无线AP信号干扰模型构建及应用

王 洋 周兆永

(西北农林科技大学网络与教育技术中心 陕西 杨凌 712100)

0 引 言

随着信息科技的快速发展，无线网络需求量大增，高校部署大量的无线接入点(Access Point，AP)，以提高网络覆盖率。但是当大量AP被密集部署时，信号覆盖区域造成过大重叠。不规范、不合理地部署无线AP，导致同频干扰[1]的同时会使用户体验效果不佳，造成网络资源严重浪费[2]。布设的无线AP密度过大会造成严重的信号干扰，大大增加成本，浪费资源；过小会造成大范围的盲区。因此需要合理布设无线AP，保证无盲区、少重叠，既要满足用户需求，又能保证足够的带宽。

Liu等[3]结合无线AP信号的强度和负载，在终端采用最优无线AP的方法选择接入无线AP，实现了终端最优化接入无线AP。Yiakoumis等[4]对有多个无线AP的场景做干扰分析，将同频干扰划分成不同的覆盖区域进行分析，通过部署无线网络研究了不同频段(5 GHz、2.4 GHz)下无线AP信号的传输质量。张维[5]通过在密集环境中采取抗干扰措施部署无线网络，保证用户正常使用网络。王权[6]结合信号强度、吞吐量以及数据传输速率，在部署无线网络时实现负载均衡的同时保证了网络的传输质量。王俊林[7]在山区不同场景中布设无线网络，分析了信号质量与投资效益之间的关系。杨秀梅等[8]针对校园无线网应用场景提出了无线AP部署方案。付中南等[9]针对体育馆等场景采用大规模超高密度无线网络布设方案，并提出一种量化的无线传输质量评价方法。

目前学者们对于相邻无线AP间信号干扰最弱时的无线AP间距离的研究很少。本文建立了不同功率下多无线AP间的干扰模型，应用干扰模型在不同结构空间中对多个无线AP进行布设，应用无线智能管理平台对布设的无线AP信号进行模拟测试。

1 干扰模型构建

1.1 实验分析

针对相邻无线AP间位置的最优部署，本文设计了如下实验：配置两个无线AP，命名为AP1和AP2，将AP1固定，移动终端测试点放置在距离AP1为1米处，移动AP2。用专业Wi-Fi测试软件测试两个无线AP不同功率下的信号强度RSSI，无线AP间距离用L0表示。作为移动终端(手机、平板电脑等)能联网使用的最低信号强度为-70 dB左右[10]。测试简图如图1所示。

图1 测试简图

不同功率下相邻无线AP间距离最优测试结果如图2所示。

图2 不同功率下两个无线AP之间信号强度与距离关系图

分析图2(a)，由于测试点距离AP1为定值，因此在测试点测试的AP1发出的信号强度变化幅度小，但峰值依然很明显。接收到的AP2信号强度先逐渐减弱，又逐渐增加再逐渐减弱，这是由于随着距离的增加，无线AP信号减弱，减弱幅度明显大于信号干扰程度。当两个无线AP距离为15 m时，两条曲线均出现峰值，这是由于两个无线AP信号干扰此时达到最低；当两个无线AP距离大于15 m时，接收到的AP2信号强度逐渐减弱几乎小于-75 dB，认为此时测试点是AP2信号覆盖范围的盲区。分析图2(b)，无线AP间距离在0～18 m区间内，测试点接收到的AP1信号强度增强，这是由于随着AP2与AP1距离的增加，AP2对AP1造成的信号干扰也逐渐降低，因此在同一位置处用同一设备接收到的AP1信号强度有增强的趋势。虽然两个无线AP间信号互相干扰程度在降低，但是此时接收到的AP2信号强度依然降低，认为在这个距离区间内，测试点距无线AP的距离对接收信号的影响权重要大于无线AP间的信号干扰。当无线AP间距离为18 m时，两条曲线同时出现了峰值，说明此时两个无线AP间的信号干扰最低；当两个无线AP间的距离大于18 m时，接收到的AP1信号基本没有什么变化，而接收到的AP2信号强度在-65 dB左右，说明测试点依然在AP2信号覆盖范围内。同理分析图2(c)和图2(d)，无线AP发射功率为15 dBm，两个AP间的距离在24 m时，信号干扰最弱；无线AP发射功率为20 dBm，两个无线AP间的距离在27 m时，信号干扰最弱。

根据以上分析得到了在办公楼环境中两个无线AP之间的最优距离，如表1所示。该结果为实际工程中部署无线AP提供了参考。

表1 不同功率下无线AP间的最优距离

根据表1数据建立功率与最优距离的关系式：

L0=0.84P+10.5

(1)

式中：P表示功率；L0表示最优距离。

1.2 模型构建

根据图2建立了不同功率下相邻无线AP间距离与信号强度的多项式关系，且拟合值均大于0.9，拟合度较高。

(1) 功率为5 dBm时，相邻AP间距离与信号强度关系式为：

(2)

