关于电信家庭宽带三千兆业务中全屋Wi-Fi的部署策略

2022-01-06杨琳

数字通信世界 2021年12期

杨琳

（中国电信股份有限公司昆明分公司，云南昆明 650051）

1 背景与痛点

电信运营商无线局域网业务是互联网宽带业务的丰富与延伸，是互联网宽带业务的一个子集，家庭宽带业务是近年来网络发展的热点和重点，为此提高末端无线局域网的服务质量有着重要的意义。集团公司统计家庭宽带无线局域网用户投诉原因中：“有信号无法使用”“网络信号不稳定”“网速慢页面无法打开”的问题占总投诉量的49.2%，这些问题普遍存在于用户终端位于网络覆盖的边缘时，网络覆盖边缘用户感知较差。本文通过对无线局域网的原理机制进行分析，进而针对不同的痛点制定相应的部署策略。以期利用协调一致的系统性方法达到降低家庭宽带业务用户投诉，有效提升用户满意度。

2 解决策略

2.1 无线局域网原理

WLAN（无线局域网）是采用IEEE 802.11无线技术进行互连的通信网络。

图1 IEEE 802.11位于常见分层模型中的位置对比

图2 802.11接口的一般结构[1]

终端是通过发现，认证，关联，建立连接这四步来和WTP（AP）通信。其中，802.11数据链路层的MAC帧包括：

（1）数据帧：数据在二层以帧形式传输，包含数据包（三层传输），并且增加MAC地址与二层信息。

（2）控制帧：用来协助发送数据帧，比如ACK。

（3）管理帧：负责STA与AP之间的发现、认证、关联等。

图3 终端与WTP（AP）之间的交互过程

2.2 开局部署的一般策略

无线局域网开局规划直接影响用户无线接入的效果，在WTP发射功率和天线增益一定的情况下，覆盖区域的选择决定着覆盖效果和通信效率。如果覆盖小区范围过大，则不能很好地实现覆盖；如果小区过小，则会增加用户越区切换的次数，降低通信的效率，另外干扰源的存在也会大大降低通信的质量。在工程实施过程中，合格的无线局域网规划可分为初步勘查、信道规划、干扰探测、测试优化等几个步骤：

（1）初步勘查：目标区域的结构和材料以及用户的使用需求，包括频繁使用的区域及终端数，初步确定覆盖区的方向图。

（2）信道规划：为了避免邻近小区的干扰，通常在频道选择上采用相邻小区使用不重叠信道的蜂窝网络结构，同时应适当选用5.8G频道进行部署。

（3）干扰探测：实地测量目标区域的信号噪声，如有干扰源存在，需及早考虑屏蔽措施。

（4）测试优化：施工完毕后要进行实地测试，确认能够达到预期效果，然后根据测试具体情况进行调整与优化。

2.3 工程部署中具体问题的分类

2.3.1 多径衰落问题

家庭宽带业务中无线局域网大部分部署于室内，受楼层间影响及房间的户型格局影响，由于STA终端使用位置不固定，而无线信道的不稳定性导致信号衰落变化剧烈，干扰和衰减也都非常大，可适用于无线通信信道中常见的多径衰落（瑞丽衰落）模型。

图4 多径衰落时域和频域图像

2.3.2 覆盖上下行不匹配

根据调查分析这些边缘用户感知较差问题主要是WLAN上下行覆盖不平衡因素导致；由于距离WTP较远而导致业务不能使用，占比31%：

（1）WLAN属于上行受限网络，上行链路最大允许损耗高于下行链路最大允许损耗7 dB，折算为上行有效覆盖距离为下行有效覆盖距离的50%，导致用户可能会出现收到WLAN信号但无法使用的情况。

（2）由于WTP与终端OTA性能（Over The Air验证移动通信空中接口的发射功率和接收性能的一种测试）差异较大，用户终端的发送功率及接收灵敏度等均比WTP要差，造成上下行链路不平衡的问题，即WTP下行覆盖的范围远大于终端上行覆盖的范围。

解决了WLAN WTP覆盖上下行不匹配的问题，就可以解决很大一部分的用户投诉问题。

2.3.3 覆盖距离过远

由于WTP和用户Wi-Fi终端发射功率、接收灵敏度不对称，且802.11无线信号穿透能力弱，导致用户在规划覆盖目标区域外或阻碍物严重区域可看到WLAN信号，但信号不稳定无法接入或可接入但使用困难。

