高校无线Wi-Fi 6建设解决方案

2020-05-09 15:25:05 浏览数 (1)

科教兴国、人才强国。依据《中国教育现代化2035》战略，为创新人才培养方式，全国高校正在全力推行启发式、探究式、参与式、合作式的教学方式，以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，培养学生创新精神与实践能力。

正如，智慧教室、互动教学、慕课等方式应用，电子大屏、互动终端、移动录播等设备兴起。在课堂，老师采用VR/AR或高清教学视频为学生上课；在图书馆，学生使用自带笔记本观看在线课程。高速无线网络无处不在，高清体验的时代已经到来。

本方案主要介绍以下几个方面的内容：

  1. 无线Wi-Fi 发展简介
  2. 无线Wi-Fi 6的新特性
  3. 高校无线需求新特点
  4. 高校场景化Wi-Fi 6无线建设方案
  5. 高校Wi-Fi 6无线可视化运维

第一个Wi-Fi网络出现在20世纪90年代末期，21世纪初进入快速发展时期。现如今，人们使用移动智能终端越来越频繁，而大多数移动设备没有以太网接口，这使得Wi-Fi已成为移动通信的首选接入技术。Wi-Fi不仅用于家庭，还用于全球的企业和公共场所。

IEEE组织这数10年陆续发布了802.11a 802.11g802.11n802.11ac802.11ax。接下来我们来简单回顾一下Wi-Fi的相关标准。

一、无线Wi-Fi 发展简介

  1. 802.11b IEEE于1999年发布了802.11b标准。802.11b使用与原始802.11标准相同的2.4 GHz频率，采用高速直接序列扩频（HR/DSSS）的简单调制技术，并且使用了补充代码键控（CCK）编码，它支持的最大理论速率为11 Mbps，是802.11正式标准中传输速率最慢的标准。由于802.11b工作在2.4 GHz，家用电器或其他使用2.4 GHz的网络可能会对其造成干扰。
  2. 802.11a 802.11a标准也在1999年由IEEE发布。802.11a工作在不太拥挤的5 GHz频段，使其不易受到干扰。该标准使用与原始标准相同的数据链路层协议和帧格式，但采用了新的基于OFDM调制的空口物理层及最高64-正交振幅调制（QAM）编码，理论最高速率54 Mbps，带宽远高于802.11b。
  3. 802.11g IEEE于2003年发布了802.11g标准，802.11g结合了修正案802.11a和802.11b的功能。802.11g标准采用与802.11a相同的OFDM调制技术，使用64-QAM编码技术，与802.11a一样，它支持最高理论速率54 Mbps。
  4. 802.11n（Wi-Fi 4） IEEE于2009年发布802.11n修正案。802.11n带来了许多新的功能。802.11n支持2.4 GHz和5 GHz两个频段，向后兼容802.11a/b/g，并允许使用更高的40MHz带宽（捆绑2条20MHz信道）在天线部分中引入了一个重要特性——多输入多输出（MIMO），即设备可以使用多个天线同时收发，发射器和接收器中最多4个天线，从而提高了系统吞吐量和稳健性，而不需要更高的带宽或发射功率。使用802.11n标准的设备整机可以达到600Mbps的吞吐量，与之前的协议相比增加了10倍。
  5. 802.11ac（Wi-Fi 5） 802.11ac技术工作在5 GHz频段，协议标准分为两个阶段，包括802.11ac Wave1与802.11ac Wave2，分别在2014年和2015年发布，向后兼容802.11a/b/g/n。支持802.11ac Wave1的设备能够以3.4 Gbps的速度进行传输，而Wave 2设备则能够以6.9 Gbps进行传输，设备的速度几乎是802.11n的8倍。802.11ac增加了MIMO流的数量（从4条到8条），并通过进一步编码性能（高达256-QAM）来提高信道利用率，能够在高达160 MHz的信道上运行。它还引入了下行链路多用户-多输入多输出（DL MU-MIMO）技术提升空口利用率，MU-MIMO允许设备同时向多个终端进行下行传输，最多4个终端同时传输。
  6. 802.11ax（Wi-Fi 6） 802.11ax标准于2019年发布。802.11ax工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段，并且也能够兼容以前的Wi-Fi设备。802.11ax从两个大方面实现了高速率、大并发的性能目标，其中MU-MIMO和正交频分多址（OFDMA）是802.11ax成功的关键。802.11ax可以提供高达9.6Gbps的传输速率。

