利用路燈桿實現(xiàn)熱區(qū)WiFi網(wǎng)絡(luò)部署的設(shè)計

馬宇飛，楊瑞峰，張奧揚

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

目前無線數(shù)據(jù)吞吐量的迅速增長對電信運營商3G網(wǎng)絡(luò)造成了很大的沖擊，因此在LTE尚未商用的情況下，各運營商紛紛采用WiFi作為無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重要補充，以減輕3G網(wǎng)絡(luò)的壓力。

WiFi組網(wǎng)方式分為胖AP和瘦AP組網(wǎng)，早期網(wǎng)絡(luò)多為胖AP組網(wǎng)。隨著WiFi大規(guī)模建設(shè)以及無線城市的快速推進，出現(xiàn)了越來越多的問題，如WiFi建網(wǎng)時需要對成百上千的AP進行逐一配置，包括網(wǎng)管IP地址、SSID和加密認(rèn)證方式等，工作量巨大且容易因誤配置導(dǎo)致各種網(wǎng)絡(luò)問題;為了管理AP，需要維護大量AP的IP地址和設(shè)備的映射關(guān)系;無法自動完成AP軟件升級，帶來大量工作量。鑒于胖AP部署方式越來越難適應(yīng)WiFi規(guī)模部署的需要，國內(nèi)外主流運營商都轉(zhuǎn)向AC(無線控制器)+Fit AP(瘦AP)的集中控制型WiFi組網(wǎng)模式。

1 集中控制型WiFi組網(wǎng)模式

1.1 組網(wǎng)模式

集中控制型AC+Fit AP組網(wǎng)模式中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求及所管轄AP的范圍不同，AC可靈活部署于城域網(wǎng)的骨干層、業(yè)務(wù)控制層或下沉于接入層。

AC+Fit AP集中控制架構(gòu)對設(shè)備的功能進行了重新劃分，其中無線控制器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的接入控制、轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)計、AP的配置監(jiān)控、漫游管理、AP的網(wǎng)絡(luò)代理、安全控制;而瘦AP負(fù)責(zé)IEEE802.11報文的加解密、IEEE802.11的PHY功能、接收無線控制器的管理、RF空口的統(tǒng)計等簡單功能。

集中控制型AC+Fit AP架構(gòu)中，F(xiàn)it AP首先獲得IP地址及AC地址;然后AP發(fā)現(xiàn)AC并完成向AC注冊;接著與AC建立隧道(如基于CAPWAP協(xié)議);AP從AC下載相應(yīng)的配置文件，完成自身配置后即可正常工作。

1.2 組網(wǎng)特點

集中控制型組網(wǎng)解決了傳統(tǒng)AP組網(wǎng)的不足，通過AC對網(wǎng)絡(luò)進行集中管理，極大提高了可管理性和維護性，使得網(wǎng)絡(luò)總體性能大大提高，這些特點使其很適于電信級的大型WiFi網(wǎng)絡(luò)的部署。相較于傳統(tǒng)的WiFi AP組網(wǎng)，集中控制型組網(wǎng)的優(yōu)勢如表1所示。

表1 技術(shù)對比表

2 室外熱區(qū)WiFi部署需要考慮的問題及相關(guān)解決方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

高數(shù)據(jù)熱區(qū)(街區(qū))要求采用WiFi專用BRAS和專用接入設(shè)備(ONU、交換機等)，BRAS與AC的功能逐步向融合的方向發(fā)展［1］。零散數(shù)據(jù)熱點要求結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與其他專業(yè)統(tǒng)籌建設(shè)，共享接入設(shè)備、BRAS等。WiFi網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 WiFi網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

2.2 頻率規(guī)劃與干擾控制

2.2.1 頻率規(guī)劃

目前 IEEE802.11b，IEEE802.11g 工作在 2.4 GHz頻段上，IEEE802.11a 工作在5.8 GHz頻段上，IEEE802.11n工作在2.4 GHz或5.8 GHz頻段上。

IEEE802.11b，IEEE802.11b 和 IEEE802.11n 工作在2.4 GHz(2.410 ～2.483 GHz)時，工作頻率帶寬為83.5 MHz，劃分為14個子頻道，實際使用為1～13頻道，每個子頻道帶寬為22 MHz。詳見圖2。

