關于電信家庭寬帶三千兆業務中全屋Wi-Fi的部署策略

楊 琳

（中國電信股份有限公司昆明分公司，云南 昆明 650051）

1 背景與痛點

電信運營商無線局域網業務是互聯網寬帶業務的豐富與延伸，是互聯網寬帶業務的一個子集，家庭寬帶業務是近年來網絡發展的熱點和重點，為此提高末端無線局域網的服務質量有著重要的意義。集團公司統計家庭寬帶無線局域網用戶投訴原因中：“有信號無法使用”“網絡信號不穩定”“網速慢頁面無法打開”的問題占總投訴量的49.2%，這些問題普遍存在于用戶終端位于網絡覆蓋的邊緣時，網絡覆蓋邊緣用戶感知較差。本文通過對無線局域網的原理機制進行分析，進而針對不同的痛點制定相應的部署策略。以期利用協調一致的系統性方法達到降低家庭寬帶業務用戶投訴，有效提升用戶滿意度。

2 解決策略

2.1 無線局域網原理

WLAN（無線局域網）是采用IEEE 802.11無線技術進行互連的通信網絡。

圖1 IEEE 802.11位于常見分層模型中的位置對比

圖2 802.11接口的一般結構[1]

終端是通過發現，認證，關聯，建立連接這四步來和WTP（AP）通信。其中，802.11數據鏈路層的MAC幀包括：

（1）數據幀：數據在二層以幀形式傳輸，包含數據包（三層傳輸），并且增加MAC地址與二層信息。

（2）控制幀：用來協助發送數據幀，比如ACK。

（3）管理幀：負責STA與AP之間的發現、認證、關聯等。

圖3 終端與WTP（AP）之間的交互過程

2.2 開局部署的一般策略

無線局域網開局規劃直接影響用戶無線接入的效果，在WTP發射功率和天線增益一定的情況下，覆蓋區域的選擇決定著覆蓋效果和通信效率。如果覆蓋小區范圍過大，則不能很好地實現覆蓋；如果小區過小，則會增加用戶越區切換的次數，降低通信的效率，另外干擾源的存在也會大大降低通信的質量。在工程實施過程中，合格的無線局域網規劃可分為初步勘查、信道規劃、干擾探測、測試優化等幾個步驟：

（1）初步勘查：目標區域的結構和材料以及用戶的使用需求，包括頻繁使用的區域及終端數，初步確定覆蓋區的方向圖。

（2）信道規劃：為了避免鄰近小區的干擾，通常在頻道選擇上采用相鄰小區使用不重疊信道的蜂窩網絡結構，同時應適當選用5.8G頻道進行部署。

（3）干擾探測：實地測量目標區域的信號噪聲，如有干擾源存在，需及早考慮屏蔽措施。

（4）測試優化：施工完畢后要進行實地測試，確認能夠達到預期效果，然后根據測試具體情況進行調整與優化。

2.3 工程部署中具體問題的分類

2.3.1 多徑衰落問題

家庭寬帶業務中無線局域網大部分部署于室內，受樓層間影響及房間的戶型格局影響，由于STA終端使用位置不固定，而無線信道的不穩定性導致信號衰落變化劇烈，干擾和衰減也都非常大，可適用于無線通信信道中常見的多徑衰落（瑞麗衰落）模型。

圖4 多徑衰落時域和頻域圖像

2.3.2 覆蓋上下行不匹配

根據調查分析這些邊緣用戶感知較差問題主要是WLAN上下行覆蓋不平衡因素導致；由于距離WTP較遠而導致業務不能使用，占比31%：

（1）WLAN屬于上行受限網絡，上行鏈路最大允許損耗高于下行鏈路最大允許損耗7 dB，折算為上行有效覆蓋距離為下行有效覆蓋距離的50%，導致用戶可能會出現收到WLAN信號但無法使用的情況。

（2）由于WTP與終端OTA性能（Over The Air驗證移動通信空中接口的發射功率和接收性能的一種測試）差異較大，用戶終端的發送功率及接收靈敏度等均比WTP要差，造成上下行鏈路不平衡的問題，即WTP下行覆蓋的范圍遠大于終端上行覆蓋的范圍。