二、Wi-Fi 6的新特性

  1. Wi-Fi 6相比起Wi-Fi 4/5来说不只是速率更快了
  2. Wi-Fi 6在物理帧、调制、编码、多用户并发等多方面进行了技术改进和优化
  3. Wi-Fi 6的关注点不只是单设备的峰值速率
  4. Wi-Fi 6更关注的是应用、用户体验和整个无线环境的优化

三、Wi-Fi 6提速

  1. 1024-QAM 调制方式决定无线信号子载波单个符号的数据密度，在相同频宽下，使用更高阶的调制技术就能实现更高速率的提升。所谓调制，就是将0、1这种二进制的数据信号转换为无线电波的过程，反之则称为解调，不同调制方式，可以实现的传输能力有很大差异，调制方式越高阶，转换过程中数据密度就越高，Wi-Fi 6引入了更高阶的调制编码方案1024-QAM，对比Wi-Fi 5的256-QAM，1024Q-AM物理层的协商速率提升了25%。那这提升的25%具体是怎么来的呢？下面我们先来看看调制方式和所携带数据密度的计算方式。计算方法很简单，QAM数值是2的N次方，对应的符号位长就是N。因此，64-QAM符号位长6bit，表示一次可传输6bit的数据，256-QAM符号位长8bit，1024-QAM符号位长自然就是10bit，因此可以知道Wi-Fi 6对比Wi-Fi 5的物理层协商速率提升了25%。
  2. 增加数据子载波数量 Wi-Fi 6对子载波间隔进行了重新设计，将子载波间隔从Wi-Fi 5的312.5kHz，变成78.125kHz，即相同信道带宽带(MHz)的情况下，Wi-Fi 6的子载波数量是Wi-Fi5的4倍。通过引入更窄的子载波间隔，让Wi-Fi 6的有效子载波数增加了4.7%，因此效率得到了4.7%的提升，即物理层的协商速率提升了4.7%。由于更窄子载波间隔的引入，也让单帧容量增至原来的四倍（即256个子载波/20MHz），单帧发送时长自然也是Wi-Fi 4/5（3.2微秒）的四倍（12.8微秒），但帧间隔仅为原来的两倍（0.8微秒），即每一帧的传输周期是13.6微秒。综合起来，帧间隔时间开销从Wi-Fi 4/5的11.11%【0.4/(3.2 0.4)=11.11%】降低到了5.88%【0.8/(12.8 0.8)=5.88%】，因此Wi-Fi 6的整体效率再提升5.88%，即物理层协商速率提升了5.88%。

四、Wi-Fi 6高密接入

在Wi-Fi终端大规模普及的当下，多终端接入同一Wi-Fi网络的场景可以说是无处不在，针对这种高密度接入场景，以往的技术总处于束手无策的状态。那针对这种高密度接入场景Wi-Fi 6又有什么解决妙招呢？这就得看Wi-Fi 6使用的MU-MIMO和OFDMA技术了。

  1. MU-MIMO（多用户多进多出） MIMO技术，即多天线同步收发，通常以I×O来标识接收/发送的天线数，通过MIMO技术改善了单终端的传输效率和质量。传统MIMO技术严格来说也叫SU-MIMO（Single-user MIMO，单用户MIMO），虽然它支持多天线同步传输，但在同一信道同一时刻，无线AP只能与一个终端通信，即多终端之间仍为串行传输。 MU-MIMO技术在Wi-Fi 5的Wave2阶段已经有所使用，不过只能使用在AP的下行方向，算是不完整的MU-MIMO。Wi-Fi 6技术使用了完整的MU-MIMO技术，同时支持上下行8×8的MU-MIMO。 Wi-Fi 6在Wi-Fi 5下行MU-MIMO的基础上新增上行MU-MIMO，同时也把Wi-Fi 5最大支持4×4的下行MU-MIMO提升到最大支持8×8的上下行MU-MIMO，与Wi-Fi 5相比，下行链路容量增加了2倍，上行链路容量增加了8倍，从而大幅提高无线接入总容量。
  2. OFDMA（正交频分多址） Wi-Fi从802.11a（1999年发布的第三代Wi-Fi协议）开始就采用OFDM调制作为核心信道调制方案，Wi-Fi 6在OFDM的基础上加入多址（即多用户）技术，从而演进成OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）。 以往我们熟悉的OFDM调制其原理是将信道切分为子载波，但单一信道内的子载波须同时使用。OFDMA调制则更进一步，将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz宽度)划分成具有固定数量子载波的较小子信道，并将特定子载波集进一步指派给个别STA，从而为多个用户同时服务。 为了方便大家更直观地理解OFDMA技术带来的优势，可以用货车拉货举例对比。OFDM方案是按订单发车，不管货物大小，来一单发一趟，哪怕是一小件货物，也发一辆车，这就导致车厢经常是空荡荡的，效率低下，浪费了资源。OFDMA方案则会将多个订单聚合起来，尽量让卡车满载上路，使得运输效率大大提升。

