無線AP信號干擾模型構(gòu)建及應用

王 洋 周兆永

(西北農(nóng)林科技大學網(wǎng)絡與教育技術(shù)中心 陜西 楊凌 712100)

0 引 言

隨著信息科技的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡需求量大增，高校部署大量的無線接入點(Access Point，AP)，以提高網(wǎng)絡覆蓋率。但是當大量AP被密集部署時，信號覆蓋區(qū)域造成過大重疊。不規(guī)范、不合理地部署無線AP，導致同頻干擾[1]的同時會使用戶體驗效果不佳，造成網(wǎng)絡資源嚴重浪費[2]。布設的無線AP密度過大會造成嚴重的信號干擾，大大增加成本，浪費資源；過小會造成大范圍的盲區(qū)。因此需要合理布設無線AP，保證無盲區(qū)、少重疊，既要滿足用戶需求，又能保證足夠的帶寬。

Liu等[3]結(jié)合無線AP信號的強度和負載，在終端采用最優(yōu)無線AP的方法選擇接入無線AP，實現(xiàn)了終端最優(yōu)化接入無線AP。Yiakoumis等[4]對有多個無線AP的場景做干擾分析，將同頻干擾劃分成不同的覆蓋區(qū)域進行分析，通過部署無線網(wǎng)絡研究了不同頻段(5 GHz、2.4 GHz)下無線AP信號的傳輸質(zhì)量。張維[5]通過在密集環(huán)境中采取抗干擾措施部署無線網(wǎng)絡，保證用戶正常使用網(wǎng)絡。王權(quán)[6]結(jié)合信號強度、吞吐量以及數(shù)據(jù)傳輸速率，在部署無線網(wǎng)絡時實現(xiàn)負載均衡的同時保證了網(wǎng)絡的傳輸質(zhì)量。王俊林[7]在山區(qū)不同場景中布設無線網(wǎng)絡，分析了信號質(zhì)量與投資效益之間的關(guān)系。楊秀梅等[8]針對校園無線網(wǎng)應用場景提出了無線AP部署方案。付中南等[9]針對體育館等場景采用大規(guī)模超高密度無線網(wǎng)絡布設方案，并提出一種量化的無線傳輸質(zhì)量評價方法。

目前學者們對于相鄰無線AP間信號干擾最弱時的無線AP間距離的研究很少。本文建立了不同功率下多無線AP間的干擾模型，應用干擾模型在不同結(jié)構(gòu)空間中對多個無線AP進行布設，應用無線智能管理平臺對布設的無線AP信號進行模擬測試。

1 干擾模型構(gòu)建

1.1 實驗分析

針對相鄰無線AP間位置的最優(yōu)部署，本文設計了如下實驗：配置兩個無線AP，命名為AP1和AP2，將AP1固定，移動終端測試點放置在距離AP1為1米處，移動AP2。用專業(yè)Wi-Fi測試軟件測試兩個無線AP不同功率下的信號強度RSSI，無線AP間距離用L0表示。作為移動終端(手機、平板電腦等)能聯(lián)網(wǎng)使用的最低信號強度為-70 dB左右[10]。測試簡圖如圖1所示。

圖1 測試簡圖

不同功率下相鄰無線AP間距離最優(yōu)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同功率下兩個無線AP之間信號強度與距離關(guān)系圖

