肖明 許婷舒 江波 趙亮 唐亦非

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端技術(shù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)已成為高校師生教學(xué)、科研和生活不可或缺的信息基礎(chǔ)設(shè)施，體育館等高密場(chǎng)所的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障成為迫切需要解決的難點(diǎn)。針對(duì)高密場(chǎng)館的無線網(wǎng)絡(luò)部署問題，提出了基于Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)華中師大體育館的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了部署和優(yōu)化。實(shí)踐證明，該方案可有效減小同頻干擾，實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：Wi-Fi 6;高密無線;OFDMA;MU-MIMO;BBS Coloring

中圖分類號(hào)：TN925+.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）03-0042-06

Abstract：With the explosive growth of internet of things，mobile internet and intelligent terminal technology，wireless network has become an indispensable information infrastructure for teaching，research and life of teachers and students in colleges and universities. The guarantee of network service quality in high-density places such as gymnasiums has become an urgent problem to be solved. In view of the problem of the wireless network deployment in gaoming stadium，an implementation scheme based on Wi-Fi 6 standard is proposed to deploy and optimize the wireless network in the gymnasium of Central China Normal University. Practice has proved that the scheme can effectively reduce the interference of the same frequency and realize high-speed internet access.

Keywords：Wi-Fi 6;high-density wireless;OFDMA;MU-MIMO;BBS Coloring

0? 引? 言

大學(xué)迎新典禮和畢業(yè)典禮等重大活動(dòng)的舉辦都需要室內(nèi)大型場(chǎng)所。華中師范大學(xué)佑銘體育館能夠容納3600余人。2019年9月思政大課堂在華中師大佑銘體育館進(jìn)行，用戶規(guī)模達(dá)3000余人，需使用無線網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)答題，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)要求聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定可靠。原體育館內(nèi)的無線網(wǎng)采用Wi-Fi 5放裝部署，存在以下問題：

（1）最多僅能支持1000人，且對(duì)館內(nèi)中間臨時(shí)座位無法實(shí)現(xiàn)覆蓋。

（2）體育館內(nèi)空曠，無墻壁，干擾嚴(yán)重。

（3）無線信號(hào)覆蓋不均勻，一些區(qū)域信號(hào)過弱。

（4）無線AP設(shè)備部署數(shù)量不足、造成單個(gè)AP連接數(shù)過高、網(wǎng)速慢，無法滿足用戶需求。

為解決室內(nèi)場(chǎng)館大型活動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)高密度需求，本文對(duì)佑銘體育館無線網(wǎng)絡(luò)按照當(dāng)前的Wi-Fi 6國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從技術(shù)和工程兩方面進(jìn)行探索。

1? 無線網(wǎng)Wi-Fi 6技術(shù)

1.1? 近三代Wi-Fi無線技術(shù)對(duì)比

體育館無線網(wǎng)現(xiàn)采用的是Wi-Fi 4（802.11n）和Wi-Fi 5（802.11ac），無線AP的接入帶寬在高密度的用戶環(huán)境下，無法滿足大流量應(yīng)用的需求。新一代無線Wi-Fi 6為大流量需求提供了可靠的解決方案，Wi-Fi 6也被稱為高效無線（HEW），它的目標(biāo)是在密集用戶環(huán)境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。Wi-Fi 6有幾個(gè)重要技術(shù)突破：基于正交頻分多路訪問的隨機(jī)訪問方法和空間頻率復(fù)用技術(shù)[1，2]，多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）[3，4]，無線網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)干擾、信道分配以及大型場(chǎng)館的信號(hào)覆蓋方式等已成為國(guó)內(nèi)外研究的主要方向[5，6]。第六代無線Wi-Fi 6與現(xiàn)有無線技術(shù)比較如表1所示。

Wi-Fi 6采用更高階的調(diào)制方式（1 024 QAM）和調(diào)制與編碼策略（MCS），更多的子載波數(shù)量和更低的幀間隔開銷等，通過這些技術(shù)，Wi-Fi 6的理論最大連接速率提升到9.6 Gbps左右。類似于交通部門對(duì)道路進(jìn)行優(yōu)化，在不造成交通混亂的前提下，讓這條道路上的車道盡可能靠近，增加車道數(shù)量。

