单通道飞机客舱内高密度WiFi设计布局研究

杨洋 王纪军 杜稀晖

摘   要：随着空中WiFi使用政策的放开，将来航空公司为乘客提供的空中无线接入业务会越来越丰富，能够提供WiFi接入服务的机载娱乐系统（IFE）也将会成为将来IFE系统发展的趋势。本文提出了单通道飞机客舱高密度WiFi布局的方案，并通过大量的实验数据和理论分析对高密度WiFi布局方案进行了评估及优化，最后通过实际验证证明了该方案能够极大地增加用户在机上的带宽，可以满足全舱用户的高清视频点播需求。

关键词：IFE  高密度WiFi  同信道干扰  带内邻信道干扰  带外信道干扰  802.11n/ac  无线带宽  负载均衡

中图分类号：V243.1                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）01（a）-0004-05

Abstract： As the policy permission of WiFi open in air， airline can provide more wireless service in the air. There has the trend that more and more In-Flight Entertainment （IFE） systems will provide wireless access in the future. This paper evaluates and analyzes the flexibility and optimization of High density AP deploy design， and proves that this design can improve the wireless bandwidth performance which can meet all cabin passengers high definition video on demand request.

Key Words： IFE; High density WiFi; Co-channel interference; In-band adjacent channel interference; Out-band channel interference; 802.11n/ac; Wireless bandwidth; Load balancing

随着中国民航局放宽了对于飞机上使用便携式电子设备（PED）的规定，国内航班提供机载WIFI服务的几率将大幅提升。据调查，超过70%的用户希望通过无线终端在机上进行“玩游戏”、“听歌、看电影”的大流量下行数据服务。而要实现以上功能，在目前卫星通信或空地互连带宽资源极其有限的情况下，需要IFE系统能够在飞机客舱内提供足够的无线带宽资源。 对于无线音视频点播服务，如何为用户提供更好的体验，比如是否能够支持全舱所有乘客并发地点播720p高清视频，并能够流畅地播放，为用户提供良好的体验，成为了当前客舱WiFi开放后急待解决的问题。本文针对客舱内无线带宽的问题，先分析了为什么要设计客舱内的高密度无线网络，随后分析了客舱内高密度无线网络所面临的技术问题并给出了相应的设计和规划方案， 最后通过实验验证了该方案的可行性，为客舱无线带宽的扩展及优化提供了可供参考的解决方案。

1  目前客舱WiFi使用现状

当前国内外IFE供应商所采用的客舱WiFi解决方案一般为低密度无线接入点（AP）布局，并且同时提供2.4GHz和5GHz两个频段供乘客接入。但是随着单个AP接入用户数的不断增加，单个AP的实际总带宽性能会急剧降低，以下是802.11ac、2xMIMO的AP在20MHz频宽配置下，AP下行总带宽与接入终端（STA）数量的实验数据关系图如图1所示。

由图1可以看出，随着单个AP接入终端的不断增加，AP下行总带宽会不断下降。造成性能下降的原因是由于WiFi的载波侦听多路访问（CSMA）机制与时隙竞争报文占用了更多的时间和开销，导致单个AP总带宽性能的下降。因此，随着客舱无线接入用户的不断增多，在现有的WiFi技术下，当前客舱无线布局已经越来越难以满足多用户大流量的下行数据要求。从而导致当很多用户同时进行音视频点播时，响应速度慢，播放不流畅，体验较差。为此，本文提出了客舱高密度WiFi布局方案，最大限度地拓展客舱无线带宽，以此来满足客舱WiFi多用户大流量的带宽要求。

2  客舱高密度WiFi布局

在本章节中，着重分析了客舱高密度WiFi布局面临的问题，解决方案，以及客舱内高密度无线网络的规划。

2.1 客舱高密度WiFi布局模型

在该方案中，以窄体机客舱为模型，在客舱内拟每3～4排座位部署1个AP，总共部署大约8～10个AP，如图2所示。

2.2 客舱高密度WiFi布局的问题分析及设计方案

2.2.1 信道规划及信道干扰

在客舱高密度WiFi布局中，由于空间限制，会存在不同信道间干扰的问题，信道干扰会导致无线带宽性能的急剧恶化。因此，需要对信道干扰进行量化评估，以在设计中达到規划信道数量和信道干扰的平衡以满足带宽的最优设计。在信道干扰中，最主要的因素是同信道干扰，带内邻信道干扰，以及带外信道干扰。以下内容通过实验的方式对信道干扰，以及WiFi在客舱内的信号强度分布进行量化分析，并根据分析结果提出了客舱内高密度布局的信道最优规划方案。

（1）同信道干扰分析。

同信道干扰主要由多个AP在相互的信号可探测空间范围内，在相同信道上的通信冲突，其通信协议的载波侦听多路访问（CSMA）机制导致每个AP在单位时间内的带宽急剧下降而导致的干扰。对同信道干扰的影响，我们进行了定量的实验分析。实验结果如表1所示。

从实验结果得知，即便2个AP之间的距离达到10m，并且相互之间的信号强度影响已经衰减到-80dBm左右，同信道干扰导致的总带宽劣化仍然超过40%。从理论上分析，如果想完全避免同信道干扰，工作在同信道AP相互影响的信号强度需要小于-90dBm，即小于802.11n/ac基本连接速率的接收灵敏度以下。

