扫清高密Wi-Fi部署两大“拦路虎”

2019-01-10 19:29:55 151

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科幻电影《星球大战:原力觉醒》热播后,“May the force be with you(愿原力与你同在)”这句经典台词再度风靡起来;其实在当前Wi-Fi席卷全球的背景下,对于“Wi-Fi控”的一员来说,可能“May the Wi-Fi be with you”这句才更为中意。人们早已习惯用手机/PAD来看视频/新闻、刷微信/微博,因此,相比“原力”我们更需要Wi-Fi。

在政府、运营商和企业各方共同推动下,Wi-Fi现在已遍布我们所处城市的各个角落,无论是在商场和餐馆,还是在酒店和车站,又或是在展览馆和会议厅,打开手机很快你就能查找到Wi-Fi网络。但在实际使用时,在一些用户密集的场所,例如展览馆、会议厅和大型商场等,Wi-Fi却并不如家里或办公室那么好用,经常出现连不上网或网络连接速度很慢的情况——打开网页要等上好几秒,视频缓冲也非常明显。到底原因何在?

高密场景体验不佳:性能与规划非主因

很多人把这个问题归结于AP性能不佳或是网络规划不精准,但是究其根本却未必完全如此。在过去的数年间,AP的基础性能已经十分成熟,在办公室之类的普通环境下单AP承载30多个用户同时上网已经不成问题;同时,网络规划方案也逐渐成熟,一些基本的干扰问题已不难解决。那么问题来了,有了强悍的AP和成熟的网络规划方案,为什么还会出现网络体验不佳的现象呢?依靠软件特性是否可以从根本上解决这类问题?

这要从基础方案开始分析,业界应对室内高密度接入的主流方案莫过于AP蜂窝式部署。此类方案通常使用内置全向天线的AP,易于采购也易于部署。然而其缺点也十分明显,全向天线的覆盖范围类似于一个苹果,形状十分饱满,覆盖范围也很广。这在半开放的室内办公环境等对覆盖范围要求较高的场景十分适用。

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可以把苹果想象成一个全向AP的覆盖范围

但是在车站和会议厅等全开放环境,此类覆盖方式使得AP间十分容易互相干扰,造成无线性能呈几何级数下降。如果把一个AP的信号覆盖模拟想象成儿童球池里面的气球,夸张点说,很多车站和机场的无线环境与下面这张图没什么两样。即使请技术专家进行优化,其手段也比较有限,无非是降低发射功率,借助障碍物缩减覆盖范围等,对解决根本问题可说是杯水车薪。

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开放式公共环境信号覆盖假想图

更悲催的是,因为无线信号不可见且难以定位,在遇到体验不佳的情况时,大多数运营商和商业Wi-Fi公司都寄希望于用扩大AP数量的方法来解决问题;再加上有些商家或企业为了招揽顾客会自行动手增设AP来改善网速过慢的问题,其结果就变得更加糟糕了。因为这往往会加重干扰,就好象在同样的空间中增加新的气球,空间将变得更加拥挤,无线网络的性能也会进一步下降。

高密小角度天线:扫清信号干扰效果佳

其实发生问题的关键点已经基本清晰了,那就是干扰,这是一个十分常见且古老的话题,原因就在于其难以解决。但近年来,一种简单且行之有效的解决方案已经在一些大型的体育场馆和车站开始大规模部署。

“2015年北京世界田径锦标赛”就是其中的典型应用案例。赛事期间,现场观众通过免费的Wi-Fi网络在社交媒体上发布观赛感受、分享精彩瞬间,为大赛增添了别样的精彩。据统计,在短短8天内,国家体育场的Wi-Fi网络就共计承载了68万人次的观众接入,累计产生了16.4TB的网络流量,相当于传送了860万张数码照片,或是产生了16亿次社交媒体信息互动。

为此提供支撑的幕后英雄是鸟巢现场使用的一种高密小角度天线部署方案,其效果相比传统方案提升明显,同时这种方案在设备选材上也十分广泛、易于获得。

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2015年田径世锦赛鸟巢使用的华为室外高密部署方案

在类似国家体育场这样的室外高密场景中,这类方案在最终覆盖效果上确实具备明显优势,但当将其移植到室内环境时,却并不是理想的选择——施工和人工成本的增加以及安装对环境的破坏成为了新的问题,这些问题的核心来源于天线。由于天线和AP需要分开安装,所以安装成本和时间几乎是室内AP方案的两倍左右;同时,由于定向天线尺寸远大于1台iPad Air,其还会对安装地点的外观造成较大破坏。

智能天线小型化:室内高密困扰终得解

这个问题困扰了业界多年之后,最终随着华为面向室内高密场景定制的AP4050DN-HD产品的推出而不复存在。

AP4050DN-HD内置智能高密天线,其信号覆盖精准,可有效降低高密场景下AP间的信号干扰,提升无线网络的性能和用户接入体验,非常适用于室内场馆、礼堂和超市等众多高密场景的Wi-Fi覆盖;同时,AP尺寸只有PAD大小、整机重量不到1Kg,以及单台AP安装和调试只需要30分钟,这些都有效节省了设备采购、安装和部署的成本;此外,AP4050DN-HD还支持PoE out功能,可用于AP级联以扩大部署和安装的范围,节省50%的PoE交换机端口占用。

