高密度环境的无线WiFi覆盖如何打造

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高密度环境的无线WiFi覆盖如何打造
标签： 无线wifi覆盖  
     值得我们肯定的是，当下的互联网的发展取得了举世瞩目的成就，为我们的生活和办公提供很大的便利，也让信息传递更加简单、高效。据相关统计，现如今人均拥有2-3台无线终端设备被使用，人们轻松享受着无线支付、移动社交、移动办公所带来的便利。为了满足如此庞大的刚性需求，无线网络设备提供商就要确保无线网络信号能够随处接收到，不仅信号要满足需求，而且必须考虑到人口密度大的情况，因为高密度的人群使用无线网络将会导致无线网络体验度差或者无法使用。所以如何搭建高密度无线网络覆盖成为了一大课题。   


一、什么是高密度无线网络覆盖？


     真正的高密度场景的终端使用密度之大远远超出我们平常的想象。它既非几个人在一间会议室里开会，也不是一些人在咖啡厅中，看视频、刷微博、聊微信。我们所谓的高密覆盖场景通常是指类似下图的应用场景。


     等候大厅类的高密场景特点是：部署难度大、空间大，用户流动性大，信道质量差，业务类型复杂。


     对比而言，大型会议类的高密度应用部署需要灵活、封闭，用户相对稳定，信道质量良好，可协调，业务类型可控。根据部署实践来看，现在针对大型会议类的无线覆盖高密度场景已经有相对成熟可靠的无线覆盖方案，比如有一个大型的会议需要无线覆盖，规模是3000多人，许多大会人数规模都在千人以上，现场接入都将获得良好的无线体验。


     高密场景的部署难度大主要与两大因素有关，第一个是802.11的协议本身存在缺陷，第二个是无线的频谱资源匮乏原因。具体说明如下




     ●   载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)


     IEEE 802.11标准使用一种名为载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的方法来避免冲突。


     为实现冲突避免，要求所有工作站在传输每帧前进行侦听，当工作站有帧需要发送时，面临的将是下列情况之一：


     没有其他设备在传输数据，工作站可立刻传输其帧，接收工作站必须发送一个确认帧，确认原始帧已在没有发生冲突的情况下到达。


     另一台设备正在传输，工作站必须等待，等到当前帧传输完毕后，它再等待一段随机时间，然后传输自己的帧。


     这样来说，每个AP在同一时刻只能与一个终端进行通信。当终端数量较多的时候需要部署大规模的AP来承载业务流量。在以后的802.11ac协议中，这一缺陷会得到改善，单AP在同一时刻最多可跟4个终端同时通信，大大提高了通信效率。在一定程度上会对高密覆盖难度有所缓解。


     ●  同频干扰


     大规模布置AP最大艰难问题是怎么做好频率规划和功率操控。我们依据最大用户数量接入的需求和网络业务的最低带宽要求，在有限的空间里布置满足数量的AP。但问题的中心在于怎么处理同频干扰。


     02.11 b/g/n工作在2.4GHz频段。2.4GHz频段范围是2.4GHz-2.483GHz，按照我国规定的频点规划，只有1,6,11三个不互相干扰的信道，每个信道带宽20MHz。所以在过去的2.4GHz频段WLAN覆盖方案中，使用3台以内AP进行覆盖可以完全避免干扰的产生。当AP数大于3时，必然会存在频率相互干扰的问题，用户数量越多，需要的AP数也越多，同频干扰更加严重，造成整个网络无线资源枯竭。


二、解决高密覆盖的关键技术


     高密度覆盖解决方案不是一两项技术能够解决的，而是需要融合数十种无线接入优化技术形成。其中也涉及到厂商自己根据实践进行的创新技术，比如逐包功率控制技术，是由H3C研发并申请了国家专利。下文具体分析高密覆盖的关键主流技术。


     ●  大容量AP


     通常厂家公布的AP所带的最大终端数是根据MAC地址表项所写的参数而来。并没有考虑在实际使用中用户的流量大小，按照每用户4Mbps的流量来测试，很多厂家单AP的最大用户数最大只能到30个用户(H3C的AP在经过严格的实验室模拟测试后，每台AP在高密部署的最大可支持100个用户同时在线)。


     ●  智能多振子天线系统和选择算法


     阵列天线由多个天线形成阵列，在工作时，通过不同天线的组合工作，形成不同的天线波瓣，实现多种方向、角度、增益都不相同的"虚拟天线"，以适应不同工作环境、不同用户的位置以及避免不必要的干扰。自适应阵列天线在工作时通过对工作环境的判断以及用户位置的感知，经过内部芯片处理，能够迅速计算出最佳的天线组合方式，达到想覆盖哪里，就覆盖哪里的目的。无线接入设备可通过不同天线的组合，形成最多4096种不同的波瓣模式，可以轻松的适应各种室内环境，增加覆盖范围，达到稳定网络质量之目的。


     ●  信道重用技术


     如前文所述，在高密环境下部署wifi覆盖网络应该尽量降低无线AP间的可见度。在该问题的解决上，可以通过AP的信道重用技术，通过对AP的射频参数进行调整，可以过滤掉邻近的同频弱信号的干扰，减少冲突域和提高吞吐量。


     ●  空口报文抑制


     影响覆盖的最大因素还是空口利用率。如果在没有部署前空口利用率就已经达到60%或以上，那么WLAN 覆盖就几乎没有效果了。空口利用率除用户使用的比率以外，主要来自以下几个方面：


