duì)每個(gè)AP進(jìn)行單獨(dú)管理則會(huì)造成較高的維護(hù)開(kāi)銷，需要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端的策略配置自動(dòng)下發(fā)，終端AP的統(tǒng)一管理等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)綜合用于高密度無(wú)線覆蓋相關(guān)技術(shù)，結(jié)合高密度場(chǎng)地特點(diǎn)，從無(wú)線設(shè)備選型、頻譜規(guī)劃、安全管理、部署和實(shí)施等多方面綜合考慮，可以有效解決在人員密集場(chǎng)景下的無(wú)線覆蓋需求，讓用戶享受如影隨形的智能覆蓋體驗(yàn)。

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(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2017）01-0006-04