圖2 2.4 GHz子頻道分配圖

如圖2所示，IEEE802.11b和IEEE802.11g最多有13個信道可用，13個信道的標(biāo)號及所用中心頻率以及頻帶的情況如表2所示。

表2 2.4 GHz頻段13個信道的標(biāo)號、所用中心頻率以及頻帶的情況表

在多個頻道同時工作的情況下，為保證頻道之間不相互干擾，要求兩個頻道的中心頻率間隔不能低于25 MHz。因此從圖3可以看出，在一個蜂窩區(qū)內(nèi)，直序擴頻技術(shù)最多可以提供3個不重疊的頻道同時工作，提供高達3×11 Mbit/s的吞吐量。

圖3 5.8GHz子頻道分配圖

IEEE802.11a 和 IEEE 802.11n 工作在 5.8 GHz(5.725 ～5.850 GHz)時，可用帶寬為 125 MHz，劃分為 5個信道，每個信道帶寬為20 MHz。5.8 GHz子頻道分配如圖3所示。

IEEE802.11a 和 IEEE802.11n 工作在5.8GHz(5.725 ～5.850 GHz)時，信道的標(biāo)號及所用中心頻率以及頻帶的情況如表3所示。

表3 5.8 GHz頻段信道的標(biāo)號、所用中心頻率以及頻帶的情況表

2.2.2 干擾控制

1)室外AP覆蓋區(qū)頻點配置時，為了實現(xiàn)AP的有效覆蓋，避免信道間的相互干擾，在信道分配時宜引入移動通信系統(tǒng)的蜂窩覆蓋原理。對1，6，11信道進行復(fù)用，頻點配置示意如圖4所示。

圖4 頻點配置示意圖

2)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意避免干擾源的影響。

3)WiFi規(guī)劃設(shè)計時結(jié)合現(xiàn)場勘察和測試之后，應(yīng)指定覆蓋區(qū)域每個AP的工作頻率，不宜考慮AP自動頻率調(diào)整功能，以防止頻率的頻繁調(diào)整而導(dǎo)致用戶無法接入。

2.3 傳輸光纜設(shè)計

2.3.1 EPON接入技術(shù)的應(yīng)用

1)EPON接入組網(wǎng)技術(shù)

配套傳輸采用EPON技術(shù)的光纖組網(wǎng)模式組網(wǎng)，EPON是基于以太網(wǎng)方式的無源光網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是一種采用點到多點(P2MP)結(jié)構(gòu)的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)，由局側(cè)的光線路終端(OLT)、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)組成。

2)EPON技術(shù)主要特點

(1)相對成本低，容易擴展，易于升級。EPON結(jié)構(gòu)在傳輸途中不需電源，沒有電子部件，能夠充分利用市政路燈桿管井資源鋪設(shè)，基本不用維護，長期運營成本和管理成本節(jié)省很大。

(2)EPON目前可以提供上下行對稱1.25 Gbit/s的帶寬，并且隨著以太技術(shù)的發(fā)展升級到10 Gbit/s。

(3)服務(wù)范圍大。EPON作為一種點到多點網(wǎng)絡(luò)，以一種扇區(qū)的結(jié)構(gòu)來節(jié)省CO的資源，服務(wù)大量用戶。

2.3.2 基于EPON組網(wǎng)模式

1)組網(wǎng)模式種類

現(xiàn)在基于PON技術(shù)的光纖接入網(wǎng)的接入模式主要分為以下幾大類:FTTH/O(光纖到戶/辦公室)，F(xiàn)TTB(光纖到樓宇)，F(xiàn)TTB+WLAN等。其中，F(xiàn)TTB中包括以五類線連接ONT(光網(wǎng)絡(luò)終端)與ONU的FTTB+LAN、用雙絞線連接ONT與ONU的FTTC+DSL，以及廣電經(jīng)常使用的FTTC+EoC。FTTH由于具有提供帶寬高、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，已成為目前的主流接入模式。全業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)的規(guī)劃需重點關(guān)注OLT的設(shè)置、ODN的規(guī)劃以及ONU的部署三大部分。

2)FTTB的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

配線光纜是按照用戶需求敷設(shè)，由于用戶分布較分散等原因，本工程用戶配光纜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用點對點的星形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 FTTB組網(wǎng)模式

