浅析Wi-Fi_6园区无线网络部署设计_刘洋.pdf

2023年 第2期0引言Wi-Fi 6（第六代无线网络技术）又被称为802.11ax，是Wi-Fi联盟为提升802.11无线系列标准辨识度，采用Wi-Fi+数字的方式将802.11ax命名为Wi-Fi 6。自Wi-Fi 6技术标准冻结以来，相关芯片价格持续走低，采用Wi-Fi 6规模化部署新一代高速无线网络的时机已经成熟。在网络部署设计的过程中，如何针对不同的场景选取经济合理的无线覆盖方式，满足高密、高速的终端设备连接需求，保障业务开展？在园区Wi-Fi网络的建设过程中，如何保护既有的网络建设投资和保障未来网络的平滑演进？本文将从802.11ax协议能力入手，通过系统能力分析总结Wi-Fi 6建设部署模型，并从无线网络设计着手提出园区Wi-Fi 6网络部署设计的思路。1Wi-Fi 6主要技术特点Wi-Fi标准发展至今已经超过20年，前几代Wi-Fi标准主要专注在提升速率上，Wi-Fi 6新增了对高密度场景部署的特性，其主要技术特征可以总结为“三高两低”，以下对相关技术做简要介绍。高带宽，新标准采用了高阶调制编码方案1024QAM（正交振幅调制）提升数据传输能力，相比较于上一代Wi-Fi标准使用的256QAM可以提升25%的数据传输能力。高并发，通过使用OFDMA（正交频分多址）技术可以将子信道划分为更小的资源单元，同时对多个用户进行并行传输，从而提升并发能力。安全性提高，引入的WPA3安全协议可以加密Wi-Fi网络上的所有数据，保护开放网络环境下的用户，防止用户流量被窥探。低时延，系统中采用了BBS coloring（同频传输识别机制），为WAP（无线接入点）进行“着色”标记。在收发消息前进行冲突检测，有效缓解多路由场景下同信道干扰退避的问题，提升频谱资源利用率。低功耗，通过引入目标唤醒时间TWT（目标唤醒时间）技术，可以延长连接设备的续航时间，主要面向对网络带宽需求不高的智能终端设备等。2Wi-Fi 6能力分析2.1Wi-Fi 6覆盖分析无线覆盖能力是WLAN（无线局域网）网络建设的重要指标之一。在设计阶段，无线覆盖能力测算主要运用的技术是无线链路预算模型，常用模型有线性路径衰减模型、衰减因子模型和含障碍物系统衰减模型等。考虑到Wi-Fi主要用于室内场景的无线覆盖，故选用含障碍物系统衰减模型来进行能力测算，公式为Pr=Pt+Gt+Gr-Pl。式中，Pr是接收最小电平，Pt是发射功率，Gt是发射端天线增益，Gr是接收端天线增益，Pl是路径浅析 Wi-Fi 6 园区无线网络部署设计刘洋，周瑞，朱宇祥（中国移动通信集团西双版纳分公司，云南省西双版纳傣族自治州666100）摘要园区无线网络是智慧园区建设的重要组件，Wi-Fi 6作为最新一代的无线网络技术，利用其大带宽、低时延、高并发的技术特性，将构筑新一代的数字基础设施环境。文章简要介绍Wi-Fi 6的主要技术特点，分析Wi-Fi 6的系统能力，并总结Wi-Fi 6网络的建设模型及无线网络设计思路等，可为园区Wi-Fi 6无线网络的建设、部署和优化提供一定的参考。关键词Wi-Fi 6（第六代无线网络技术）；网络规划设计；园区无线网络论 文 选 粹302023年 第2期损耗，它是自由空间损耗与衰落预算的和，衰落预算取决于覆盖场景。而自由空间损耗Ls与使用频率和传播距离有关，计算公式为Ls=92.4+20lgF+20lgD，式中：F为发射频率，单位为GHz，D为距离，单位为km。Wi-Fi 6可以工作在2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz三个频段上，我国规定的室内WAP分别对应的最大发射功率为100 mW、200 mW和500 mW，STA（客户端）发射功率为1020 mW。与传统WLAN网络部署所不同的是，Wi-Fi 6采用的高阶调制是保障空口吞吐量的关键之一，系统在调制与编码策略MCS-11模式下（1024 QAM调制）的接收灵敏度需要在-64 dbm以上。