高密度无线覆盖技术及其实现

王燕清，李 程，苏 爽

（北京电视台信息网络管理部，北京 100022）

高密度无线覆盖技术及其实现

王燕清，李 程，苏 爽

（北京电视台信息网络管理部，北京 100022）

本文全面介绍了高密度无线覆盖所使用相关技术，提出了高密度场景下的无线覆盖设计原则和注意事项，为解决人员密集区域的无线覆盖提出了解决思路。

高密度无线覆盖；信道复用；频谱规划

1 引言

随着智能终端的普及，在一些人员密集的场所经常会出现智能移动终端的无线网络接入需求。体育场馆等人员密集区域举行的重大活动往往为无线网络带来挑战，用户要么连接失败，要么网络拥塞，体验非常糟糕；移动互联网时代的大型行业会议和企业大型内部培训，用户利用智能终端和无线网络查询、分享资料成为应用潮流，而这也对相关场所的无线网络提出了支持高密度无线覆盖的使用需求。

2 高密度无线覆盖技术

所谓无线网络高密度场景，是指在一定空间内的无线用户数量与网络流量都远超过普通无线网络覆盖的预期，其主要技术挑战为部署难度大、空间大，用户流动性大，信道质量差，业务类型复杂。在现有的WLAN无线应用中，高密度用户覆盖一直是难以逾越的鸿沟。在人们的印象中，即使是经过多重优化的移动运营商网络，面对密集用户使用时也会瘫痪。WLAN的AP相比移动基站设备，无论是频率、功率还是处理性能，均不可同日而语，所以面临着更大的困难。实现高密度场景下的无线覆盖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，主要包括：

2.1 大容量AP

实现高密度无线覆盖的前提是增加单个无线AP的最大用户接入数量，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4Mb/s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，因此，在无线覆盖设备选型时采用接入能力较大的AP成为高密度无线场景无线覆盖的首要因素。

2.2 智能多振子天线系统和选择算法

由于现场活动人员密集特点，进行分区域覆盖，减少由于信号交叉覆盖带来的干扰也是需要考虑的因素。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4,096种不同模式，可以轻松适应各种室内环境，增加覆盖范围，达到稳定网络质量之目的。

图1 高密度无线覆盖天线部署示意

2.3 信道复用技术

在高密环境下部署WLAN网络应该尽量降低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。

图2 无线频谱规划

2.4 空口报文抑制

影响覆盖的最大因素包括空口利用率，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。

2.5 频谱导航技术

5GHz频段作为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，之后工信部又开放了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。

2.6 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时，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，所以就需要专门对此情景做了优化。把关联上来的终端均匀分配数据传输时长，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。

3 高密度无线覆盖系统设计

3.1 设计原则

系统应采用无线控制器（AC）+瘦AP(FIT AP)的组网方式，瘦AP实现无线信号的处理，而用户管理、加密、漫游、AP管理等功能全部集中到AC进行，这样可以简化整个网络的管理，提高设备的工作效率。AP的供电采用以太网供电（Power Over Ethernet，PoE），通过以太网线来汇聚AP的流量，同时为AP提供电源，这样可以简化布线，同时减少故障点，提高网络的可靠性。

采取通行的网络协议标准：目前无线局域网普遍采用802.11系列标准，因此，高密度无线局域网将主要支持802.11n（300M带宽）标准，以提供可实际应用的相对稳定的网络通信服务，同时兼顾多种类型应用和投资保护，并同时支持801.11a，802.11g，实现双频三模技术。

突出无线网的快速搭建和便携式移动能力，能够实现在活动现场的快速部署和搭建；全面的无线网络支撑系统（包括无线网管、无线安全，无线计费等），以避免无线设备及软件之间的不兼容性或网络管理的混乱而导致的问题；保证网络访问的安全性，包括信号隐藏、二/三层地址过滤、数据加密、用户认证以及非法无线入侵等措施。

3.2 无线频率规划

目前，针对WLAN来讲，2.4G具有3个不重叠的信道，5.8G具有5个不重叠信道，但由于网络用户具有一定的不确定性，故网络覆盖时所需要的WLAN网络空间都要进行2.4G与5.8G的频率覆盖，从网络规划的角度出发，主要考虑2.4G与5.8G二个频率的覆盖设计，针对2.4G的频率的信号衰减模型主要采用PathLoss(dB)=46+10*n*LogD（m）；而对于5.8G的信号衰减模型是PathLoss(dB) =32.4+20*lgf[MHz ]+20*lgd[km]+a*d[ km]，以上二信号衰减模型进行网络的设计，到具体网络实施时要进行工勘与优化，而对于信道主要采用1，6，11三个信道交错使用，如图4所示。