1.2? Wi-Fi 6滿足高速高密接入

體育場(chǎng)館無線網(wǎng)最需要解決的是高密用戶同時(shí)接入的難題?，F(xiàn)有Wi-Fi 5無線網(wǎng)絡(luò)的接入承載能力有限，在增加接入AP數(shù)量的同時(shí)，需采用新一代無線網(wǎng)Wi-Fi 6技術(shù)，可顯著提高無線用戶的密集接入。

1.2.1? OFDMA技術(shù)

Wi-Fi 6采用正交頻分多址技術(shù)（OFDMA），將一個(gè)無線信道劃分成不重疊且正交的多個(gè)子信道，每個(gè)子信道可以單獨(dú)分配給不同用戶使用。實(shí)現(xiàn)不同用戶在同一時(shí)間，相同信道內(nèi)同時(shí)通信。子信道集分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多址，不同用戶占用不重疊的子信道，在同一時(shí)間相同信道內(nèi)的用戶通信，不會(huì)相互干擾。OFDMA技術(shù)可以智能地、動(dòng)態(tài)地把可用帶寬資源分配給不同接入用戶，將總資源（時(shí)間、帶寬）在頻率上進(jìn)行分割，用戶數(shù)據(jù)承載在子信道上，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有Wi-Fi技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)用戶同時(shí)并行通信，共享相同信道，提高同信道通信效率，降低排隊(duì)等待時(shí)延。

Wi-Fi 6采用OFDMA標(biāo)準(zhǔn)將子載波集分配給個(gè)體用戶，用戶數(shù)據(jù)承載在每個(gè)資源塊上，而不是占用整個(gè)信道，實(shí)現(xiàn)在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)多個(gè)用戶同時(shí)并行傳輸，Wi-Fi 5的OFDM功能與Wi-Fi 6的OFDMA功能比較如圖1所示。

1.2.2? MU-MIMO技術(shù)

Wi-Fi 5只支持下行多用戶雙向傳輸技術(shù)（MU-MIMO），Wi-Fi 6允許同一AP一次同時(shí)與8個(gè)設(shè)備并發(fā)通信，支持上下行MU-MIMO。Wi-Fi 6通信就像城市的道路交通一樣，由4車道變?yōu)殡p向8車道。同一時(shí)間內(nèi)，多個(gè)無線設(shè)備不需要像許多車輛排隊(duì)擠用一個(gè)出口，而是可以從不同的車道，不同方向同時(shí)、高效地進(jìn)入或進(jìn)出，不需要排隊(duì)通行，從而提高了無線通信的效率，其示意圖如圖2所示。

MU-MIMO技術(shù)使得多個(gè)上網(wǎng)用戶雙向并發(fā)數(shù)據(jù)通信，無線AP可向多個(gè)支持MU-MIMO的客戶端同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。MU-MIMO提升了單個(gè)無線AP的用戶接入容量，使得高密無線接入環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信效率更高。

1.2.3? BSS Coloring技術(shù)

影響Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要因素包括信道資源匱乏和同頻干擾。在高密度無線用戶接入的體育場(chǎng)館應(yīng)用環(huán)境中，部署大量的無線AP，AP可以偵聽到所有沒有阻擋的其他同信道AP的無線幀。

為了降低不同AP間的同頻干擾，提高密集部署環(huán)境下信道資源的有效利用，Wi-Fi 6提出了空間復(fù)用技術(shù)（Spatial reuse technique）——BSS Coloring，使用BSS著色位（Color Bit）來標(biāo)識(shí)這個(gè)無線數(shù)據(jù)幀屬于哪個(gè)BSS。采用BSS Coloring機(jī)制為每個(gè)AP“著色”，即在數(shù)據(jù)報(bào)頭增加6 bit的標(biāo)識(shí)符，區(qū)分不同AP。當(dāng)所有Wi-Fi設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽到信道已被占用時(shí)，會(huì)首先檢查占用該信道的BSS Coloring，以確定是否為同一AP的網(wǎng)絡(luò)。如果不是同一AP的網(wǎng)絡(luò)，則不用避讓，而是協(xié)調(diào)管理同一信道上的多個(gè)AP運(yùn)行，以及多個(gè)用戶并行通信。還是用交通類比，相當(dāng)于在同一個(gè)車道的車輛，根據(jù)發(fā)送目的不同在空間上劃分為相互獨(dú)立不干擾的立體車道，有效實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，其原理如圖3所示。