分析圖2(a)，由于測試點距離AP1為定值，因此在測試點測試的AP1發(fā)出的信號強度變化幅度小，但峰值依然很明顯。接收到的AP2信號強度先逐漸減弱，又逐漸增加再逐漸減弱，這是由于隨著距離的增加，無線AP信號減弱，減弱幅度明顯大于信號干擾程度。當兩個無線AP距離為15 m時，兩條曲線均出現(xiàn)峰值，這是由于兩個無線AP信號干擾此時達到最低；當兩個無線AP距離大于15 m時，接收到的AP2信號強度逐漸減弱幾乎小于-75 dB，認為此時測試點是AP2信號覆蓋范圍的盲區(qū)。分析圖2(b)，無線AP間距離在0～18 m區(qū)間內(nèi)，測試點接收到的AP1信號強度增強，這是由于隨著AP2與AP1距離的增加，AP2對AP1造成的信號干擾也逐漸降低，因此在同一位置處用同一設備接收到的AP1信號強度有增強的趨勢。雖然兩個無線AP間信號互相干擾程度在降低，但是此時接收到的AP2信號強度依然降低，認為在這個距離區(qū)間內(nèi)，測試點距無線AP的距離對接收信號的影響權(quán)重要大于無線AP間的信號干擾。當無線AP間距離為18 m時，兩條曲線同時出現(xiàn)了峰值，說明此時兩個無線AP間的信號干擾最低；當兩個無線AP間的距離大于18 m時，接收到的AP1信號基本沒有什么變化，而接收到的AP2信號強度在-65 dB左右，說明測試點依然在AP2信號覆蓋范圍內(nèi)。同理分析圖2(c)和圖2(d)，無線AP發(fā)射功率為15 dBm，兩個AP間的距離在24 m時，信號干擾最弱；無線AP發(fā)射功率為20 dBm，兩個無線AP間的距離在27 m時，信號干擾最弱。

根據(jù)以上分析得到了在辦公樓環(huán)境中兩個無線AP之間的最優(yōu)距離，如表1所示。該結(jié)果為實際工程中部署無線AP提供了參考。

表1 不同功率下無線AP間的最優(yōu)距離

根據(jù)表1數(shù)據(jù)建立功率與最優(yōu)距離的關(guān)系式：

L0=0.84P+10.5

(1)

式中：P表示功率；L0表示最優(yōu)距離。

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)圖2建立了不同功率下相鄰無線AP間距離與信號強度的多項式關(guān)系，且擬合值均大于0.9，擬合度較高。

(1) 功率為5 dBm時，相鄰AP間距離與信號強度關(guān)系式為：

(2)

(2) 功率為10 dBm時，相鄰AP間距離與信號強度關(guān)系式為：

(3)

(3) 功率為15 dBm時，相鄰AP間距離與信號強度關(guān)系式為:

(4)

(4) 功率為20 dBm時，相鄰AP間距離與信號強度關(guān)系式為：

(5)

根據(jù)擬合結(jié)果，設干擾模型公式為：

(6)

式中：A表示三次項系數(shù)；B表示二次項系數(shù)；C表示一次項系數(shù)；代表隨著距離的變化，信號強度變化的快慢；D表示常數(shù)項。

干擾模型各項系數(shù)與功率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 功率與干擾模型中各項系數(shù)關(guān)系圖

可以看出，隨著功率的變化，三次項系數(shù)以及二次項系數(shù)變化不明顯，一次項系數(shù)以及常數(shù)項變化明顯，分別將C的絕對值以及D的絕對值擬合后，如式(7)、式(8)所示，且相似值均為1。

C=-0.023P3+0.846P2-9.276P+34.4

(7)

D=0.026 2P3-0.939P2+8.705 3P+17.78

(8)

2 應用實例

在布設無線AP時要遵循以下原則：(1) 根據(jù)關(guān)聯(lián)用戶需求確定無線AP個數(shù)；(2) 按照相鄰無線AP間干擾模型以及場景大小確定其部署方案，使盲區(qū)范圍最小，信號重疊范圍最??；(3) 無線AP負載均衡； (4) 無線網(wǎng)用戶上網(wǎng)體驗效果良好。

2.1 半封閉矩形空間無線AP部署

設定在一個長50 m、寬50 m的室內(nèi)場景中，需要部署高密無線AP。設用戶數(shù)為500人，高密無線AP關(guān)聯(lián)用戶數(shù)最大值為80。