图5 覆盖距离过远平面图

2.3.4 有障碍物

家庭宽带802.11无线组网由于室内环境差异较大，障碍物造成的衰减不可忽视。

图6 家庭宽带无线局域网有障碍物场景

家庭宽带业务中常见障碍物损耗值可参考表1：

表1 家庭宽带业务中常见障碍物损耗表

2.3.5 不在设计的覆盖区中

STA处于设计覆盖区域边界之外。

图7 覆盖目标信号电平区域

根据能量守恒，电磁波在自由空间中传播时仅存在因信号能量扩散分布引发的功率面密度衰减而不存在任何其他形式的损耗。Pt为发射功率；Pr为接收功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益，模型公式为：

以上为弗里斯传输方程的理想形式，取GtGr=1可简化为

变形后可得

式中，Lfs传输损耗的单位为dB；D传输距离单位为km；F频率的单位为MHz。由式（3）可得自由空间中电波传播损耗（也称衰减）只与工作频率F和传播距离D有关，由此可推导出如下结论：

（1）无线传输损耗每增加6 dB，传送距离将缩减为原来的一半。例如一般室内型WTP设备发射功率为20 dBm，而STA终端设备发射功率为15 dBm，在天线增益和接收灵敏度相同的情况下，STA终端的上行传输距离约为WTP设备下行传输距离的一半左右。

（2）若要保持损耗不变，需满足频率增加的倍数与距离增加倍数为倒数关系即乘积为1，若频率增加一倍，则覆盖距离缩减为原来的一半。例如在相同损耗条件下，5.8G频段传输距离将为2.4G频段的1/2倍还要短些。

2.3.6 过覆盖场景-暴露终端

暴露终端问题：节点之间能够互相监听对方，但在可以发送时不发送，从而造成信道的浪费，暴露终端问题一般在有多个WTP（或者多个STA）时发生。

图8 暴露终端原理图

2.4 优化部署的具体策略

无线局域网络部署优化就是根据一定的目标方程，和约束条件对投入运行的网络进行参数采集、数据分析，找出影响网络质量的原因，通过技术工程手段或参数调整使网络达到最佳运行状态的方法，使网络资源获得最佳效益。

（1）降低投诉：在边缘区域，弱覆盖区域减少用户感知到无线信号的概率，可有效降低有信号无法使用，信号不稳定类用户投诉。

（2）提高已接入用户网络质量：有效减少边缘用户发送及重传报文占用信道时间。

（3）提高网络性能：有效提高无线空口利用率，降低空口繁忙比。

2.4.1 分集接收策略

无线信号的多径衰落符合瑞利分布，设信号振幅为r，相位为σ，多径衰落的瑞利分布包络函数为：

相位函数为

对于多径衰落问题可采用分集接收技术应对，思路是将相关性较小（即不同时发生质量恶化）的两个或两个以上的信号进行选择或合并，减轻由多径衰落（瑞丽衰落）所造成的影响，分集接收可利用接收信号在空间、频率、极化等方面的差异实现。

（1）空间分集：尽量选用具有定向型天线的WTP设备，对于户型过大或者隔墙过多（2道墙以上）的场景增加WTP部署数量。

（2）频率分集：2.4 GHz频段设备与5.8 GHz频段设备差异化部署。

2.4.2 上下行覆盖平衡策略

2.4.2.1 方向一：调整WTP下行覆盖能力，使上下行覆盖能力匹配

（1）WTP下行管理帧限调，避免管理帧过覆盖。

（2）提升WTP发送Beacon管理帧的传输速率，降低WTP覆盖范围，达到接入时上下行覆盖平衡，从而避免用户看到WTP信号而无法接入的问题。

（3）降低WTP发射功率，达到与终端上行功率平衡。

（4）降低WTP发射功率后，在相同物理位置终端的感知会有下降。通过测试，调整WTP发射功率会降低所有覆盖区域内终端接收的信号强度。

2.4.2.2 方向二：提升上行能力，WTP多天线及规范终端空口能力

（1）增强上行ACK控制帧反馈的鲁棒性。

（2）WLAN数据传输速率和ACK速率有严格对应关系，由于上行能力不足，终端上行反馈的ACK易成为受限环节。

（3）WTP数据速率选择优化：不要求ACK同速发送速率，避免由于终端反馈同等速率的ACK导致上行能力不足，而降低下行速率。

（4）需从协议层面改善终端的ACK反馈机制，可采用协商的方式设定终端的ACK反馈速率。

由于用户终端数量和类型都无法控制，提升用户终端上行能力实现困难，调整WTP下行覆盖能力是可行的解决方案，其中调整WTP发送Beacon帧的速率，降低WTP覆盖范围是重点。