BSS Coloring適用于體育場(chǎng)密集場(chǎng)景組網(wǎng)，允許密集地部署AP，可在保證信噪比的前提下，提供更大的Wi-Fi組網(wǎng)容量。

2? 體育館無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1? 頻段和信道的設(shè)計(jì)

在體育館高密度的無線環(huán)境中，由于接入高密度和AP部署的高密度，無線頻段和信道的選擇十分困難。盡管2.4 GHz頻段下可容納13個(gè)信道，但互不重疊的信道只有3組，在實(shí)際應(yīng)用的2.4 GHz頻段中，一般采用3個(gè)互不干擾的信道（1-6-11），杜絕信道之間的相互干擾。5.0 GHz頻段下互不干擾的信道有25個(gè)（我國(guó)批準(zhǔn)開放13個(gè)）。

雖然Wi-Fi 6對(duì)抗干擾能力有很大的提升，但Wi-Fi 6也面臨非常現(xiàn)實(shí)的問題，如2.4 GHz僅3個(gè)非重疊信道可使用、抗干擾能力弱等。因此，在實(shí)際使用環(huán)境中，需要準(zhǔn)確和審慎的功率管理方案，部署時(shí)要兼顧信號(hào)的完整覆蓋與信號(hào)間干擾的矛盾，做到合理規(guī)劃。對(duì)無線AP的信號(hào)覆蓋半徑的選取應(yīng)優(yōu)先考慮5.0 GHz通信協(xié)議的使用。同時(shí)優(yōu)化AP信號(hào)的覆蓋，盡可能減少信號(hào)的重疊。

2.2? 增加無線AP容量設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有無線AP部署密度不夠的問題，需要增加AP的部署密度，以提高AP的接入容量。按照每個(gè)無線AP可連接不低于200臺(tái)上網(wǎng)設(shè)備（雙頻段），并同時(shí)服務(wù)80～100臺(tái)無線用戶的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃，體育館要求滿足3 600人無線接入，共需要部署36～40個(gè)Wi-Fi 6新一代高密三射頻無線AP，同時(shí)兼顧信號(hào)的無重疊覆蓋。

2.3? AP的部署設(shè)計(jì)

2.3.1? 場(chǎng)館全馬道部署方案

體育館現(xiàn)有無線網(wǎng)AP的部署采用普通放裝型AP安裝，AP采用頂部和掛墻兩種方式安裝。由于體育館是一個(gè)開放的空間，采用普通放裝型全向AP，所有AP都是360°全向覆蓋，全向天線覆蓋效果圖如圖4所示，把某個(gè)AP放在體育館正中央地面，整個(gè)場(chǎng)館內(nèi)任何位置都會(huì)收到這個(gè)AP的信號(hào)。如果在體育館中安裝數(shù)十個(gè)全向天線的AP，干擾將非常嚴(yán)重?，F(xiàn)在場(chǎng)館內(nèi)部署的8個(gè)無線AP，已使無線網(wǎng)存在信號(hào)干擾。

為減少這種全向天線帶來的互相干擾問題，我們規(guī)劃在馬道上部署Wi-Fi 6三射頻AP，外加定向天線，一個(gè)AP覆蓋一個(gè)小的區(qū)域，多AP實(shí)現(xiàn)整個(gè)體育館無縫全覆蓋。天線部署和信號(hào)覆蓋如圖5所示。

為保證這種定向天線達(dá)到最小的互相干擾效果同時(shí)覆蓋全場(chǎng)，規(guī)劃在馬道上部署小角度定向天線進(jìn)行覆蓋，30°定向天線用于5.0 GHz信道，天線垂直及傾斜覆蓋范圍如圖6所示，60°定向天線用于2.4 GHz信道。

