單通道飛機(jī)客艙內(nèi)高密度WiFi設(shè)計(jì)布局研究

楊洋 王紀(jì)軍 杜稀暉

摘 ? 要：隨著空中WiFi使用政策的放開，將來航空公司為乘客提供的空中無線接入業(yè)務(wù)會越來越豐富，能夠提供WiFi接入服務(wù)的機(jī)載娛樂系統(tǒng)（IFE）也將會成為將來IFE系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本文提出了單通道飛機(jī)客艙高密度WiFi布局的方案，并通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析對高密度WiFi布局方案進(jìn)行了評估及優(yōu)化，最后通過實(shí)際驗(yàn)證證明了該方案能夠極大地增加用戶在機(jī)上的帶寬，可以滿足全艙用戶的高清視頻點(diǎn)播需求。

關(guān)鍵詞：IFE ?高密度WiFi ?同信道干擾 ?帶內(nèi)鄰信道干擾 ?帶外信道干擾 ?802.11n/ac ?無線帶寬 ?負(fù)載均衡

中圖分類號：V243.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）01（a）-0004-05

Abstract： As the policy permission of WiFi open in air， airline can provide more wireless service in the air. There has the trend that more and more In-Flight Entertainment （IFE） systems will provide wireless access in the future. This paper evaluates and analyzes the flexibility and optimization of High density AP deploy design， and proves that this design can improve the wireless bandwidth performance which can meet all cabin passengers high definition video on demand request.

Key Words： IFE; High density WiFi; Co-channel interference; In-band adjacent channel interference; Out-band channel interference; 802.11n/ac; Wireless bandwidth; Load balancing

隨著中國民航局放寬了對于飛機(jī)上使用便攜式電子設(shè)備（PED）的規(guī)定，國內(nèi)航班提供機(jī)載WIFI服務(wù)的幾率將大幅提升。據(jù)調(diào)查，超過70%的用戶希望通過無線終端在機(jī)上進(jìn)行“玩游戲”、“聽歌、看電影”的大流量下行數(shù)據(jù)服務(wù)。而要實(shí)現(xiàn)以上功能，在目前衛(wèi)星通信或空地互連帶寬資源極其有限的情況下，需要IFE系統(tǒng)能夠在飛機(jī)客艙內(nèi)提供足夠的無線帶寬資源。 對于無線音視頻點(diǎn)播服務(wù)，如何為用戶提供更好的體驗(yàn)，比如是否能夠支持全艙所有乘客并發(fā)地點(diǎn)播720p高清視頻，并能夠流暢地播放，為用戶提供良好的體驗(yàn)，成為了當(dāng)前客艙WiFi開放后急待解決的問題。本文針對客艙內(nèi)無線帶寬的問題，先分析了為什么要設(shè)計(jì)客艙內(nèi)的高密度無線網(wǎng)絡(luò)，隨后分析了客艙內(nèi)高密度無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的技術(shù)問題并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃方案， 最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性，為客艙無線帶寬的擴(kuò)展及優(yōu)化提供了可供參考的解決方案。

1 ?目前客艙WiFi使用現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)外IFE供應(yīng)商所采用的客艙WiFi解決方案一般為低密度無線接入點(diǎn)（AP）布局，并且同時提供2.4GHz和5GHz兩個頻段供乘客接入。但是隨著單個AP接入用戶數(shù)的不斷增加，單個AP的實(shí)際總帶寬性能會急劇降低，以下是802.11ac、2xMIMO的AP在20MHz頻寬配置下，AP下行總帶寬與接入終端（STA）數(shù)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著單個AP接入終端的不斷增加，AP下行總帶寬會不斷下降。造成性能下降的原因是由于WiFi的載波偵聽多路訪問（CSMA）機(jī)制與時隙競爭報(bào)文占用了更多的時間和開銷，導(dǎo)致單個AP總帶寬性能的下降。因此，隨著客艙無線接入用戶的不斷增多，在現(xiàn)有的WiFi技術(shù)下，當(dāng)前客艙無線布局已經(jīng)越來越難以滿足多用戶大流量的下行數(shù)據(jù)要求。從而導(dǎo)致當(dāng)很多用戶同時進(jìn)行音視頻點(diǎn)播時，響應(yīng)速度慢，播放不流暢，體驗(yàn)較差。為此，本文提出了客艙高密度WiFi布局方案，最大限度地拓展客艙無線帶寬，以此來滿足客艙WiFi多用戶大流量的帶寬要求。