用户超高并发:高密场景最大“拦路虎”

干扰并非是高密场景Wi-Fi部署的唯一困扰,在一些无线环境干净、不存在信号干扰的场景中,还可能隐藏着另一个更大的“拦路虎”,那就是终端高并发率。一般而言,在车站、商场和球场等这类高密场景,虽然人数很多,但并非人人都有联网需求,因此终端并发率通常会维持在30%左右;但在多媒体教室和电子课堂这类特殊场景,由于电子书包等业务的出现,几乎所有人都需要同时接入网络,这会将终端并发率提高到接近100%。在AP性能相同的情况下,用户在这两类不同场景中的业务体验将会产生很大差异。

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电子书包业务场景终端并发率可接近100%

我们以电子书包业务场景为例,使用一台最高性能为900Mbps的 AP(3空间流)和总计60台PAD终端(单空间流)进行测试,当终端并发率为30%时,并发终端数为18台,单终端平均可用带宽为6Mbps左右,整体吞吐量为110Mbps;当终端并发率为100%时,并发终端数为60台,单终端平均可用带宽为1.2Mbps左右,整体吞吐量只有72Mbps。

上述的测试环境中并不存在严重的干扰,为什么AP的并发用户数从18增长到60后,对应的整体吞吐量会从110Mbps下降到72Mbps呢?这还要从Wi-Fi的数据处理机制谈起。在Wi-Fi的信道使用上采用的是竞争机制,即所有终端竞争一个传输通道,终端数量越多,彼此发生冲突的概率也就越大,简而言之就是千军万马过独木桥。对于并发率达到100%的高密接入场景,AP所承担的压力将达到一般情况下的3倍多,可以说这是高密场景中最难应付的情况。

所以说,Wi-Fi的空口机制本身已经决定了AP射频的多用户性能,从单个射频芯片的角度来看,一块2.4GHz或5GHz射频在30个用户并发时,只能提供1.2Mbps左右的平均可用带宽。那么这1.2Mbps带宽用在电子书包这样的业务场景中会带来什么样的体验效果呢?老师在进行屏幕共享、自动教材翻页和课堂画板等操作时,所有PAD终端的平均时延将达1秒;在推送480P分辨率视频时,所有PAD终端完成视频缓冲并开始同步播放的时间将需要10秒左右,甚至更长。

目前,高分辨率的教学视频下载与播放已成为学生的普遍需求,因此,构建优质的教室无线网络,为终端提供更高的业务能力,以有效支撑各类教学活动的开展已成为教育行业的重点话题之一。

多射频AP:高并发场景解决之道

如何解决高并发场景下用户体验变差的问题?很多人首先想到的就是增加AP数量,这当然可以满足电子课堂业务的终端带宽要求,但也会带来如下两个现实问题:

  • 网络部署成本翻番:一个教室部署两台AP,相比单台AP,其设备采购成本、施工成本和配套传输/供电成本都将翻番,从而带来了较大的成本压力;

  • 管理运维难度增加:AP数量翻番后,管理节点数量和工作量也同步翻番,对于学校本已捉襟见肘的网络运维力量提出了更高要求。

那么有没有更优的解决方案?回到Wi-Fi的空口机制,AP射频的整体性能随着并发终端数的增加而逐渐下降,那么减少单射频下的并发终端数就应该可以减少终端的冲突概率,进而减少冲突导致的空口开销,从而提升AP射频的整体性能和单终端性能。例如电子书包业务,可选用支持3射频的AP,然后将单射频并发用户数从30减少到20,如此单终端平均可用带宽将从1.2Mbps提升到2.5Mbps以上(具体数据与AP能力和现场环境相关)。相比单教室部署两个双频AP的方案,3射频AP覆盖单教室方案可节省设备采购、安装和配套的成本(包括交换机端口数以及功耗等),并简化网络和设备的日常运维与管理。

华为推出的AP4030TN就采用了2.4GHz/5GHz+2.4GHz/5GHz+5GHz的3射频设计,其中两个射频支持SDR(软件定义射频)技术,可实现射频工作频段从2.4GHz到5GHz的灵活切换。3个射频同时进行业务覆盖,提升了多用户并发处理能力和单用户业务性能,单台AP可最大支持100个用户并发,单用户平均可用带宽为4Mbps,完全可以满足同时向100个用户进行高分辨率视频的推送和视频点播的要求(包括720P和1080P等高清视频)。借助SDR技术,AP可满足不同终端类型的场景需求,并可灵活适应终端变化;同时通过提供多个5GHz射频的业务接入,还可以充分发挥5GHz频段可用信道多、信号干扰低和业务带宽高等突出优势。


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