基于Wi-Fi 6的體育場館無線網絡設計

肖明 許婷舒 江波 趙亮 唐亦非

摘? 要：隨著物聯網、移動互聯網和智能終端技術的爆發式增長，無線網絡已成為高校師生教學、科研和生活不可或缺的信息基礎設施，體育館等高密場所的網絡服務質量保障成為迫切需要解決的難點。針對高密場館的無線網絡部署問題，提出了基于Wi-Fi 6標準的實現方案，對華中師大體育館的無線網絡進行了部署和優化。實踐證明，該方案可有效減小同頻干擾，實現高速上網。

關鍵詞：Wi-Fi 6;高密無線;OFDMA;MU-MIMO;BBS Coloring

中圖分類號：TN925+.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

大學迎新典禮和畢業典禮等重大活動的舉辦都需要室內大型場所。華中師范大學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行，用戶規模達3000余人，需使用無線網進行互動答題，對無線網絡要求聯網穩定可靠。原體育館內的無線網采用Wi-Fi 5放裝部署，存在以下問題：

（1）最多僅能支持1000人，且對館內中間臨時座位無法實現覆蓋。

（2）體育館內空曠，無墻壁，干擾嚴重。

（3）無線信號覆蓋不均勻，一些區域信號過弱。

（4）無線AP設備部署數量不足、造成單個AP連接數過高、網速慢，無法滿足用戶需求。

為解決室內場館大型活動無線網絡高密度需求，本文對佑銘體育館無線網絡按照當前的Wi-Fi 6國際標準進行設計，從技術和工程兩方面進行探索。

1? 無線網Wi-Fi 6技術

1.1? 近三代Wi-Fi無線技術對比

體育館無線網現采用的是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境下，無法滿足大流量應用的需求。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），它的目標是在密集用戶環境中將用戶的平均吞吐量提高至少4倍。Wi-Fi 6有幾個重要技術突破：基于正交頻分多路訪問的隨機訪問方法和空間頻率復用技術[1，2]，多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）[3，4]，無線網絡中的信號干擾、信道分配以及大型場館的信號覆蓋方式等已成為國內外研究的主要方向[5，6]。第六代無線Wi-Fi 6與現有無線技術比較如表1所示。

Wi-Fi 6采用更高階的調制方式（1 024 QAM）和調制與編碼策略（MCS），更多的子載波數量和更低的幀間隔開銷等，通過這些技術，Wi-Fi 6的理論最大連接速率提升到9.6 Gbps左右。類似于交通部門對道路進行優化，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，增加車道數量。

1.2? Wi-Fi 6滿足高速高密接入

體育場館無線網最需要解決的是高密用戶同時接入的難題。現有Wi-Fi 5無線網絡的接入承載能力有限，在增加接入AP數量的同時，需采用新一代無線網Wi-Fi 6技術，可顯著提高無線用戶的密集接入。

1.2.1? OFDMA技術

Wi-Fi 6采用正交頻分多址技術（OFDMA），將一個無線信道劃分成不重疊且正交的多個子信道，每個子信道可以單獨分配給不同用戶使用。實現不同用戶在同一時間，相同信道內同時通信。子信道集分配給不同的用戶實現多址，不同用戶占用不重疊的子信道，在同一時間相同信道內的用戶通信，不會相互干擾。OFDMA技術可以智能地、動態地把可用帶寬資源分配給不同接入用戶，將總資源（時間、帶寬）在頻率上進行分割，用戶數據承載在子信道上，從而實現現有Wi-Fi技術無法實現在同一時間段內，多個用戶同時并行通信，共享相同信道，提高同信道通信效率，降低排隊等待時延。

Wi-Fi 6采用OFDMA標準將子載波集分配給個體用戶，用戶數據承載在每個資源塊上，而不是占用整個信道，實現在每個時間段內多個用戶同時并行傳輸，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

Wi-Fi 5只支持下行多用戶雙向傳輸技術（MU-MIMO），Wi-Fi 6允許同一AP一次同時與8個設備并發通信，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車道變為雙向8車道。同一時間內，多個無線設備不需要像許多車輛排隊擠用一個出口，而是可以從不同的車道，不同方向同時、高效地進入或進出，不需要排隊通行，從而提高了無線通信的效率，其示意圖如圖2所示。