由于STA的发射功率比WAP低，覆盖距离受限于STA的上行能力，链路估算时通常以STA为参考点进行上行链路估算。通过链路估算，在室内部署场景下建议单个Wi-Fi 6 WAP的覆盖距离不宜超过15 m，当出现墙体时，其覆盖能力将大打折扣。2.2Wi-Fi 6容量分析Wi-Fi 6采用了更小的子载波间隔和OFDMA技术，一个20 MHz频宽的信道可以容纳256个子载波，同时可在时域和频域空间上更灵活的分配无线资源，使得并发能力和吞吐量大大提升。协议中规定了几种不同大小的子载波组成集合，即分配给单个用户的子载波资源，称为RU（资源块）。最小的RU是由26个子载波组成的，约2 MHz的带宽。在数据传输中可以根据用户数量和带宽需求灵活分配RU资源。Wi-Fi设备的容量与调制方式、RU资源数等有关，其传输速率的计算公式为V=SNtoneBT()Nmimo，式中：V表示传输速率；S表示符号位长。根据802.11ax标准，Wi-Fi 6采用1024QAM调制，符号位长为10 bit；Ntone表示子载波数量，根据工作带宽支持的数量而定；B表示码率，码率与调制方式有一定关联，对于高阶调制码率取5/6；T表示传输周期，根据协议按13.6 s取值；是传输效率，表示总开销因子，包括物理层开销和纠错开销，根据测试经验数据取50%；Nmimo表示MIMO（多入多出技术）通道数量，由物理天线数决定，常为2的倍数。OFDMA技术通过划分更小的资源颗粒来提升并发能力，MIMO技术则是在空间分集上提升系统吞吐量，Wi-Fi 6在单空流160 MHz的工作带宽下最大可支持74户并发用户。2.3Wi-Fi 6建设模型Wi-Fi 6可以工作在2.4 GHz的114号信道和5 GHz的32173号信道上，其中5.495.73 GHz频段的信道和2.4 GHz的14号信道，我国无线电管理局未授权使用。Wi-Fi 6在我国大陆地区可用信道分布在2.4 GHz、5.2 GHz、5.8 GHz三个频段上，其中2.4 GHz频段由13个20 MHz频宽的交叠信道组成，5.2 GHz和5.8 GHz为独立信道，可以根据容量需要灵活划分为多个20 MHz、40 MHz带宽的信道，或者聚合为80 MHz、160 MHz的大带宽信道.我国Wi-Fi 6可用频段及信道分配如图1所示。根据我国支持的信道分布情况和802.11ax协议规范，可对不同频段下的带宽组合进行穷举，能得出9种射频组合方式。根据各组合中对应的可复用图1我国Wi-Fi6可用频段及信道分配示意图论 文 选 粹312023年 第2期的信道数量（各个频段下支持信道数的最小值）可将模型分为连续覆盖模型、弱连续覆盖模型、独立组网模型三类。连续覆盖模型可用于对网络切换要求高的场景。弱连续覆盖模型可用于带宽要求高的组网场景，并通过对WAP的射频功率控制来降低同频干扰，兼顾覆盖连续性与漫游需求。独立组网模型可以用于大带宽独立组网或室外场景，漫游性能较差。Wi-Fi 6不同射频组合下的能力模型见表1。3Wi-Fi 6网络设计思路WLAN网络通过电磁波传输数据，随传输距离的增加无线信号强度会越来越弱，且受限于有限的频谱资源，相邻的无线信号间存在同频干扰问题。因此在无线网络的部署设计上既要考虑用户的无线网络容量需求，也需要结合建筑室内布局情况和信号强度要求，均衡选用频宽完成无线组网。Wi-Fi 6网络设计思路如图2所示。3.1容量设计分析在容量设计时，需要根据无线终端的业务需求速率需求、接入终端数量、并发比等确认等来确定单个WAP能力及部署数量，确保无线网络性能可以满足拟覆盖区域内所有用户的业务需求。目前手机、笔记本、平板等终端设备配置的Wi-Fi芯片多为11或22MIMO系统，在测算WAP能力时，终端侧建议选取22系统，并通过上述容量计算公式反推出WAP所需频宽资源。