基于Wi-Fi 6的体育场馆无线网络设计

肖明 许婷舒 江波 赵亮 唐亦非

摘  要：随着物联网、移动互联网和智能终端技术的爆发式增长，无线网络已成为高校师生教学、科研和生活不可或缺的信息基础设施，体育馆等高密场所的网络服务质量保障成为迫切需要解决的难点。针对高密场馆的无线网络部署问题，提出了基于Wi-Fi 6标准的实现方案，对华中师大体育馆的无线网络进行了部署和优化。实践证明，该方案可有效减小同频干扰，实现高速上网。

关键词：Wi-Fi 6;高密无线;OFDMA;MU-MIMO;BBS Coloring

中图分类号：TN925+.1      文献标识码：A 文章编号：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

大学迎新典礼和毕业典礼等重大活动的举办都需要室内大型场所。华中师范大学佑铭体育馆能够容纳3600余人。2019年9月思政大课堂在华中师大佑铭体育馆进行，用户规模达3000余人，需使用无线网进行互动答题，对无线网络要求联网稳定可靠。原体育馆内的无线网采用Wi-Fi 5放装部署，存在以下问题：

（1）最多仅能支持1000人，且对馆内中间临时座位无法实现覆盖。

（2）体育馆内空旷，无墙壁，干扰严重。

（3）无线信号覆盖不均匀，一些区域信号过弱。

（4）无线AP设备部署数量不足、造成单个AP连接数过高、网速慢，无法满足用户需求。

为解决室内场馆大型活动无线网络高密度需求，本文对佑铭体育馆无线网络按照当前的Wi-Fi 6国际标准进行设计，从技术和工程两方面进行探索。

1  无线网Wi-Fi 6技术

1.1  近三代Wi-Fi无线技术对比

体育馆无线网现采用的是Wi-Fi 4（802.11n）和Wi-Fi 5（802.11ac），无线AP的接入带宽在高密度的用户环境下，无法满足大流量应用的需求。新一代无线Wi-Fi 6为大流量需求提供了可靠的解决方案，Wi-Fi 6也被称为高效无线（HEW），它的目標是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量提高至少4倍。Wi-Fi 6有几个重要技术突破：基于正交频分多路访问的随机访问方法和空间频率复用技术[1，2]，多用户多输入多输出（MU-MIMO）[3，4]，无线网络中的信号干扰、信道分配以及大型场馆的信号覆盖方式等已成为国内外研究的主要方向[5，6]。第六代无线Wi-Fi 6与现有无线技术比较如表1所示。

Wi-Fi 6采用更高阶的调制方式（1 024 QAM）和调制与编码策略（MCS），更多的子载波数量和更低的帧间隔开销等，通过这些技术，Wi-Fi 6的理论最大连接速率提升到9.6 Gbps左右。类似于交通部门对道路进行优化，在不造成交通混乱的前提下，让这条道路上的车道尽可能靠近，增加车道数量。

1.2  Wi-Fi 6满足高速高密接入

体育场馆无线网最需要解决的是高密用户同时接入的难题。现有Wi-Fi 5无线网络的接入承载能力有限，在增加接入AP数量的同时，需采用新一代无线网Wi-Fi 6技术，可显著提高无线用户的密集接入。

1.2.1  OFDMA技术

Wi-Fi 6采用正交频分多址技术（OFDMA），将一个无线信道划分成不重叠且正交的多个子信道，每个子信道可以单独分配给不同用户使用。实现不同用户在同一时间，相同信道内同时通信。子信道集分配给不同的用户实现多址，不同用户占用不重叠的子信道，在同一时间相同信道内的用户通信，不会相互干扰。OFDMA技术可以智能地、动态地把可用带宽资源分配给不同接入用户，将总资源（时间、带宽）在频率上进行分割，用户数据承载在子信道上，从而实现现有Wi-Fi技术无法实现在同一时间段内，多个用户同时并行通信，共享相同信道，提高同信道通信效率，降低排队等待时延。

Wi-Fi 6采用OFDMA标准将子载波集分配给个体用户，用户数据承载在每个资源块上，而不是占用整个信道，实现在每个时间段内多个用户同时并行传输，Wi-Fi 5的OFDM功能与Wi-Fi 6的OFDMA功能比较如图1所示。

1.2.2  MU-MIMO技術

Wi-Fi 5只支持下行多用户双向传输技术（MU-MIMO），Wi-Fi 6允许同一AP一次同时与8个设备并发通信，支持上下行MU-MIMO。Wi-Fi 6通信就像城市的道路交通一样，由4车道变为双向8车道。同一时间内，多个无线设备不需要像许多车辆排队挤用一个出口，而是可以从不同的车道，不同方向同时、高效地进入或进出，不需要排队通行，从而提高了无线通信的效率，其示意图如图2所示。

MU-MIMO技术使得多个上网用户双向并发数据通信，无线AP可向多个支持MU-MIMO的客户端同时接收和发送数据包。MU-MIMO提升了单个无线AP的用户接入容量，使得高密无线接入环境下的数据通信效率更高。