解決了WLAN WTP覆蓋上下行不匹配的問題，就可以解決很大一部分的用戶投訴問題。

2.3.3 覆蓋距離過遠

由于WTP和用戶Wi-Fi終端發射功率、接收靈敏度不對稱，且802.11無線信號穿透能力弱，導致用戶在規劃覆蓋目標區域外或阻礙物嚴重區域可看到WLAN信號，但信號不穩定無法接入或可接入但使用困難。

圖5 覆蓋距離過遠平面圖

2.3.4 有障礙物

家庭寬帶802.11無線組網由于室內環境差異較大，障礙物造成的衰減不可忽視。

圖6 家庭寬帶無線局域網有障礙物場景

家庭寬帶業務中常見障礙物損耗值可參考表1：

表1 家庭寬帶業務中常見障礙物損耗表

2.3.5 不在設計的覆蓋區中

STA處于設計覆蓋區域邊界之外。

圖7 覆蓋目標信號電平區域

根據能量守恒，電磁波在自由空間中傳播時僅存在因信號能量擴散分布引發的功率面密度衰減而不存在任何其他形式的損耗。Pt為發射功率；Pr為接收功率；Gt為發射天線增益；Gr為接收天線增益，模型公式為：

以上為弗里斯傳輸方程的理想形式，取GtGr=1可簡化為

變形后可得

式中，Lfs傳輸損耗的單位為dB；D傳輸距離單位為km；F頻率的單位為MHz。由式（3）可得自由空間中電波傳播損耗（也稱衰減）只與工作頻率F和傳播距離D有關，由此可推導出如下結論：

（1）無線傳輸損耗每增加6 dB，傳送距離將縮減為原來的一半。例如一般室內型WTP設備發射功率為20 dBm，而STA終端設備發射功率為15 dBm，在天線增益和接收靈敏度相同的情況下，STA終端的上行傳輸距離約為WTP設備下行傳輸距離的一半左右。

（2）若要保持損耗不變，需滿足頻率增加的倍數與距離增加倍數為倒數關系即乘積為1，若頻率增加一倍，則覆蓋距離縮減為原來的一半。例如在相同損耗條件下，5.8G頻段傳輸距離將為2.4G頻段的1/2倍還要短些。

2.3.6 過覆蓋場景-暴露終端

暴露終端問題：節點之間能夠互相監聽對方，但在可以發送時不發送，從而造成信道的浪費，暴露終端問題一般在有多個WTP（或者多個STA）時發生。

圖8 暴露終端原理圖

2.4 優化部署的具體策略

無線局域網絡部署優化就是根據一定的目標方程，和約束條件對投入運行的網絡進行參數采集、數據分析，找出影響網絡質量的原因，通過技術工程手段或參數調整使網絡達到最佳運行狀態的方法，使網絡資源獲得最佳效益。

（1）降低投訴：在邊緣區域，弱覆蓋區域減少用戶感知到無線信號的概率，可有效降低有信號無法使用，信號不穩定類用戶投訴。

（2）提高已接入用戶網絡質量：有效減少邊緣用戶發送及重傳報文占用信道時間。

（3）提高網絡性能：有效提高無線空口利用率，降低空口繁忙比。

2.4.1 分集接收策略

無線信號的多徑衰落符合瑞利分布，設信號振幅為r，相位為σ，多徑衰落的瑞利分布包絡函數為：

相位函數為

對于多徑衰落問題可采用分集接收技術應對，思路是將相關性較小（即不同時發生質量惡化）的兩個或兩個以上的信號進行選擇或合并，減輕由多徑衰落（瑞麗衰落）所造成的影響，分集接收可利用接收信號在空間、頻率、極化等方面的差異實現。