（2）带内邻信道干扰分析。

带内邻信道干扰主要针对在2.4GHz频段范围内，信道中心频率在20MHz频宽内的2个信道之间的相互干扰，如信道1和信道2至信道5之间的干扰。在带内邻信道之间，2个或多个信道在频率上的存在部分重叠，相互会带来很大的干扰，导致信噪比（SNR）或信号干扰比（SIR）降低而引起的带宽劣化。在2.4GHz的所有14个信道中，相邻信道之间存在很大的频率重叠。为了让带内邻信道干扰降至最低，在可用的2.4GHz WiFi频段中，采用1，5，9，13总共4个信道，这样可以在多出一个信道的同时，又保证了带内相邻信道的之间的频率间隔尽量远，从而干扰最小。对于该方案，也进行了实验分析。在该实验中，模拟1，5，9，13在客舱中的信道布局，对2个AP在相互存在邻信道干扰和没有邻信道干扰进行了比较测试。实验结果如表2所示。

从实验结果可以看到，邻信道之间由于噪声干扰仍然有超过10%的总带宽劣化。并且对于第5，9信道，还存在左右2个信道的双倍带内邻信道干扰。

从以上实验数据可以看出，同信道干擾和带内邻信道干扰都会导致总带宽性能的明显劣化，而是否可以避免同信道干扰或带内邻信道干扰，并且能让AP的带宽性能达到最优，关键在于相互干扰AP及终端之间的信号强度是否衰减到其接收灵敏度以下（<-90dBm），同时AP与其本身的连接终端的信号强度是否能够达到802.11ac或802.11n的256QAM或64QAM最高调制速率的信号强度灵敏度。通常要达到256QAM的调制级别需要非常“干净”的无线环境和非常高的信噪比，在实际网络部署中，256QAM并不容易实现。因此，暂且把终端的接收信号强度定为>=-65dBm，即至少达到64QAM的调制级别和尽量高的信噪比。

（3）客舱内无线信号强度分布分析。

假设在窄体机的客舱前后最远距离为25m，那么通过以下理论公式我们可以计算出在客舱内部，距离AP点不同距离的接收信号强度值。

接收功率（dBm）=发送功率（dBm）+ 增益（dB）-路径损耗（dB）

其中，路径损耗包括了固定衰减和空间衰减，空间衰减（Free Space Path Loss）可以通过以下公式计算得到：

Free Space Path Loss [dB]=20*log10（4*π*d*f/c）

式中。

c[m/s]代表真空中光速2.99792458*108[m/s]，d[m]代表传输距离[m]，f[Hz]代表信号频率[Hz]

从以上理论公式计算结果可以得到，当有效发射功率为5dBm，接收信号强度为-65dBm时，无线终端距离AP的最大距离在5GHz频率下为7m左右，在2.4GHz频率下为16米左右，并且客舱内最远距离处的信号强度大于-80dBm。为了验证模拟计算结果，在真实的波音737飞机客舱环境内做了WiFi信号强度衰减实验。实验中，我们分析了2.4GHz和5GHz频段WiFi信号强度在客舱内的分布情况。实验中将AP的发射功率衰减至5dBm，针对AP在客舱中的位置，评估信号在客舱每排乘客座椅中的衰减及强度分配状况。以下是实际测试的实验结果，如图3所示。

通过以上实验结果，测得的实际值分布与理论值基本吻合。从实验结果得知，在以上布局方案中，如果需要无线终端在距离AP为5～8m（约4～10排座位距离AP的最远距离）的覆盖范围内接收功率仍然能够保证达到802.11ac或802.11n的256QAM或64QAM调制速率接收灵敏度-65dBm，那么AP的有效发射功率需要大于2dBm。而以该功率发射的AP在客舱最远距离处的信号强度也会大于-80dBm，仍然远远高于-90dBm，因此必然导致比较大的同信道干扰和带内邻信道干扰。因此，在2.4GHz的频段中，仍然建议采用1，6，11的信道布局，在该方式中，只采用独立的20MHz频宽信道，以最小的信道干扰换取最优的总带宽。在5GHz频段，目前有总共9个20MHz频宽的无交叠信道或4个40MHz频宽的无交叠信道可用，其信道资源远远大于2.4GHz频段。考虑到前面第2节分析，单个AP总带宽会随接入终端数增加而劣化，并且为了满足接入终端更优的信号功率强度以及负载均衡，可以在5GHz的频段中直接采用9个独立的20MHz频宽信道，或信道共享20MHz，40MHz和80MHz频宽进行布局。

（4）带外信道干扰分析。

带外信道干扰主要指中心频率间隔在20MHz或40MHz频宽以上的独立信道之间的干扰。比如，在2.4GHz频段内的信道1和信道6，信道11之间，5GHz频段的信道36，和信道40，信道44，信道48之间。虽然这些20MHz频宽的信道都是独立信道，但由于信道的边带能谱仍然能够进入相邻独立信道的工作频率范围内，从而引起SIR降低。

以下我们通过实验对带外干扰进行评估和分析。在该测试中，2个AP分别工作于信道36和40，以及信道36和48。测试中，通过iPerf工具同时测试AP1和AP2的带宽，在不同条件下的测试结果如下。

（1）AP1工作在信道36，AP2关电条件下，AP1的平均带宽为58Mbps。