图4 WLAN2.4G信道规划示意图

图3 系统结构图

3.3 AP供电解决方式

由于高密度无线覆盖涉及AP设备数量较多，AP布放位置根据实际覆盖效果而调整，在已建设完成的建筑物上较难进行本地供电，基于标准的802.3af实现对AP的供电，通过以太网线在传输数据的同时给AP供电，供电距离达100米，满足实际组网的要求。

PoE设备的原理是通过非屏蔽双绞线中四对线中的两对线来传输电源，传输数据的同时传输直流电。采用PoE设备，AP端仅仅通过一根RJ-45网线与网络连接即可以同时传输数据和电力，如果不使用PoE设备，还需要在AP附近安装电源插座，增加了成本。因此，使用PoE设备将大大降低设备成本和管理成本。

PoE具有非常明显的优势，具体包括：简化安装，降低成本，不需为每个网络设备单独提供数据和电力线缆；灵活性提高，网络装置可被安装在任何位置，而不需靠近一个已存在的电源输出口；可靠性增强，有SNMP能力的POE装置，可实施远程检测和控制，能有效地处理或修理装置的耗电量和（或）失效故障。

3.4 无线网络安全措施

网络安全问题在建网时必须考虑，安全方式主要侧重几个方面：用户安全、网络安全；本次无线网络中着重考虑使用无线网络的空口信息的安全机制，同时也要考虑与无线相关的有线网络的安全问题。

3.4.1 无线物理安全

⊙ 无线产品需支持以下的加密机制：WEP加密、TKIP加密、CCMP加密、WPA/WPA2加密、WAPI加密。

⊙ 在无线设备安全方面，FIT AP提供“零配置”功能，在设备上不保存业务配置，而是每次启动的时候从无线控制器动态加载业务配置，这样可以有效避免设备丢失造成配置泄漏。

⊙ 当AP启动和无线控制器建立关联时，无线控制器会检查AP上报的序列号信息，只有这些预先授权的AP才能接入无线控制器使用，防止非法FIT AP接入网络。

3.4.2 无线网络安全

⊙ MAC地址过滤：目前支持基于MAC地址的过滤，限制具有某种类型的MAC地址特征的终端才能进入网络中。

⊙ SSID管理：是一种网络标识的方案，将网络进行一个逻辑化标识，对终端上发的报文都要求进行上带SSID，如果没有SSID标识则不能进入网络。

⊙ WEP加密是一种静态加密的机制，通信双方具有一个共同的密钥，终端发送的空口信息报文必须使用共同的密钥进行加密。

⊙ 支持AES加密，AES安全机制是一种动态密

钥管理机制，同时密钥生成也基于不对称密钥机制来实现的，同时密钥的管理也定期更新，具有体的时间由系统可以设定，一般情况都设定为5分钟左右，这样非法用户要想在5分钟之内进行获取足够数量的报文进行匹配出密钥出来，从无线空口的流理来看，基本上是不可能的。

3.4.3 无线用户安全

通过用户接入认证实现了对无线接入用户的身份认证，为网络服务提供了安全保护。接入认证主要有802.1x接入认证、PSK认证、MAC接入认证以及常用的portal认证等。通过和AAA服务器配合，无线设备支持对认证用户动态下发带宽、VLAN、ACL、优先级等参数，对于不同的用户群和业务可以控制其访问网络的权限，限制网络资源的使用，通过VLAN和优先级来标识用户和业务，并做到业务隔离。

3.5 无线网络管理

由于高密度无线覆盖涉及较多的AP，维护工作量较大，加之WLAN网络的灵活性和不可见性，如果对每个AP进行单独管理则会造成较高的维护开销，需要通过无线网管理平台实现无线终端的策略配置自动下发，终端AP的统一管理等功能。

4 结束语

综上所述，通过综合用于高密度无线覆盖相关技术，结合高密度场地特点，从无线设备选型、频谱规划、安全管理、部署和实施等多方面综合考虑，可以有效解决在人员密集场景下的无线覆盖需求，让用户享受如影随形的智能覆盖体验。

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文献标示码：B

1672-7274（2017）01-0006-04