（1）空間分集：盡量選用具有定向型天線的WTP設備，對于戶型過大或者隔墻過多（2道墻以上）的場景增加WTP部署數量。

（2）頻率分集：2.4 GHz頻段設備與5.8 GHz頻段設備差異化部署。

2.4.2 上下行覆蓋平衡策略

2.4.2.1 方向一：調整WTP下行覆蓋能力，使上下行覆蓋能力匹配

（1）WTP下行管理幀限調，避免管理幀過覆蓋。

（2）提升WTP發送Beacon管理幀的傳輸速率，降低WTP覆蓋范圍，達到接入時上下行覆蓋平衡，從而避免用戶看到WTP信號而無法接入的問題。

（3）降低WTP發射功率，達到與終端上行功率平衡。

（4）降低WTP發射功率后，在相同物理位置終端的感知會有下降。通過測試，調整WTP發射功率會降低所有覆蓋區域內終端接收的信號強度。

2.4.2.2 方向二：提升上行能力，WTP多天線及規范終端空口能力

（1）增強上行ACK控制幀反饋的魯棒性。

（2）WLAN數據傳輸速率和ACK速率有嚴格對應關系，由于上行能力不足，終端上行反饋的ACK易成為受限環節。

（3）WTP數據速率選擇優化：不要求ACK同速發送速率，避免由于終端反饋同等速率的ACK導致上行能力不足，而降低下行速率。

（4）需從協議層面改善終端的ACK反饋機制，可采用協商的方式設定終端的ACK反饋速率。

由于用戶終端數量和類型都無法控制，提升用戶終端上行能力實現困難，調整WTP下行覆蓋能力是可行的解決方案，其中調整WTP發送Beacon幀的速率，降低WTP覆蓋范圍是重點。

2.4.2.3 下行覆蓋功率優化

一般情況下，我們使用任意區域無相同信道干擾的無線部署。但是當某個無線設備功率過大時，會出現部分區域有同頻干擾，這時可以通過調整無線設備的發射功率來規避。

802.11 系統使用的是CSMA/CA規避機制，即：STA在有數據發送時先偵聽信道，如果信道中沒有其他設備在傳輸數據，就先隨機退避一個時間窗口，若在這個窗口內沒有其他設備搶占到信道，就在窗口關閉后立即占用信道并傳輸數據。其有限的802.11帶寬資源會在所有同信道的設備間平均分配，應該對同信道的設備功率進行適當的調整，盡量保證客戶端在一個位置可見的同信道較強信號只有一個，同時要滿足信號強度的要求（大于等于-70 dBm）。在實際調整率時，必須根據現場環境適當調整，保證覆蓋強度滿足規劃要求。

2.4.2.4 上行回傳功率優化

對于覆蓋區域信號強弱不均的場景，需要對覆蓋區域具體WLAN設備數量進行排查，覆蓋情況也需要提前詳細掌握。根據STA側無線網卡的發射功率和使用場景來調整覆蓋強度，在滿足信號覆蓋強度后需要對覆蓋區域相互間WLAN信號強度進行優化，其他區域覆蓋信號在此區域的信號強度需保持在-70 dBm以上，這樣方可減少相互間隱藏節點等影響。

2.4.3 報文優化策略

2.4.3.1 無線用戶二層隔離

WLAN無線網絡理論上就是實現一個二層的接入網絡，在無線網絡中報文（包括單播、廣播、組播報文）會傾向于以能協商到的最低速率傳送。當存在較多低速率報文傳輸時，有限的帶寬將被無意義消耗。

在WTP設備上對單播報文、廣播報文、組播報文進行隔離，可有效避免大量低速報文的影響，降低了廣播報文和用戶間流量對網絡的負荷，同時避免了一定量的安全攻擊。

2.4.3.2 低速率報文優化

802.11協議兼顧了管理報文的重要性與傳輸數量，在提高空口轉發優先級基礎上使用WTP最小速率進行傳輸，雙重保障了報文傳輸成功。

802.11網絡是使用一個速率集進行報文發送，無線STA或者WTP在發送報文的時候會動態的在速率集中選擇一個速率。但在覆蓋區域存在多臺WTP設備時，空口資源基本被低速率的管理報文占領，為了提高空口利用率我們建議關閉18 Mb/s以下速率（為向下兼容保留18 Mb/s接入速率）。建議在滿足覆蓋范圍的前提下，根據家庭寬帶場景需要適當關閉低速率（18 Mb/s以下）速率報文提高空口資源利用率。