2.4.2.3 下行覆盖功率优化

一般情况下，我们使用任意区域无相同信道干扰的无线部署。但是当某个无线设备功率过大时，会出现部分区域有同频干扰，这时可以通过调整无线设备的发射功率来规避。

802.11 系统使用的是CSMA/CA规避机制，即：STA在有数据发送时先侦听信道，如果信道中没有其他设备在传输数据，就先随机退避一个时间窗口，若在这个窗口内没有其他设备抢占到信道，就在窗口关闭后立即占用信道并传输数据。其有限的802.11带宽资源会在所有同信道的设备间平均分配，应该对同信道的设备功率进行适当的调整，尽量保证客户端在一个位置可见的同信道较强信号只有一个，同时要满足信号强度的要求（大于等于-70 dBm）。在实际调整率时，必须根据现场环境适当调整，保证覆盖强度满足规划要求。

2.4.2.4 上行回传功率优化

对于覆盖区域信号强弱不均的场景，需要对覆盖区域具体WLAN设备数量进行排查，覆盖情况也需要提前详细掌握。根据STA侧无线网卡的发射功率和使用场景来调整覆盖强度，在满足信号覆盖强度后需要对覆盖区域相互间WLAN信号强度进行优化，其他区域覆盖信号在此区域的信号强度需保持在-70 dBm以上，这样方可减少相互间隐藏节点等影响。

2.4.3 报文优化策略

2.4.3.1 无线用户二层隔离

WLAN无线网络理论上就是实现一个二层的接入网络，在无线网络中报文（包括单播、广播、组播报文）会倾向于以能协商到的最低速率传送。当存在较多低速率报文传输时，有限的带宽将被无意义消耗。

在WTP设备上对单播报文、广播报文、组播报文进行隔离，可有效避免大量低速报文的影响，降低了广播报文和用户间流量对网络的负荷，同时避免了一定量的安全攻击。

2.4.3.2 低速率报文优化

802.11协议兼顾了管理报文的重要性与传输数量，在提高空口转发优先级基础上使用WTP最小速率进行传输，双重保障了报文传输成功。

802.11网络是使用一个速率集进行报文发送，无线STA或者WTP在发送报文的时候会动态的在速率集中选择一个速率。但在覆盖区域存在多台WTP设备时，空口资源基本被低速率的管理报文占领，为了提高空口利用率我们建议关闭18 Mb/s以下速率（为向下兼容保留18 Mb/s接入速率）。建议在满足覆盖范围的前提下，根据家庭宽带场景需要适当关闭低速率（18 Mb/s以下）速率报文提高空口资源利用率。

2.4.3.3 管理报文优化

802.11协议物理层为了应对干扰和冲突的影响对报文传送设计了物理重传机制，即：当一个设备发送一个报文而没有收到目的设备的回复ACK，该设备会硬件进行重传，重传次数达到最大次数后该报文被丢弃。如果报文一次发送就成功，就不会进行重传了。默认情况下WTP设备单播帧长不大于RTS门限值，重传次数为5次。

（1）关闭WTP设备Probe Response报文：STA主要通过两种方式与WTP进行关联，一种方式是主动发送Probe Requset报文，待WTP回复Probe Response后根据回复情况与WTP进行关联，另外一种方式是被动侦听Beacon报文，根据Beacon报文信息与WTP进行管理。由于主动发送Probe Requset报文占用大量空口资源，因此建议关闭WTP设备回复Probe Response报文，从而提高空口资源使用率。