(2) 功率为10 dBm时，相邻AP间距离与信号强度关系式为：

(3)

(3) 功率为15 dBm时，相邻AP间距离与信号强度关系式为:

(4)

(4) 功率为20 dBm时，相邻AP间距离与信号强度关系式为：

(5)

根据拟合结果，设干扰模型公式为：

(6)

式中：A表示三次项系数；B表示二次项系数；C表示一次项系数；代表随着距离的变化，信号强度变化的快慢；D表示常数项。

干扰模型各项系数与功率的关系如图3所示。

图3 功率与干扰模型中各项系数关系图

可以看出，随着功率的变化，三次项系数以及二次项系数变化不明显，一次项系数以及常数项变化明显，分别将C的绝对值以及D的绝对值拟合后，如式(7)、式(8)所示，且相似值均为1。

C=-0.023P3+0.846P2-9.276P+34.4

(7)

D=0.026 2P3-0.939P2+8.705 3P+17.78

(8)

2 应用实例

在布设无线AP时要遵循以下原则：(1) 根据关联用户需求确定无线AP个数；(2) 按照相邻无线AP间干扰模型以及场景大小确定其部署方案，使盲区范围最小，信号重叠范围最小；(3) 无线AP负载均衡； (4) 无线网用户上网体验效果良好。

2.1 半封闭矩形空间无线AP部署

设定在一个长50 m、宽50 m的室内场景中，需要部署高密无线AP。设用户数为500人，高密无线AP关联用户数最大值为80。

(2) 当功率为20 dBm时，根据相邻无线AP间干扰模型，将P=20代入式(1)，得L0=27.3 m。将P=15代入式(1)，得L0=23.1 m。根据场景大小以及用户多集中在中心区域，因此需要在中心区域布设小功率无线AP，以减小信号干扰，避免出现负载不均衡的情况。

本文从资源均衡利用角度设定了如下方案：

(1) 由于4个角落无线AP距离为50 m远远大于27.3 m，认为4个无线AP之间的干扰可以忽略。在4个角落分别部署功率为20 dBm的放装型AP，将L0=27.3 m代入式(5)，得到RSSI=-57.1 dB>-70 dB，认为此处信号强度强。

(2) 中心布置4个无线AP，功率设为15 dBm，中心AP距角落AP 27.3 m，中心AP间的距离为23.1 m，L0=23.1 m代入式(4)，得到RSSI=-59.8 dB>-70 dB，认为此处有信号。无线AP布设效果如图4所示。

图4 智能无线管理平台模拟AP信号覆盖范围俯视图

由于无线AP部署在顶层天花板上，因此基本上不会有隔离介质的干扰。由图4可以看出，信号强度覆盖了全区域，模拟结果与依据干扰模型计算得到的结果一致，保证了信号强度覆盖无盲区、无死角，同时也验证了所构建干扰模型的准确性。

2.2 阶梯型空间无线AP部署

阶梯教室关联用户数多，因此需要布设多个无线AP。阶梯教室长31.8 m，宽23.1 m。

(1) 设计需求。为实现网络授课、智慧智能教学，在阶梯教室上课的每位师生都需要能连接上无线网络，且无线网络下行速率最低要保证达到100～150 Mbit/s，才能保证师生正常上网络课、看视频。

阶梯教室的容量为200人，无线网络的上行带宽为千兆网。为保证充足的上网速率及容余量，在阶梯教室中布设4个无线AP。为了保证阶梯教室全覆盖，在进门处布设1个无线AP。

(2) 规划需求。为了保证无线AP之间干扰最小，根据相邻无线AP之间的干扰模型把4个无线AP放置在4个对角上。由于在一间教室，没有墙壁的阻碍，将无线AP放置在天花板上，达到良好的覆盖效果。阶梯教室中间放置投影仪，应保证无线AP离这些电子设备足够远，以免信号干扰。

(3) 功率设置。阶梯教室长15.9 m，宽12.6 m，对角线长20.3 m。为了保证4个无线AP能全部覆盖阶梯教室，且信号强度达到最强，重叠区域达到最小，根据式(1)，将无线AP功率设置为15 dBm。

(4) 覆盖效果。根据布设的4个无线AP，图5给出了信号覆盖效果图。

图5 阶梯教室信号覆盖效果图

由图5可知，阶梯教室以及楼道都达到了信号区域全覆盖的效果，且信号强度强，说明无线AP布设效果良好。

3 结 语

本文对无线AP布设的重要性进行了概述，测试了不同功率下相邻无线AP之间信号最强时的距离，建立了相邻无线AP间的干扰模型。结果表明：移动AP的信号强度随着距离的增加而减弱，在某一个距离时信号有增强的趋势，出现峰值，此时信号干扰的程度最低，随后随着距离的增加信号强度减小。在不同的结构空间中应用干扰模型进行无线网络布设，并应用无线智能管理平台进行信号模拟，实现了信号无盲区覆盖，同时验证了所建干扰模型的准确性、可用性。