2.4.3.3 管理報文優化

802.11協議物理層為了應對干擾和沖突的影響對報文傳送設計了物理重傳機制，即：當一個設備發送一個報文而沒有收到目的設備的回復ACK，該設備會硬件進行重傳，重傳次數達到最大次數后該報文被丟棄。如果報文一次發送就成功，就不會進行重傳了。默認情況下WTP設備單播幀長不大于RTS門限值，重傳次數為5次。

（1）關閉WTP設備Probe Response報文：STA主要通過兩種方式與WTP進行關聯，一種方式是主動發送Probe Requset報文，待WTP回復Probe Response后根據回復情況與WTP進行關聯，另外一種方式是被動偵聽Beacon報文，根據Beacon報文信息與WTP進行管理。由于主動發送Probe Requset報文占用大量空口資源，因此建議關閉WTP設備回復Probe Response報文，從而提高空口資源使用率。

（2）調整Beacon幀發送周期間隔：Beacon幀在802.11里基本上Beacon幀定義了整個BSS的覆蓋范圍，所有交互都必須通過WTP（AP），比如用來通告網絡服務，同時和無線網卡進行信息同步等。縮短Beacon發送間隔會使被動式掃描變得更穩定，會有助于提升漫游的效率，但會耗費較多的空口資源。而延長Beacon發送間隔會間接使連接節點更省電，因為STA監聽間隔以及DTIM值都會跟隨調整。調整管理幀的發送間隔，取消對某些無效管理幀的回應，可減少管理報文對有限空口資源的影響。缺省情況下，WTP設備的Beacon信標報文發送間隔為100 ms，通常使用最小速率進行發送而且優先級比較高。通過調整Beacon發送周期間隔，由100 ms調整到160 ms，可有效降低空口消耗。

（3）Guard Interval （GI）管理報文優化：采用OFDM時，整個數據是被劃分為不同的數據塊進行傳輸的。由于多徑效應的影響，為了數據傳輸的可靠性，數據之間會有間隔Guard Interval （GI），例如802.11n仍然使用800 ns GI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條空間流，可以將吞吐量提高近10%。對于多徑效應較明顯的環境不建議使用Short Guard Interval （GI）。

圖9 Guard Interval （GI）管理報文

（4）Beacon幀報文優化：整體思路為試點分析確認WTP管理幀優化效果，輸出WTP管理幀優化推廣建議值。以熱點為試點：測試驗證調整WTP發送Beacon幀的速率后，能否達到使WLAN網絡覆蓋邊緣用戶在無法正常使用時直接看不到信號的目的；以區域為試點：測試驗證和分析調整WTP發送Beacon幀的速率后，對用戶感知的影響，對網絡質量的影響，對WTP管理幀優化解決WLAN上下行覆蓋不平衡在各覆蓋場景下進行效果分析，并最終確定WTP管理幀優化推廣建議值。

（5）調整前：終端處于WTP覆蓋邊緣，不可正常關聯到WTP，由于上下行覆蓋不平衡，WTP下行的數據幀可以被終端正常接收，上行以同樣速率發送WTP無法接收。

（6）調整后：調整WTP Beacon幀發送速率使遠端邊緣用戶直接看不到信號，達到覆蓋匹配，避免看到信號無法正常使用。

圖10 beacon幀調整后效果對比

100 mW設備調整WTP beacon幀發送速率到18Mb/s 后，可以使PC終端和手機終端不可用用戶基本見不到信號目的，調整后用戶感知相當，WLAN關鍵指標平穩，WLAN網絡關鍵KPI有不同程度的改善，綜合各方面影響后目前建議對100 mW室內放裝場景配置WTP beacon幀速率為11 Mb/s。