(2) 當功率為20 dBm時，根據(jù)相鄰無線AP間干擾模型，將P=20代入式(1)，得L0=27.3 m。將P=15代入式(1)，得L0=23.1 m。根據(jù)場景大小以及用戶多集中在中心區(qū)域，因此需要在中心區(qū)域布設小功率無線AP，以減小信號干擾，避免出現(xiàn)負載不均衡的情況。

本文從資源均衡利用角度設定了如下方案：

(1) 由于4個角落無線AP距離為50 m遠遠大于27.3 m，認為4個無線AP之間的干擾可以忽略。在4個角落分別部署功率為20 dBm的放裝型AP，將L0=27.3 m代入式(5)，得到RSSI=-57.1 dB>-70 dB，認為此處信號強度強。

(2) 中心布置4個無線AP，功率設為15 dBm，中心AP距角落AP 27.3 m，中心AP間的距離為23.1 m，L0=23.1 m代入式(4)，得到RSSI=-59.8 dB>-70 dB，認為此處有信號。無線AP布設效果如圖4所示。

圖4 智能無線管理平臺模擬AP信號覆蓋范圍俯視圖

由于無線AP部署在頂層天花板上，因此基本上不會有隔離介質(zhì)的干擾。由圖4可以看出，信號強度覆蓋了全區(qū)域，模擬結(jié)果與依據(jù)干擾模型計算得到的結(jié)果一致，保證了信號強度覆蓋無盲區(qū)、無死角，同時也驗證了所構(gòu)建干擾模型的準確性。

2.2 階梯型空間無線AP部署

階梯教室關(guān)聯(lián)用戶數(shù)多，因此需要布設多個無線AP。階梯教室長31.8 m，寬23.1 m。

(1) 設計需求。為實現(xiàn)網(wǎng)絡授課、智慧智能教學，在階梯教室上課的每位師生都需要能連接上無線網(wǎng)絡，且無線網(wǎng)絡下行速率最低要保證達到100～150 Mbit/s，才能保證師生正常上網(wǎng)絡課、看視頻。

階梯教室的容量為200人，無線網(wǎng)絡的上行帶寬為千兆網(wǎng)。為保證充足的上網(wǎng)速率及容余量，在階梯教室中布設4個無線AP。為了保證階梯教室全覆蓋，在進門處布設1個無線AP。

(2) 規(guī)劃需求。為了保證無線AP之間干擾最小，根據(jù)相鄰無線AP之間的干擾模型把4個無線AP放置在4個對角上。由于在一間教室，沒有墻壁的阻礙，將無線AP放置在天花板上，達到良好的覆蓋效果。階梯教室中間放置投影儀，應保證無線AP離這些電子設備足夠遠，以免信號干擾。

(3) 功率設置。階梯教室長15.9 m，寬12.6 m，對角線長20.3 m。為了保證4個無線AP能全部覆蓋階梯教室，且信號強度達到最強，重疊區(qū)域達到最小，根據(jù)式(1)，將無線AP功率設置為15 dBm。

(4) 覆蓋效果。根據(jù)布設的4個無線AP，圖5給出了信號覆蓋效果圖。

圖5 階梯教室信號覆蓋效果圖

由圖5可知，階梯教室以及樓道都達到了信號區(qū)域全覆蓋的效果，且信號強度強，說明無線AP布設效果良好。

3 結(jié) 語

本文對無線AP布設的重要性進行了概述，測試了不同功率下相鄰無線AP之間信號最強時的距離，建立了相鄰無線AP間的干擾模型。結(jié)果表明：移動AP的信號強度隨著距離的增加而減弱，在某一個距離時信號有增強的趨勢，出現(xiàn)峰值，此時信號干擾的程度最低，隨后隨著距離的增加信號強度減小。在不同的結(jié)構(gòu)空間中應用干擾模型進行無線網(wǎng)絡布設，并應用無線智能管理平臺進行信號模擬，實現(xiàn)了信號無盲區(qū)覆蓋，同時驗證了所建干擾模型的準確性、可用性。