MU-MIMO技術使得多個上網用戶雙向并發數據通信，無線AP可向多個支持MU-MIMO的客戶端同時接收和發送數據包。MU-MIMO提升了單個無線AP的用戶接入容量，使得高密無線接入環境下的數據通信效率更高。

1.2.3? BSS Coloring技術

影響Wi-Fi網絡質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館應用環境中，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，提高密集部署環境下信道資源的有效利用，Wi-Fi 6提出了空間復用技術（Spatial reuse technique）——BSS Coloring，使用BSS著色位（Color Bit）來標識這個無線數據幀屬于哪個BSS。采用BSS Coloring機制為每個AP“著色”，即在數據報頭增加6 bit的標識符，區分不同AP。當所有Wi-Fi設備在發送數據前偵聽到信道已被占用時，會首先檢查占用該信道的BSS Coloring，以確定是否為同一AP的網絡。如果不是同一AP的網絡，則不用避讓，而是協調管理同一信道上的多個AP運行，以及多個用戶并行通信。還是用交通類比，相當于在同一個車道的車輛，根據發送目的不同在空間上劃分為相互獨立不干擾的立體車道，有效實現空間復用，其原理如圖3所示。

BSS Coloring適用于體育場密集場景組網，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組網容量。

2? 體育館無線網絡設計

2.1? 頻段和信道的設計

在體育館高密度的無線環境中，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個信道，但互不重疊的信道只有3組，在實際應用的2.4 GHz頻段中，一般采用3個互不干擾的信道（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（我國批準開放13個）。

雖然Wi-Fi 6對抗干擾能力有很大的提升，但Wi-Fi 6也面臨非常現實的問題，如2.4 GHz僅3個非重疊信道可使用、抗干擾能力弱等。因此，在實際使用環境中，需要準確和審慎的功率管理方案，部署時要兼顧信號的完整覆蓋與信號間干擾的矛盾，做到合理規劃。對無線AP的信號覆蓋半徑的選取應優先考慮5.0 GHz通信協議的使用。同時優化AP信號的覆蓋，盡可能減少信號的重疊。

2.2? 增加無線AP容量設計

針對現有無線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。按照每個無線AP可連接不低于200臺上網設備（雙頻段），并同時服務80～100臺無線用戶的標準來規劃，體育館要求滿足3 600人無線接入，共需要部署36～40個Wi-Fi 6新一代高密三射頻無線AP，同時兼顧信號的無重疊覆蓋。

2.3? AP的部署設計

2.3.1? 場館全馬道部署方案

體育館現有無線網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AP放在體育館正中央地面，整個場館內任何位置都會收到這個AP的信號。如果在體育館中安裝數十個全向天線的AP，干擾將非常嚴重。現在場館內部署的8個無線AP，已使無線網存在信號干擾。

為減少這種全向天線帶來的互相干擾問題，我們規劃在馬道上部署Wi-Fi 6三射頻AP，外加定向天線，一個AP覆蓋一個小的區域，多AP實現整個體育館無縫全覆蓋。天線部署和信號覆蓋如圖5所示。

為保證這種定向天線達到最小的互相干擾效果同時覆蓋全場，規劃在馬道上部署小角度定向天線進行覆蓋，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規劃計算

為保證定向天線既能最大程度減少互相干擾，同時又能覆蓋全場，經過計算，定向天線應垂直于地面或者斜向覆蓋的主波瓣信號覆蓋范圍。

為了保證信號無死角，兩個無線信號存在小的交叉覆蓋，覆蓋面積為圓中最大正方形，考慮按每個高密無線AP連接200臺以上用戶設備（雙頻段），并發服務80～100臺用戶設備的標準來規劃布點，在保證總的數據吞吐量的情況下納入更多的用戶，提高AP布設密度，設計中按照每個AP覆蓋100.00 m2～150.00 m2來規劃布點。

從現場用紅外筆射線計算的馬道距離來看，場館內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，傾斜覆蓋橢圓長約10.00 m至15.00 m。將體育館內的無線信道分三種顏色來標識，其定向無線覆蓋半徑如圖7所示。