500 mW設備調整WTP beacon幀發送速率到18 Mb/s后，可以達到手機終端不可用用戶基本見不到信號目的，調整后用戶感知相當，WLAN關鍵指標平穩，WLAN網絡關鍵KPI有不同程度的改善，綜合各方面影響后建議對500 mW室內放裝場景配置WTP beacon幀速率為18 Mb/s。

2.4.4 用戶數限制優化手段

對于密集覆蓋場景區域，建議每WTP接入用戶數小于15人，這樣可減輕WTP下用戶空口資源競爭和減少隱藏節點。設備上用戶數限制可以基與無線空口策略使用，可以控制到每臺WTP接入用戶數，避免用戶終端長時間附著在WTP上。

如果設備SSID中關聯STA達到最大個數，除非某些關聯STA因某種原因主動解關聯，否則沒有STA能夠再加入BSS。針對以上問題，可啟用設備計時器，定期清除不登陸的用戶，提高用戶關聯和登陸的成功率。建議開啟空閑超時設置，5分鐘時間窗口內STA沒有任何流量將被強制下線。

2.4.5 DSCP（差分服務代碼點）設置

DSCP差分服務代碼點（Differentiated Services Code Point）是IETF發布的Diff-Serv（Differentiated Service）的QoS分類標準。它在每個數據包IP頭部的服務類別TOS標識字節中，利用已使用的6比特和未使用的2比特通過編碼值來區分優先級。因為DSCP是“IP優先”和“服務類型”字段的組合，使用DSCP值可以向下兼容利用只支持“IP優先”的舊設備。

DSCP為了保證通信的QoS，對流量進行標識，在數據包IP頭部的8個標識字節進行編碼，來劃分服務類別區分服務的優先級。每一個DSCP編碼值都被映射到一個已定義的PHB（Per-Hop-Behavior）標識碼。參照RFC 8325標準，DSCP在IEEE 802.11上的建議設置見表2[2]。

表2 DSCP在IEEE 802.11上的建議設置

3 效果評價基準測試

優化后效果基準評估測試，整體思路參照RFC2544及GB/T 32420-2015《無線局域網測試規范》進行[3]。

表3 家庭寬帶業務部署后測試評估表

?

中國電信股份有限公司昆明分公司總體策略：先做減法再做加法，采用協調一致的系統性方法部署，減少用戶投訴，提高用戶感知，增強用戶黏性。

3.1 物理層面-針對無線信道的優化部署

（1）策略1：采用分集技術部署來減弱物理無線信道快衰落和慢衰落的影響。

（2）策略2：拆除閑置設備，減小WTP發射功率，減弱過覆蓋區域的覆蓋，做到上下行覆蓋平衡。

（3）策略3：盡量避開尖銳障礙物遮擋，增加5.8 GHz頻段WTP布放點，增強弱覆蓋區域的覆蓋，分流業務。

3.2 數據鏈路層面-基于控制和管理報文的優化部署

（1）策略1：減少信道重疊，減少非業務報文的發送[6]。

3.3 網絡層面-基于數據包的QoS部署

（1）策略1：合理規劃限制用戶數，有效設置DSCP值。

（2）策略2：盡量選用較新型號的WTP設備，增加轉發節點和出口帶寬。

附錄（中英文詞匯注釋）：

WLAN：無線局域網，Wireless Local Area Network

IEEE 802.11：電氣和電子工程師協會所定義的無線網絡通信的標準，Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.11

WTP：無線終端點，Wireless Termination Point

MAC：介質訪問控制，Media Access Control

STA：客戶端，Station

AP：接入點，Access Point

OTA：驗證移動通信空中接口的發射功率和接收性能的一種測試，Over The Air

OFDM：正交頻分復用，Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SSID：服務集標識，Service Set Identifier

DSCP：差分服務代碼點，Differentiated Services Code Point

QoS：服務質量，Quality of Service

PHB：逐跳行為，Per-Hop Behavior

RFC：由互聯網工程任務組（IETF）發布的一系列備忘錄，Request For Comments