（2）调整Beacon帧发送周期间隔：Beacon帧在802.11里基本上Beacon帧定义了整个BSS的覆盖范围，所有交互都必须通过WTP（AP），比如用来通告网络服务，同时和无线网卡进行信息同步等。缩短Beacon发送间隔会使被动式扫描变得更稳定，会有助于提升漫游的效率，但会耗费较多的空口资源。而延长Beacon发送间隔会间接使连接节点更省电，因为STA监听间隔以及DTIM值都会跟随调整。调整管理帧的发送间隔，取消对某些无效管理帧的回应，可减少管理报文对有限空口资源的影响。缺省情况下，WTP设备的Beacon信标报文发送间隔为100 ms，通常使用最小速率进行发送而且优先级比较高。通过调整Beacon发送周期间隔，由100 ms调整到160 ms，可有效降低空口消耗。

（3）Guard Interval （GI）管理报文优化：采用OFDM时，整个数据是被划分为不同的数据块进行传输的。由于多径效应的影响，为了数据传输的可靠性，数据之间会有间隔Guard Interval （GI），例如802.11n仍然使用800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条空间流，可以将吞吐量提高近10%。对于多径效应较明显的环境不建议使用Short Guard Interval （GI）。

图9 Guard Interval （GI）管理报文

（4）Beacon帧报文优化：整体思路为试点分析确认WTP管理帧优化效果，输出WTP管理帧优化推广建议值。以热点为试点：测试验证调整WTP发送Beacon帧的速率后，能否达到使WLAN网络覆盖边缘用户在无法正常使用时直接看不到信号的目的；以区域为试点：测试验证和分析调整WTP发送Beacon帧的速率后，对用户感知的影响，对网络质量的影响，对WTP管理帧优化解决WLAN上下行覆盖不平衡在各覆盖场景下进行效果分析，并最终确定WTP管理帧优化推广建议值。

（5）调整前：终端处于WTP覆盖边缘，不可正常关联到WTP，由于上下行覆盖不平衡，WTP下行的数据帧可以被终端正常接收，上行以同样速率发送WTP无法接收。

（6）调整后：调整WTP Beacon帧发送速率使远端边缘用户直接看不到信号，达到覆盖匹配，避免看到信号无法正常使用。

图10 beacon帧调整后效果对比

100 mW设备调整WTP beacon帧发送速率到18Mb/s 后，可以使PC终端和手机终端不可用用户基本见不到信号目的，调整后用户感知相当，WLAN关键指标平稳，WLAN网络关键KPI有不同程度的改善，综合各方面影响后目前建议对100 mW室内放装场景配置WTP beacon帧速率为11 Mb/s。

500 mW设备调整WTP beacon帧发送速率到18 Mb/s后，可以达到手机终端不可用用户基本见不到信号目的，调整后用户感知相当，WLAN关键指标平稳，WLAN网络关键KPI有不同程度的改善，综合各方面影响后建议对500 mW室内放装场景配置WTP beacon帧速率为18 Mb/s。

2.4.4 用户数限制优化手段

对于密集覆盖场景区域，建议每WTP接入用户数小于15人，这样可减轻WTP下用户空口资源竞争和减少隐藏节点。设备上用户数限制可以基与无线空口策略使用，可以控制到每台WTP接入用户数，避免用户终端长时间附着在WTP上。

如果设备SSID中关联STA达到最大个数，除非某些关联STA因某种原因主动解关联，否则没有STA能够再加入BSS。针对以上问题，可启用设备计时器，定期清除不登陆的用户，提高用户关联和登陆的成功率。建议开启空闲超时设置，5分钟时间窗口内STA没有任何流量将被强制下线。

2.4.5 DSCP（差分服务代码点）设置

DSCP差分服务代码点（Differentiated Services Code Point）是IETF发布的Diff-Serv（Differentiated Service）的QoS分类标准。它在每个数据包IP头部的服务类别TOS标识字节中，利用已使用的6比特和未使用的2比特通过编码值来区分优先级。因为DSCP是“IP优先”和“服务类型”字段的组合，使用DSCP值可以向下兼容利用只支持“IP优先”的旧设备。

DSCP为了保证通信的QoS，对流量进行标识，在数据包IP头部的8个标识字节进行编码，来划分服务类别区分服务的优先级。每一个DSCP编码值都被映射到一个已定义的PHB（Per-Hop-Behavior）标识码。参照RFC 8325标准，DSCP在IEEE 802.11上的建议设置见表2[2]。