2.4? 體育場館無線AP設計原則

根據體育館的實際情況，對整個無線網AP進行優化，遵循以下原則：

（1）合理規劃無線AP的發射功率，盡量減少AP無線信號交叉覆蓋。

（2）合理規劃無線AP信號覆蓋區域，通過選擇定向天線的角度和安裝高度，使每個無線AP信號的覆蓋范圍更加合理，降低對相鄰區域的信號干擾。

（3）合理選擇雙頻高密無線AP，盡可能引導無線終端，實現5.0 GHz頻段優先接入，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間負載均衡，基于接入終端數量和通信流量，動態地將接入終端分配到負載不同的同一組AP上，使得不同AP之間負載均衡。

2.5? 無線射頻優化設計

2.5.1? 無線接入頻段智能引導

采用自適應射頻管理技術，通過智能AC的終端頻段指引功能，引導雙頻段終端優先采用5.0 GHz頻段連接雙頻段AP，緩解2.4 GHz無線網絡中的同頻干擾問題，避免低速終端對高速終端性能影響，使終端盡可能運行在高帶寬信道上，實現高速無線連接。

2.5.2? 無線接入的負載均衡

AP和接入用戶通過智能AC進行統一管理。計算近鄰覆蓋區域內每個無線信道AP和用戶數量，對AP負載狀況進行實時更新，根據內置模型算法，指引設備連接到相對空閑的無線信道上，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

當用戶終端初次連接無線網絡時，由所有能探測到該用戶的AP同時向控制器進行匯報，控制器批準一個最優的AP來對客戶端進行引導，從而為單個客戶端提供更快的網絡連接，以此為所有終端實現更好的整體無線性能。并且用戶在使用的過程中，由于驅動程序的粘滯性，可能在遠離某個AP后依然始終連接在該AP上，對自身以及其他用戶產生不良的網絡影響，通過控制器優化技術從移動設備連續收集會話性能指標，并使用此信息將設備智能引導至最接近AP中的最佳射頻信號上，從而消除粘滯客戶端，實現平滑漫游。

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AP的無線射頻進行智能管控。傳統依靠工程師手動配置的固定模式，無法滿足實際的應用環境動態變化要求，尤其在大規模的無線網部署環境下，動態多變的無線射頻信號，靠手動配置是無法滿足使用要求的。集中統一的RF智能管控系統，可以自動優化所有AP的射頻特性，使AP之間無線射頻信號運行環境達到一個最優的平衡，并且這種優化過程是動態的和持續的，保證每個AP的頻率和功率都運行在最優的狀態。當某一覆蓋范圍內的無線信號改變，如出現干擾或信號過強，無線RF智能管控系統可根據動態模型及時準確地調整該區域AP射頻信號，使其達到一個新的平衡。

2.5.5? 故障自動恢復

在實際的高密接入無線網中，AP的故障是存在的，需要一種自動恢復機制，保證在單一AP故障時，系統能動態實現補償和恢復的功能。當無線網系統發覺有AP出現故障時，智能AC根據信號模型，能自動調節鄰近的AP的功率（覆蓋范圍）來接替失效AP的工作。

2.5.6? 無線空口優化

通過對無線信號進行智能控制，過濾掉質量低下的無線網連接，減少無用和無效連接，減少無線空口占用，提高無線網連接效率和質量。

2.6? 高密無線網絡設計效果

2019年度，華中師范大學在體育館舉辦了畢業典禮等大型活動，高峰期間并發用戶為2 100人以上，最大并發流量為980 Mbps，如圖8所示。這種高密場景無線網絡的體驗效果得到廣大師生的充分認可。

3? 結? 論

本文通過分析基于Wi-Fi 6的OFDMA、MU-MIMO和BBS Coloring技術，經過設備選型、部署方式選擇、無線信道規劃和天線覆蓋研究等步驟，最終實現了體育場館高密無線網絡的高可靠、高網速和高密接入。根據國家網絡安全戰略要求，下一步將對體育場館中高密場景下的安全態勢感知開展研究。

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作者簡介：肖明（1971-），男，漢族，湖北孝感人，博士，高級實驗師，研究方向：計算機網絡研究;許婷（1986-），女，漢族，湖北大冶人，碩士，工程師，研究方向：計算機應用技術;通訊作者：舒江波（1982-），男，漢族，湖北崇陽人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：教育大數據、計算機應用技術;趙亮（1985-），

女，漢族，河南南陽人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：教育大數據;周偉（1980-），男，漢族，湖北武漢人，碩士，研究方向：網絡信息安全;唐亦非（1985-），男，漢族，湖北武漢人，碩士，研究方向：計算機應用技術。