MU-MIMO：实现物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输（如视频、下载等应用），提升多空间流的利用率与系统容量，提高单用户的有效频宽，同样能降低时延。但运行状态不够稳定，很容易受终端影响。

OFDMA：实现频域空间的多路并发，适用于小数据包的并行传输（如网页浏览、即时消息等应用），提升单空间流的信道利用率与传输效率，减少应用延迟与用户排队。运行状态稳定，不容易受终端影响。

因此MU-MIMO和OFDMA两种方案完全不冲突，在实际使用中也经常是叠加使用。部署时基于每个业务进行资源分配（如网页浏览、视频观看、下载、即时消息等各类业务场景），通过设计合理MU-MIMO和OFDMA能有效降低密集多用户情况下终端上下行随机接入造成的冲突，有效的改善多用户高密度接入场景的使用体验。在实际使用过程中用户无需关心并行传输背后的运行机制，使用时真实的感受就是，再多的终端网络也不卡顿，使用起来真的很“6”。

五、Wi-Fi 6 抗干扰能力

在Wi-Fi信号无处不在的时代，无线之间的干扰也是无处不在的。无线信号的干扰主要有两种：

邻频干扰：相邻频段的无线电波叠加引起干扰，此干扰会导致数据损坏；

同频干扰：虽然不会损坏数据，但会使竞争开销增加。

为了解决CSMA/CA技术在密集AP环境中性能低下的问题，Wi-Fi 6提出了一种信道空间复用技术（Spatial Reuse Technique），这一技术是使用BSS（Basic Service Set，基础服务集合）着色位（Color Bit）来标识这个数据帧属于哪个BSS，因此也被称作“BSS着色”（BSS coloring）技术。

Spatial Reuse（空间复用），也被称作“BSS着色”（BSS coloring），通过此技术可以实现更多同步传输，即AP可以识别两个相距不远但并不相邻的AP和终端设备，能够在同一时间内实现无线并发传输而不会相互影响。简而言之，即对允许接入终端在什么时候传输数据做出更智能的决策，从而提升传输效率；同时通过空间复用技术还可以更快地识别并丢弃接收到的干扰报文，从而大幅度提升在重干扰场景下的性能。

通过“BSS着色”技术，无线传输在其开始时就被标记，这会帮助周围其它设备决定是否允许无线介质被同时使用。即使来自相邻网络的检测信号能量超过传统信号检测阈值，只要适当地减小新传输的发射功率，就允许将无线介质视为空闲并开始新的传输，提高了无线系统的抗干扰能力。

但对于Wi-Fi 6的抗干扰并发增益的获取，并不能单纯地依赖标准制定的着色位（Color Bit）和动态CCA接口去完成，AP还需要能实时感知到周边无线环境和有效的动态空间复用算法，只有两者结合才能更好的来判断收到非本BSS的干扰报文时，自己是否可以发包。

六、Wi-Fi 6 节电管理技术——TWT（目标唤醒时间）

目标唤醒时间TWT(Target Wakeup Time)，这是Wi-Fi 6另一个新增的重要资源调度功能，此功能借鉴于802.11ah标准。“目标唤醒时间(TWT)”就如它的名字描述的一样，允许设备协商他们什么时候和多久进行唤醒发送或接收数据，允许设备在信标传输周期的其他时间段唤醒；此外，无线接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT周期，从而减少唤醒后同时竞争无线介质的设备数量。TWT还增加了设备睡眠时间，在自身的TWT来临之前进入睡眠状态，从而延长电池使用寿命。