2 ?客艙高密度WiFi布局

在本章節(jié)中，著重分析了客艙高密度WiFi布局面臨的問題，解決方案，以及客艙內(nèi)高密度無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃。

2.1 客艙高密度WiFi布局模型

在該方案中，以窄體機(jī)客艙為模型，在客艙內(nèi)擬每3～4排座位部署1個AP，總共部署大約8～10個AP，如圖2所示。

2.2 客艙高密度WiFi布局的問題分析及設(shè)計(jì)方案

2.2.1 信道規(guī)劃及信道干擾

在客艙高密度WiFi布局中，由于空間限制，會存在不同信道間干擾的問題，信道干擾會導(dǎo)致無線帶寬性能的急劇惡化。因此，需要對信道干擾進(jìn)行量化評估，以在設(shè)計(jì)中達(dá)到規(guī)劃信道數(shù)量和信道干擾的平衡以滿足帶寬的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在信道干擾中，最主要的因素是同信道干擾，帶內(nèi)鄰信道干擾，以及帶外信道干擾。以下內(nèi)容通過實(shí)驗(yàn)的方式對信道干擾，以及WiFi在客艙內(nèi)的信號強(qiáng)度分布進(jìn)行量化分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了客艙內(nèi)高密度布局的信道最優(yōu)規(guī)劃方案。

（1）同信道干擾分析。

同信道干擾主要由多個AP在相互的信號可探測空間范圍內(nèi)，在相同信道上的通信沖突，其通信協(xié)議的載波偵聽多路訪問（CSMA）機(jī)制導(dǎo)致每個AP在單位時間內(nèi)的帶寬急劇下降而導(dǎo)致的干擾。對同信道干擾的影響，我們進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，即便2個AP之間的距離達(dá)到10m，并且相互之間的信號強(qiáng)度影響已經(jīng)衰減到-80dBm左右，同信道干擾導(dǎo)致的總帶寬劣化仍然超過40%。從理論上分析，如果想完全避免同信道干擾，工作在同信道AP相互影響的信號強(qiáng)度需要小于-90dBm，即小于802.11n/ac基本連接速率的接收靈敏度以下。

（2）帶內(nèi)鄰信道干擾分析。

帶內(nèi)鄰信道干擾主要針對在2.4GHz頻段范圍內(nèi)，信道中心頻率在20MHz頻寬內(nèi)的2個信道之間的相互干擾，如信道1和信道2至信道5之間的干擾。在帶內(nèi)鄰信道之間，2個或多個信道在頻率上的存在部分重疊，相互會帶來很大的干擾，導(dǎo)致信噪比（SNR）或信號干擾比（SIR）降低而引起的帶寬劣化。在2.4GHz的所有14個信道中，相鄰信道之間存在很大的頻率重疊。為了讓帶內(nèi)鄰信道干擾降至最低，在可用的2.4GHz WiFi頻段中，采用1，5，9，13總共4個信道，這樣可以在多出一個信道的同時，又保證了帶內(nèi)相鄰信道的之間的頻率間隔盡量遠(yuǎn)，從而干擾最小。對于該方案，也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在該實(shí)驗(yàn)中，模擬1，5，9，13在客艙中的信道布局，對2個AP在相互存在鄰信道干擾和沒有鄰信道干擾進(jìn)行了比較測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，鄰信道之間由于噪聲干擾仍然有超過10%的總帶寬劣化。并且對于第5，9信道，還存在左右2個信道的雙倍帶內(nèi)鄰信道干擾。

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，同信道干擾和帶內(nèi)鄰信道干擾都會導(dǎo)致總帶寬性能的明顯劣化，而是否可以避免同信道干擾或帶內(nèi)鄰信道干擾，并且能讓AP的帶寬性能達(dá)到最優(yōu)，關(guān)鍵在于相互干擾AP及終端之間的信號強(qiáng)度是否衰減到其接收靈敏度以下（<-90dBm），同時AP與其本身的連接終端的信號強(qiáng)度是否能夠達(dá)到802.11ac或802.11n的256QAM或64QAM最高調(diào)制速率的信號強(qiáng)度靈敏度。通常要達(dá)到256QAM的調(diào)制級別需要非?！案蓛簟钡臒o線環(huán)境和非常高的信噪比，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，256QAM并不容易實(shí)現(xiàn)。因此，暫且把終端的接收信號強(qiáng)度定為>=-65dBm，即至少達(dá)到64QAM的調(diào)制級別和盡量高的信噪比。