单个WAP频宽的选择将决定并发用户数量和最大连接带宽，如果系统所有接入点都工作在最大频宽，虽然WAP跟STA的协商表1Wi-Fi 6不同射频组合下的能力模型表能力模型射频规格/MHz信道可复用数最大带宽/（Gbit/s）最大并发用户数/户射频要求覆盖特征A20111.139双频连续覆盖B4062.2518三频连续覆盖C20+4043.3827双频弱连续覆盖D8034.737三频弱连续覆盖E20+8035.8346三频弱连续覆盖F20+80+2026.9655三频弱连续覆盖G20+80+4028.0864三频弱连续覆盖H16019.3974双频独立组网I20+160110.5283双频独立组网图2Wi-Fi 6网络设计思路图论 文 选 粹322023年 第2期速率会很高，但信道数量是有限的，使用相同的信道会造成很强的同频干扰，反而会降低系统的整体容量。为此，需要根据WAP的部署密度、支持的信道数量，给每个射频合理分配频宽，使相邻WAP使用的信道不重叠，减少WAP间干扰，同时保证WAP和STA能够协商适当的速率，进而提升整个系统的容量。3.2频点设计分析基于实际覆盖区域确定了点位布置和频宽需求后，需要进行合理的频点分配，以保障无线网络系统的健壮性和吞吐量。根据我国频谱资源分配情况，在2.4 GHz频段上，带外干扰、带内的同频干扰与邻频干扰都存在，为保障覆盖效果，带宽选取为20 MHz。在5.2 GHz和5.8 GHz频段上，信道不重叠，带内同频干扰和带外干扰都较小，是提供无线容量的主力。综合考虑覆盖区域环境和频宽需求后，频点规划设计原则如下：优先由2.4 GHz提供20 MHz的基础容量，剩余容量由5.2 GHz频段提供，如果5.2 GHz频段提供的频点无法满足信道复用需求，那么选用5.8 GHz频段的信道完成覆盖。3.3信道规划设计分析信道规划设计的目的是选取不重叠的信道，降低邻区间的同频干扰。WAP在多射频工作时，低频段和高频段需要选择不同信道，同时保障WAP覆盖的临接区域内信道不重叠。由于5.49 5.73 GHz的Wi-Fi 6频段在我国不受许可，大带宽高并发的室内连续组网场景下无线侧需要配置较大的频宽资源，设备厂商在销售Wi-Fi 6的WAP时也通常以双射频或三射频为卖点，因此需要部署三射频WAP节点进行跳频覆盖，以保障覆盖的连续性。3.4前传网络设计分析Wi-Fi 6 WAP节 点 前 传 所 需 速 率 从GE到10GE不等，而且随着未来业务的发展，无线网络系统面临的任务将会越来越繁重。再加上园区中建筑的使用年限较长，大大超出了无线网络平均每10年一次的更新换代速度。因此，可以预见，在进行后续网络的升级改造时，网络线缆容量和供电容量将是制约无线网络平滑升级的两大瓶颈。现阶段，考虑到工程实施和后续运维的便利性，WAP宜采用集中供电方式部署。在传输介质的选择上，目前IEEE802.3bz以太网标准可以采用六类网线提供最高5GE的传输速率，同时结合IEEE802.3bt标准可以满足单链路最高90 W的以太网供电。当WAP节点速率需求在5GE以上时，推荐直接采用光电混合缆部署，方便后续网络平滑演进升级。无线网络平均每57年就进行一次标准迭代，每一代Wi-Fi技术的革新，都是不断使用更高阶的调制方式、加密载波和成倍增加空间流实现的，在空口速率提升的同时也伴随着WAP功耗的升高。现阶段，智慧建筑/园区建设正在兴起，WAP作为基础接入平台常常会拓展IoT（物联网）模块用于各类传感器或身份识别信息的回传，再加上Wi-Fi 6WAP自身的高功耗，在选用以太网方式接入时，交换机选型应该特别注意PoE（以太网供电）能力指标，并预留一定的余量。在交换机下挂WAP较多或采用8空流WAP时，宜选择外接供电模块保障设备的正常运行。4结束语Wi-Fi作为稳定性、安全性十分成熟的短距无线通信技术，将长期与移动通信技术并存，特别是Wi-Fi 6在室内高带宽低延迟的业务场景下与5G技术有极强的互补性，可以弥补5G通信室内穿透性差、覆盖率低、建设成本高等问题。本文研究和分析了Wi-Fi 6的相关技术特点及系统能力，提出网络建设模型和部署设计建议，可以为后续规模化部署Wi-Fi 6无线