TWT（Target Wakeup Time）目标唤醒时间，允许AP规划与设备的通信，协商什么时候和多久会唤醒发送/接受数据，可将终端分组到不同的TWT周期，减少了保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，意味着减少电池消耗并改善电池续航表现，同时也减少唤醒后同时竞争无线资源的设备数量。

未来，智慧建筑场景中的智能水表，烟感，门禁…智能工厂场景的机床、AGV、出入库扫码设备等多种类型智能设备都可接入Wi-Fi。得益于TWT，每台设备可单独建立“唤醒协议”，终端设备仅在收到自己的“唤醒”信息之后才进入工作状态，而其余时间均处于休眠状态，这使得一些需高带宽通信的物联网设备成为可能，比如智能办公设备，TWT可以节省高达7倍的电池功耗。

七、建设高校无线网络，为什么要用Wi-Fi 6

随着教育信息化建设的深入，越来越多的高校师生通过移动终端访问校园教学、生活资源等。为此高校的无线流量有以下突出特点：

  1. 日均访问流量高涨
  2. 视频访问量突发大
  3. 终端访问资源密集

智慧教室、互动教学、慕课等方式应用，电子大屏、互动终端、移动录播等设备兴起。在课堂，老师采用VR/AR或高清教学视频为学生上课；在图书馆，学生使用自带笔记本观看在线课程。高速无线网络无处不在，高清体验的时代已经到来。

八、高校场景化Wi-Fi 6无线建设方案

  1. 教室无线网络建设 场景特点：大开间，人员密集，人均2平方米左右 业务特点：主要为教学类业务，需要通过网络访问教学资源 业务趋势：智慧教室的发展，教学方式的改革朝着强互动方式发展，PAD/VR等终端应用增多，引起高带宽需求 Wi-Fi 6建设方式：每教室部署1台AP，3射频 Wi-Fi6，单教室峰值吞吐可达1Gbps ，承载大带宽内网教学业务，如VR或智慧教室业务。
  2. 图书馆无线网络建设 场景特点：大开间，人员密集，主体为笔记本电脑 业务特点：内网资料查阅，外网教育资源 业务趋势：BYOD终端比例增多，带宽需求增大，物联网应用增多 Wi-Fi 6建设方式：部署3射频 Wi-Fi6 AP 物联网卡，为PC提供高密度和高性能访问，为物联网设备提供局域网接入。
  3. 宿舍无线网络建设 场景特点：密集隔间结构，4人间~8人间 业务特点：主要为娱乐业务，有明显流量潮汐，高峰业务要求大 业务趋势：未来带宽需求进一步提升。当前Wi-Fi 20GB/月，超过LTE 4倍，2022年预计人均需求25Mbps，单宿舍要求100Mbps Wi-Fi 6建设方式：部署面板AP入室，或者采用易管理的智分入室方案，为大流量应用提供低成本、大带宽接入。
  4. 办公科研楼无线网络建设 场景特点：写字楼格局，人员密集度中等 业务特点：多为校内局域网业务，多为PC终端，有一定保密性要求 业务趋势：智能办公设备增多，如会议室投屏等 Wi-Fi 6建设方式：部署普通吸顶AP或面板AP，为PC提供局域网保密性内容访问，为办公设备提供局域网接入
  5. 室外公共区域无线网络建设 场景特点：室外开阔活动区，大型文体场馆 业务特点：多为访问互联网的需求，终端主要是手机 业务趋势：室外无线用户不会特别多，以即时通讯和娱乐为主 Wi-Fi6建设方案：部署Wi-Fi，用于兼容PC等终端的低流量使用，关键区域的热点覆盖

九、高校Wi-Fi 6无线可视化运维

当然，建了好的无线网络并不是高枕无忧了，在日常使用当中还会遇到无线体验不佳等诸多问题。Wi-Fi 6无线可视化运维系统提供基于大数据技术开发的无线AI云智能运维，提升无线体验▽。该服务可基于用户终端、节点设备的24小时网络体验数据，跟踪、评估区域体验、用户体验，问题不用重现即可诊断分析；采用机器学习的智能算法来感知环境变化、体验变化、信号变化，为网络提供聪明的服务；以自检验的闭合系统提供可以持续服务，持续感知问题并提供优化服务。

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