（3）客艙內(nèi)無線信號強(qiáng)度分布分析。

假設(shè)在窄體機(jī)的客艙前后最遠(yuǎn)距離為25m，那么通過以下理論公式我們可以計(jì)算出在客艙內(nèi)部，距離AP點(diǎn)不同距離的接收信號強(qiáng)度值。

接收功率（dBm）=發(fā)送功率（dBm）+ 增益（dB）-路徑損耗（dB）

其中，路徑損耗包括了固定衰減和空間衰減，空間衰減（Free Space Path Loss）可以通過以下公式計(jì)算得到：

Free Space Path Loss [dB]=20*log10（4*π*d*f/c）

式中。

c[m/s]代表真空中光速2.99792458*108[m/s]，d[m]代表傳輸距離[m]，f[Hz]代表信號頻率[Hz]

從以上理論公式計(jì)算結(jié)果可以得到，當(dāng)有效發(fā)射功率為5dBm，接收信號強(qiáng)度為-65dBm時，無線終端距離AP的最大距離在5GHz頻率下為7m左右，在2.4GHz頻率下為16米左右，并且客艙內(nèi)最遠(yuǎn)距離處的信號強(qiáng)度大于-80dBm。為了驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果，在真實(shí)的波音737飛機(jī)客艙環(huán)境內(nèi)做了WiFi信號強(qiáng)度衰減實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，我們分析了2.4GHz和5GHz頻段WiFi信號強(qiáng)度在客艙內(nèi)的分布情況。實(shí)驗(yàn)中將AP的發(fā)射功率衰減至5dBm，針對AP在客艙中的位置，評估信號在客艙每排乘客座椅中的衰減及強(qiáng)度分配狀況。以下是實(shí)際測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測得的實(shí)際值分布與理論值基本吻合。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在以上布局方案中，如果需要無線終端在距離AP為5～8m（約4～10排座位距離AP的最遠(yuǎn)距離）的覆蓋范圍內(nèi)接收功率仍然能夠保證達(dá)到802.11ac或802.11n的256QAM或64QAM調(diào)制速率接收靈敏度-65dBm，那么AP的有效發(fā)射功率需要大于2dBm。而以該功率發(fā)射的AP在客艙最遠(yuǎn)距離處的信號強(qiáng)度也會大于-80dBm，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于-90dBm，因此必然導(dǎo)致比較大的同信道干擾和帶內(nèi)鄰信道干擾。因此，在2.4GHz的頻段中，仍然建議采用1，6，11的信道布局，在該方式中，只采用獨(dú)立的20MHz頻寬信道，以最小的信道干擾換取最優(yōu)的總帶寬。在5GHz頻段，目前有總共9個20MHz頻寬的無交疊信道或4個40MHz頻寬的無交疊信道可用，其信道資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.4GHz頻段。考慮到前面第2節(jié)分析，單個AP總帶寬會隨接入終端數(shù)增加而劣化，并且為了滿足接入終端更優(yōu)的信號功率強(qiáng)度以及負(fù)載均衡，可以在5GHz的頻段中直接采用9個獨(dú)立的20MHz頻寬信道，或信道共享20MHz，40MHz和80MHz頻寬進(jìn)行布局。

（4）帶外信道干擾分析。

帶外信道干擾主要指中心頻率間隔在20MHz或40MHz頻寬以上的獨(dú)立信道之間的干擾。比如，在2.4GHz頻段內(nèi)的信道1和信道6，信道11之間，5GHz頻段的信道36，和信道40，信道44，信道48之間。雖然這些20MHz頻寬的信道都是獨(dú)立信道，但由于信道的邊帶能譜仍然能夠進(jìn)入相鄰獨(dú)立信道的工作頻率范圍內(nèi)，從而引起SIR降低。

以下我們通過實(shí)驗(yàn)對帶外干擾進(jìn)行評估和分析。在該測試中，2個AP分別工作于信道36和40，以及信道36和48。測試中，通過iPerf工具同時測試AP1和AP2的帶寬，在不同條件下的測試結(jié)果如下。

（1）AP1工作在信道36，AP2關(guān)電條件下，AP1的平均帶寬為58Mbps。