2.3.2? 天線和AP規(guī)劃計(jì)算

為保證定向天線既能最大程度減少互相干擾，同時(shí)又能覆蓋全場(chǎng)，經(jīng)過計(jì)算，定向天線應(yīng)垂直于地面或者斜向覆蓋的主波瓣信號(hào)覆蓋范圍。

為了保證信號(hào)無死角，兩個(gè)無線信號(hào)存在小的交叉覆蓋，覆蓋面積為圓中最大正方形，考慮按每個(gè)高密無線AP連接200臺(tái)以上用戶設(shè)備（雙頻段），并發(fā)服務(wù)80～100臺(tái)用戶設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃布點(diǎn)，在保證總的數(shù)據(jù)吞吐量的情況下納入更多的用戶，提高AP布設(shè)密度，設(shè)計(jì)中按照每個(gè)AP覆蓋100.00 m2～150.00 m2來規(guī)劃布點(diǎn)。

從現(xiàn)場(chǎng)用紅外筆射線計(jì)算的馬道距離來看，場(chǎng)館內(nèi)絕大部分座位距離馬道的高度為13.50 m至20.00 m。因此可以算出垂直覆蓋直徑約7.00 m至10.70 m，傾斜覆蓋橢圓長(zhǎng)約10.00 m至15.00 m。將體育館內(nèi)的無線信道分三種顏色來標(biāo)識(shí)，其定向無線覆蓋半徑如圖7所示。

2.4? 體育場(chǎng)館無線AP設(shè)計(jì)原則

根據(jù)體育館的實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)無線網(wǎng)AP進(jìn)行優(yōu)化，遵循以下原則：

（1）合理規(guī)劃無線AP的發(fā)射功率，盡量減少AP無線信號(hào)交叉覆蓋。

（2）合理規(guī)劃無線AP信號(hào)覆蓋區(qū)域，通過選擇定向天線的角度和安裝高度，使每個(gè)無線AP信號(hào)的覆蓋范圍更加合理，降低對(duì)相鄰區(qū)域的信號(hào)干擾。

（3）合理選擇雙頻高密無線AP，盡可能引導(dǎo)無線終端，實(shí)現(xiàn)5.0 GHz頻段優(yōu)先接入，從而減少2.4 Hz頻段上的接入用戶，降低2.4 GHz頻段的信道干擾。

（4）合理分配用戶接入到周邊的無線AP上，利用高密無線AP間負(fù)載均衡，基于接入終端數(shù)量和通信流量，動(dòng)態(tài)地將接入終端分配到負(fù)載不同的同一組AP上，使得不同AP之間負(fù)載均衡。

2.5? 無線射頻優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.5.1? 無線接入頻段智能引導(dǎo)

采用自適應(yīng)射頻管理技術(shù)，通過智能AC的終端頻段指引功能，引導(dǎo)雙頻段終端優(yōu)先采用5.0 GHz頻段連接雙頻段AP，緩解2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾問題，避免低速終端對(duì)高速終端性能影響，使終端盡可能運(yùn)行在高帶寬信道上，實(shí)現(xiàn)高速無線連接。

2.5.2? 無線接入的負(fù)載均衡

AP和接入用戶通過智能AC進(jìn)行統(tǒng)一管理。計(jì)算近鄰覆蓋區(qū)域內(nèi)每個(gè)無線信道AP和用戶數(shù)量，對(duì)AP負(fù)載狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，根據(jù)內(nèi)置模型算法，指引設(shè)備連接到相對(duì)空閑的無線信道上，保障信道資源和AP資源得到充分利用，使得無線用戶獲得更佳的性能。