1.2.3  BSS Coloring技术

影响Wi-Fi网络质量的重要因素包括信道资源匮乏和同频干扰。在高密度无线用户接入的体育场馆应用环境中，部署大量的无线AP，AP可以侦听到所有没有阻挡的其他同信道AP的无线帧。

为了降低不同AP间的同频干扰，提高密集部署环境下信道资源的有效利用，Wi-Fi 6提出了空间复用技术（Spatial reuse technique）——BSS Coloring，使用BSS着色位（Color Bit）来标识这个无线数据帧属于哪个BSS。采用BSS Coloring机制为每个AP“着色”，即在数据报头增加6 bit的标识符，区分不同AP。当所有Wi-Fi设备在发送数据前侦听到信道已被占用时，会首先检查占用该信道的BSS Coloring，以确定是否为同一AP的网络。如果不是同一AP的网络，则不用避让，而是协调管理同一信道上的多个AP运行，以及多个用户并行通信。还是用交通类比，相当于在同一个车道的车辆，根据发送目的不同在空间上划分为相互独立不干扰的立体车道，有效实现空间复用，其原理如图3所示。

BSS Coloring适用于体育场密集场景组网，允许密集地部署AP，可在保证信噪比的前提下，提供更大的Wi-Fi组网容量。

2  体育馆无线网络设计

2.1  频段和信道的设计

在体育馆高密度的无线环境中，由于接入高密度和AP部署的高密度，无线频段和信道的选择十分困难。尽管2.4 GHz频段下可容纳13个信道，但互不重叠的信道只有3组，在实际应用的2.4 GHz频段中，一般采用3个互不干扰的信道（1-6-11），杜绝信道之间的相互干扰。5.0 GHz频段下互不干扰的信道有25个（我国批准开放13个）。

虽然Wi-Fi 6对抗干扰能力有很大的提升，但Wi-Fi 6也面临非常现实的问题，如2.4 GHz仅3个非重叠信道可使用、抗干扰能力弱等。因此，在实际使用环境中，需要准确和审慎的功率管理方案，部署时要兼顾信号的完整覆盖与信号间干扰的矛盾，做到合理规划。对无线AP的信号覆盖半径的选取应优先考虑5.0 GHz通信协议的使用。同时优化AP信号的覆盖，尽可能减少信号的重叠。

2.2  增加无线AP容量设计

针对现有无线AP部署密度不够的问题，需要增加AP的部署密度，以提高AP的接入容量。按照每个无线AP可连接不低于200台上网设备（双频段），并同时服务80～100台无线用户的标准来规划，体育馆要求满足3 600人无线接入，共需要部署36～40个Wi-Fi 6新一代高密三射频无线AP，同时兼顾信号的无重叠覆盖。

2.3  AP的部署设计

2.3.1  场馆全马道部署方案

体育馆现有无线网AP的部署采用普通放装型AP安装，AP采用顶部和挂墙两种方式安装。由于体育馆是一个开放的空间，采用普通放装型全向AP，所有AP都是360°全向覆盖，全向天线覆盖效果图如图4所示，把某个AP放在体育馆正中央地面，整个场馆内任何位置都会收到这个AP的信号。如果在体育馆中安装数十个全向天线的AP，干扰将非常严重。现在场馆内部署的8个无线AP，已使无线网存在信号干扰。

为减少这种全向天线带来的互相干扰问题，我们规划在马道上部署Wi-Fi 6三射频AP，外加定向天线，一个AP覆盖一个小的区域，多AP实现整个体育馆无缝全覆盖。天线部署和信号覆盖如图5所示。

为保证这种定向天线达到最小的互相干扰效果同时覆盖全场，规划在马道上部署小角度定向天线进行覆盖，30°定向天线用于5.0 GHz信道，天线垂直及倾斜覆盖范围如图6所示，60°定向天线用于2.4 GHz信道。

2.3.2  天线和AP规划计算

为保证定向天线既能最大程度减少互相干扰，同时又能覆盖全场，经过计算，定向天线应垂直于地面或者斜向覆盖的主波瓣信号覆盖范围。

为了保证信号无死角，两个无线信号存在小的交叉覆盖，覆盖面积为圆中最大正方形，考虑按每个高密无线AP连接200台以上用户设备（双频段），并发服务80～100台用户设备的标准来规划布点，在保证总的数据吞吐量的情况下纳入更多的用户，提高AP布设密度，设计中按照每个AP覆盖100.00 m2～150.00 m2来规划布点。

从现场用红外笔射线计算的马道距离来看，场馆内绝大部分座位距离马道的高度为13.50 m至20.00 m。因此可以算出垂直覆盖直径约7.00 m至10.70 m，倾斜覆盖椭圆长约10.00 m至15.00 m。将体育馆内的无线信道分三种颜色来标识，其定向无线覆盖半径如图7所示。