2.4 室外街區(qū)場景案例分析

本文以3G EV－DO［2］網(wǎng)絡(luò)為背景，舉例說明方案的設(shè)計流程及分流效果。

2.4.1 高流量扇區(qū)篩選

根據(jù)高話務(wù)DO篩選條件，找出X基站一扇區(qū)屬于高話務(wù)扇區(qū)，即信道平均時隙占用率≥70%，DO平均每載扇等效用戶數(shù)≥4，以周為單位進行EV－DO數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一周內(nèi)滿足條件數(shù)大于2次，且持續(xù)2周都出現(xiàn)。話務(wù)統(tǒng)計如表4所示。

表4 扇區(qū)話務(wù)統(tǒng)計表

2.4.2 數(shù)據(jù)分析

從表5數(shù)據(jù)分析可以看出，單次連接平均占用時長與單用戶平均占用時長差別很大，說明用戶上網(wǎng)每次連接時長大多短且次數(shù)頻繁。由該載扇單次連接平均流量與單用戶平均流量分析，說明該區(qū)域用戶數(shù)多為小流量用戶。

表5 數(shù)據(jù)分析表

2.4.3 分析結(jié)果

根據(jù)話務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，X基站一扇區(qū)覆蓋區(qū)域存在用戶數(shù)多且為小流量用戶，用戶每次上網(wǎng)時間短且次數(shù)頻繁，如表6所示。X基站一扇區(qū)1X配置為3載波，EV－DO配置為4載波，目前無法滿足用戶需求，而800 MHz已無頻點可用。在EV－DO已擴4載波的情況下，解決此問題的有效方法就是使用WiFi熱點分流DO流量。

表6 用戶性質(zhì)分析表

2.4.4 現(xiàn)場勘查及方案設(shè)計

現(xiàn)場測試該扇區(qū)覆蓋區(qū)域EV－DO信號覆蓋良好，覆蓋區(qū)域內(nèi)商場大部分已經(jīng)做過室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，較少占用該扇區(qū)載頻。用戶上網(wǎng)速率慢的主要原因是該扇區(qū)覆蓋主要區(qū)域?qū)儆谏虡I(yè)步行街，人流量大，容量無法滿足用戶的要求。因此確定把該商業(yè)步行街作為熱區(qū)進行WiFi建設(shè)。WiFi覆蓋街區(qū)如圖6所示。

圖6 室外街區(qū)覆蓋示意圖(截圖)

2.4.5 建設(shè)方式

1)本工程采用集中控制室外型AP設(shè)備的方式組網(wǎng)。利用豐富的市政路燈桿管井資源，用于從OLT節(jié)點敷設(shè)光纜至室外型AP所在位置，同時敷設(shè)電源線為ONU設(shè)備供電;利用路燈桿金屬桿體，安裝室外型AP和ONU設(shè)備。

2)市政常用的路燈桿主要有6 m，8 m，10 m，12 m，15 m，根據(jù)要覆蓋區(qū)域的情況進行AP設(shè)備及天線安裝位置進行設(shè)計，如圖7所示。

圖7 街區(qū)路燈桿類型圖

2.4.6 設(shè)備安裝示意

室外路燈桿建筑物體上直接布放室外型AP、ONU設(shè)備，有利于WiFi系統(tǒng)結(jié)構(gòu)快速實施和投入使用，設(shè)備安裝如圖8所示。

圖8 路燈桿WiFi設(shè)備安裝示意圖

2.4.7 WiFi分流效果測試

該街區(qū)WiFi開通后，測試結(jié)果如表7所示，從一個月的使用情況來看，用戶數(shù)和流量均比較好，起到了分流的效果。

表7 WiFi數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 結(jié)論

集中控制型WiFi組網(wǎng)模式已成為未來網(wǎng)絡(luò)部署的發(fā)展方向，利用路燈桿部署熱區(qū)WiFi網(wǎng)絡(luò)，可以有效改善3G移動網(wǎng)絡(luò)話務(wù)負(fù)荷，快速實現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)由點到面的轉(zhuǎn)變，利用市政管道拓寬傳輸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通過結(jié)合室內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)部署，從而實現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)從熱點部署向熱區(qū)乃至無線城市部署的方向發(fā)展。

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