2.5.3? 終端智能匹配

當(dāng)用戶終端初次連接無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由所有能探測(cè)到該用戶的AP同時(shí)向控制器進(jìn)行匯報(bào)，控制器批準(zhǔn)一個(gè)最優(yōu)的AP來對(duì)客戶端進(jìn)行引導(dǎo)，從而為單個(gè)客戶端提供更快的網(wǎng)絡(luò)連接，以此為所有終端實(shí)現(xiàn)更好的整體無線性能。并且用戶在使用的過程中，由于驅(qū)動(dòng)程序的粘滯性，可能在遠(yuǎn)離某個(gè)AP后依然始終連接在該AP上，對(duì)自身以及其他用戶產(chǎn)生不良的網(wǎng)絡(luò)影響，通過控制器優(yōu)化技術(shù)從移動(dòng)設(shè)備連續(xù)收集會(huì)話性能指標(biāo)，并使用此信息將設(shè)備智能引導(dǎo)至最接近AP中的最佳射頻信號(hào)上，從而消除粘滯客戶端，實(shí)現(xiàn)平滑漫游。

2.5.4? 無線RF智能管控

無線RF智能管控主要從頻率和功率等方面，對(duì)AP的無線射頻進(jìn)行智能管控。傳統(tǒng)依靠工程師手動(dòng)配置的固定模式，無法滿足實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境動(dòng)態(tài)變化要求，尤其在大規(guī)模的無線網(wǎng)部署環(huán)境下，動(dòng)態(tài)多變的無線射頻信號(hào)，靠手動(dòng)配置是無法滿足使用要求的。集中統(tǒng)一的RF智能管控系統(tǒng)，可以自動(dòng)優(yōu)化所有AP的射頻特性，使AP之間無線射頻信號(hào)運(yùn)行環(huán)境達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的平衡，并且這種優(yōu)化過程是動(dòng)態(tài)的和持續(xù)的，保證每個(gè)AP的頻率和功率都運(yùn)行在最優(yōu)的狀態(tài)。當(dāng)某一覆蓋范圍內(nèi)的無線信號(hào)改變，如出現(xiàn)干擾或信號(hào)過強(qiáng)，無線RF智能管控系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)態(tài)模型及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整該區(qū)域AP射頻信號(hào)，使其達(dá)到一個(gè)新的平衡。

2.5.5? 故障自動(dòng)恢復(fù)

在實(shí)際的高密接入無線網(wǎng)中，AP的故障是存在的，需要一種自動(dòng)恢復(fù)機(jī)制，保證在單一AP故障時(shí)，系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和恢復(fù)的功能。當(dāng)無線網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)覺有AP出現(xiàn)故障時(shí)，智能AC根據(jù)信號(hào)模型，能自動(dòng)調(diào)節(jié)鄰近的AP的功率（覆蓋范圍）來接替失效AP的工作。

2.5.6? 無線空口優(yōu)化

通過對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行智能控制，過濾掉質(zhì)量低下的無線網(wǎng)連接，減少無用和無效連接，減少無線空口占用，提高無線網(wǎng)連接效率和質(zhì)量。

2.6? 高密無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)效果

2019年度，華中師范大學(xué)在體育館舉辦了畢業(yè)典禮等大型活動(dòng)，高峰期間并發(fā)用戶為2 100人以上，最大并發(fā)流量為980 Mbps，如圖8所示。這種高密場(chǎng)景無線網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)效果得到廣大師生的充分認(rèn)可。

3? 結(jié)? 論

本文通過分析基于Wi-Fi 6的OFDMA、MU-MIMO和BBS Coloring技術(shù)，經(jīng)過設(shè)備選型、部署方式選擇、無線信道規(guī)劃和天線覆蓋研究等步驟，最終實(shí)現(xiàn)了體育場(chǎng)館高密無線網(wǎng)絡(luò)的高可靠、高網(wǎng)速和高密接入。根據(jù)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略要求，下一步將對(duì)體育場(chǎng)館中高密場(chǎng)景下的安全態(tài)勢(shì)感知開展研究。

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作者簡(jiǎn)介：肖明（1971-），男，漢族，湖北孝感人，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究;許婷（1986-），女，漢族，湖北大冶人，碩士，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù);通訊作者：舒江波（1982-），男，漢族，湖北崇陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：教育大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù);趙亮（1985-），

女，漢族，河南南陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：教育大數(shù)據(jù);周偉（1980-），男，漢族，湖北武漢人，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)信息安全;唐亦非（1985-），男，漢族，湖北武漢人，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。