2.4  体育场馆无线AP设计原则

根据体育馆的实际情况，对整个无线网AP进行优化，遵循以下原则：

（1）合理规划无线AP的发射功率，尽量减少AP无线信号交叉覆盖。

（2）合理规划无线AP信号覆盖区域，通过选择定向天线的角度和安装高度，使每个无线AP信号的覆盖范围更加合理，降低对相邻区域的信号干扰。

（3）合理选择双频高密无线AP，尽可能引导无线终端，实现5.0 GHz频段优先接入，从而减少2.4 Hz频段上的接入用户，降低2.4 GHz频段的信道干扰。

（4）合理分配用户接入到周边的无线AP上，利用高密无线AP间负载均衡，基于接入终端数量和通信流量，动态地将接入终端分配到负载不同的同一组AP上，使得不同AP之间负载均衡。

2.5  无线射频优化设计

2.5.1  无线接入频段智能引导

采用自适应射频管理技术，通过智能AC的终端频段指引功能，引导双频段终端优先采用5.0 GHz频段连接双频段AP，缓解2.4 GHz无线网络中的同频干扰问题，避免低速终端对高速终端性能影响，使终端尽可能运行在高带宽信道上，实现高速无线连接。

2.5.2  无线接入的负载均衡

AP和接入用户通过智能AC进行统一管理。计算近邻覆盖区域内每个无线信道AP和用户数量，对AP负载状况进行实时更新，根据内置模型算法，指引设备连接到相对空闲的无线信道上，保障信道资源和AP资源得到充分利用，使得無线用户获得更佳的性能。

2.5.3  终端智能匹配

当用户终端初次连接无线网络时，由所有能探测到该用户的AP同时向控制器进行汇报，控制器批准一个最优的AP来对客户端进行引导，从而为单个客户端提供更快的网络连接，以此为所有终端实现更好的整体无线性能。并且用户在使用的过程中，由于驱动程序的粘滞性，可能在远离某个AP后依然始终连接在该AP上，对自身以及其他用户产生不良的网络影响，通过控制器优化技术从移动设备连续收集会话性能指标，并使用此信息将设备智能引导至最接近AP中的最佳射频信号上，从而消除粘滞客户端，实现平滑漫游。

2.5.4  无线RF智能管控

无线RF智能管控主要从频率和功率等方面，对AP的无线射频进行智能管控。传统依靠工程师手动配置的固定模式，无法满足实际的应用环境动态变化要求，尤其在大规模的无线网部署环境下，动态多变的无线射频信号，靠手动配置是无法满足使用要求的。集中统一的RF智能管控系统，可以自动优化所有AP的射频特性，使AP之间无线射频信号运行环境达到一个最优的平衡，并且这种优化过程是动态的和持续的，保证每个AP的频率和功率都运行在最优的状态。当某一覆盖范围内的无线信号改变，如出现干扰或信号过强，无线RF智能管控系统可根据动态模型及时准确地调整该区域AP射频信号，使其达到一个新的平衡。

2.5.5  故障自动恢复

在实际的高密接入无线网中，AP的故障是存在的，需要一种自动恢复机制，保证在单一AP故障时，系统能动态实现补偿和恢复的功能。当无线网系统发觉有AP出现故障时，智能AC根据信号模型，能自动调节邻近的AP的功率（覆盖范围）来接替失效AP的工作。

2.5.6  无线空口优化

通过对无线信号进行智能控制，过滤掉质量低下的无线网连接，减少无用和无效连接，减少无线空口占用，提高无线网连接效率和质量。

2.6  高密无线网络设计效果

2019年度，华中师范大学在体育馆举办了毕业典礼等大型活动，高峰期间并发用户为2 100人以上，最大并发流量为980 Mbps，如图8所示。这种高密场景无线网络的体验效果得到广大师生的充分认可。

3  结  论

本文通过分析基于Wi-Fi 6的OFDMA、MU-MIMO和BBS Coloring技术，经过设备选型、部署方式选择、无线信道规划和天线覆盖研究等步骤，最终实现了体育场馆高密无线网络的高可靠、高网速和高密接入。根据国家网络安全战略要求，下一步将对体育场馆中高密场景下的安全态势感知开展研究。

参考文献：

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[6] 熊光，刘子毅.大型会展中心无线WiFi覆盖系统设计探讨 [J].智能建筑电气技术，2018，12（5）：108-112+5.

作者简介：肖明（1971-），男，汉族，湖北孝感人，博士，高级实验师，研究方向：计算机网络研究;许婷（1986-），女，汉族，湖北大冶人，硕士，工程师，研究方向：计算机应用技术;通讯作者：舒江波（1982-），男，汉族，湖北崇阳人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：教育大数据、计算机应用技术;赵亮（1985-），

女，汉族，河南南阳人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：教育大数据;周伟（1980-），男，汉族，湖北武汉人，硕士，研究方向：网络信息安全;唐亦非（1985-），男，汉族，湖北武汉人，硕士，研究方向：计算机应用技术。