     ◆  其他Wi-Fi信号占用，如个人自建的Wi-Fi热点;


     ◆  非Wi-Fi信号或者由于噪声增高导致空口不可用部分，如蓝牙、微波炉;


     ◆  关联和非关联用户数据无关报文对空口的占用。


     根据实践经验总结，其他Wi-Fi信号通常都要占用15%左右，非Wi-Fi信号对信道要占用12%左右。前两点是我们自身设备无法调节、改变的，因此需要对第三点做了非常精细的优化。空口报文抑制功能，可对空口中存在的数据帧、管理帧和控制帧进行独立管理。


     用户数据无关报文对空口的占用不要超过33%。即使有剩余的40%可供AP 使用，考虑到同信道干扰和数据重传对空口利用率的损耗，估计也只有15%到20%可用而已了，所以其他部分对信道利用率占用越低，AP 间同信道干扰越小，可供用户同时上网的带宽才能越高。


     我们来看一个例子。假设一个终端STA，每30s会扫描一次，一个AP会收到3个probe报文。假设一个AP带60个用户。


     那么，每30s中一个AP的覆盖范围内会有：


     60*3+60*3*3(probe response，假设需要重传2次)=720个probe报文，


     每秒就是24个probe报文，


     再加上邻近所带终端对自身的影响，则为24*5=120个probe报文。


     如果每个AP只响应一个probe request报文，


     那么每秒钟就会少发送(60*3*3-60*1)/30=16个probe报文，


     再考虑邻近的影响，则为16*5=80个probe报文，


     按照1Mbps的物理速率来算，节省时间为80*350Bytes*8/1Mbps=0.224s，


     相对节省22.4%的空口利用率。




     ●  频谱导航技术


     5GHz频段做为WLAN覆盖的重要频谱资源，尤其在802.11ac的时代，5GHz频段将成为无线覆盖的主要频段，我国之前已经开放149,153,157,161和165频段，在去年工信部又开放了5.15GHz-5.35GHz频段。目前已经有13个独立的20M信道可供使用，完全解决了2.4G频段无线资源匮乏的问题。但目前绝大多数终端虽然支持5GHz频段的WLAN接入，但仍然优先关联2.4GHz，5GHz频段的资源被白白浪费掉。可以通过频谱导航技术让无线AP在用户终端关联时优先判断用户终端是否支持5GHz频段接入，一旦扫描出用户可使用5GHz频段，会引导用户优先连入5G信号。


     该技术可成倍的提高AP的用户容量，同时被引导到5G信道的终端，由于信道更加纯净，所以速率更快，体验更好。


     ●  混合接入公平调度


     在任何场景，不可避免会有一些信号不好终端或者网卡比较老的终端，比如只支持802.11b/g的终端。传统的AP对这些低速率的终端不做任何处理，当一个低速率终端开始传输数据的时候其他高速率终端必须要等待，就像在一条马路上，前方有一辆面包车开的很慢，这时后面的所有的跑车都要跟在面包车的后边，使得道路使用效率大幅降低。无线终端也是一样，在有限的空口资源中，我们不想被低速率终端占用过多的资源，但又不能不让它进行通信，所有就需要专门对此情景做了优化。把关联上来的终端均匀的分配数据传输时长，如果低速率终端在单位时间内没有传输完数据，也要等到下次继续传输，这样把更多的空口资源留给高速率终端，提升单AP的吞吐量。


     在高密覆盖场景中，除以上功能特性外，现场AP的部署方式也起到了至关重要的作用。




三、高密场景下AP部署指导


     高密场景通常存在四个方面的主要难点：


     ◆  如果用户可感知的信号范围内终端数量超过一定值，会导致空口一直处于竞争状态而无法使用，尤其是用户特别密集的时候。


     ◆  用户数量多，推高了噪声。


     ◆  用户终端不断扫描，以及其他干扰AP 的因素存在，导致空口一部分时间被浪费而不能使用。


     ◆  需要覆盖的用户多，但整个场景内都是相互可见的，导致AP 之间存在干扰，无更多的信道能被利用。


     面对以上部署难点，申瓯智联小编将无线AP的部署经验总结如下：


     1、无线AP部署在尽量靠近用户的地方。部署AP时，应该尽量降低AP之间的可见度，同时增加无线覆盖AP与STA之间的信号强度。有些场景(如火车站)的建筑物高度比较高，经常超过10 米，所以AP安装在顶部是不合适的。一方面AP 之间的可见度比STA 到AP 的信号还高，另一方面AP 到达STA 的信号强度会差一些。AP应尽量部署在较低的地方，全部壁挂在两侧的墙壁是最后的一种选择。


     2、尽量利用场景中的小型修建物体隐藏AP，提高空间重用率。如在大型的会议场景中，人体是最佳的分开信号的遮挡物，可将AP布放在座椅的下方，即可满意周围小规模人群的无线接入，又可降低对周边AP的干扰。


     3、假如场景中没有内部修建物体隔离空间，用户所在区域之间都是空阔的，无遮挡的，则需要运用定向天线来提高无线AP 间隔离度，也能提高AP和STA之间的信号强度，增强抗干扰。天线装置方位尽量靠近要覆盖的目标人群，尽量不要装置在地面上，由于人群对信号的遮挡和干扰很大。


     4、千万要注意不要追求所有区域的覆盖，最重要的是要确保主要活动区域能够正常使用，部署的无线AP越多相对来说信道干扰也会随之增大。

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