基于WLAN构建无线城市的规划设计分析

王瑞峰

（中国移动通信集团设计院有限公司北京分公司 北京 100038）

基于WLAN构建无线城市的规划设计分析

王瑞峰

（中国移动通信集团设计院有限公司北京分公司 北京 100038）

发展WLAN业务，使用高速宽带无线技术覆盖城市热点地区，随时随地向公众提供基于无线终端的网络接入服务，对于实现无线城市，提高城市化水平具有重要意义。本文简单介绍了WLAN产业发展现状，分析了WLAN热点选取策略，深入研究了WLAN规划设计的原则和方案。

无线城市；无线局域网；规划设计

1 引言

所谓“无线城市”，就是利用高速宽带无线网络把一座城市覆盖起来，实现网络和应用的无处不在。对于建无线城市而言，有五大条件需要具备，即技术条件、网络部署、运营模式、市场需求以及终端支持，其中关键在于网络部署和运营模式。随着用户对移动宽带的需求日益强烈，带来了数据流量的剧增。宏网络逐渐成为业务发展的主要瓶颈，由于数据业务的不均衡性，热点区域尤为突出。传统方案即通过扩容来加大覆盖，势必带来成本压力，运营商希望寻找一种低成本接入方式卸载流量。鉴于WLAN技术在带宽高、成本廉价和应用普及等方面具有独到优势，WLAN为固定宽带接入和移动数据业务形成有效的补充：对于固定宽带接入业务，WLAN可以提供最后一百米接入的无线延伸，大大方便用户的使用，使固定宽带接入移动化；对于移动数据业务，将3G和WLAN融合，从而使得终端既能够通过WLAN访问大流量的Internet业务，以减少对3G的带宽压力，又能够通过WLAN访问运营商的PS域业务（如MMS、手机邮箱、手机下载等），并可以利用3G的电信级能力补充WLAN功能（如认证、计费、精细的业务控制）。

因此，发展WLAN业务，对于电信运营商发展宽带战略，在全业务运营环境下树立宽带竞争优势，实现固网和移动业务融合具有重要意义。可以借助WLAN来促进固网宽带和移动数据业务的发展，提升客户体验，增强宽带业务的品牌优势，对提高宽带市场份额，拉动宽带用户增长和宽带业务收入有着积极的促进作用。同时，将3G和WLAN融合，利用3G网络提供语音和数据业务，WLAN网络为数据业务提供补充，最终可以提升用户的体验，降低建网成本，增强竞争力。

2 WLAN产业发展现状

WLAN是利用无线技术在空中传输数据、语音和视频信号。作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网把个人从办公桌边解放了出来，使他们可以随时随地获取信息，提高了员工的办公效率。此外，WLAN还有其他一些优点。它能够方便地实施联网技术，因为WLAN可以便捷、迅速地接纳新加入的雇员，而不必对网络的用户管理配置进行过多的变动。WLAN还可以在有线网络布线困难的地方比较容易地实施，使用WLAN方案，则不必再实施打孔敷线作业，因而不会对建筑设施造成任何损害。目前，无线局域网有许多标准，比如IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、蓝牙、HomeRF等。目前,国内国际上采用的无线局域网技术主要是由思科、3Com、Promix、英特尔和杰尔公司共同创立的802.11b标准，传输速率为11 Mbit/s。

全球无线城市建设的浪潮同样影响着中国，随着“智慧城市”、“无线城市”纷纷写入各地“十二五”规划，带动了国内众多城市重点地区布局“热点”的积极性，同时，国内自主品牌设备商积极配合以及产业链其他各方的积极合作，WLAN整体市场稳步增长。中国WLAN设备市场增长迅速，近几年来，以公共运营为主、行业和家庭市场为辅的市场格局逐渐发生着转变，行业及家庭市场发展加快。越来越多的企业配置了具备移动功能的数据设备，接入WLAN的需求愈加强烈，推动了WLAN设备的迅速增长。2008—2010年，WLAN市场以网络建设为主要特点，运营市场发展较为平稳，保持了40%左右的增长速度。随着网络建设的逐渐完备及运营商业务的推广，运营市场将于2011年开始实现55%以上的增长速度,预计2011年中国WLAN总体规模将达到85.3亿元人民币。中国WLAN市场发展的驱动因素主要来自以下几个方面:

·互联网网民数庞大，为WLAN提供了巨大市场空间；

·无线宽带用户攀升，拉动WLAN需求强劲；

·城市信息化进程带动；

·设备价格下降降低运营商部署成本；

·WAPI成为国际标准，推动我国WLAN运营市场。

中国WLAN运营市场，基础运营商是主要的市场主体。统计数据显示，截至2010年底，中国电信的WLAN热点超过10万个，中国联通有3万个。中国移动在2011年4月初提出计划在3年内将全国范围内的Wi-Fi热点数量增加至100万个，从3月开始，中国移动启动甘肃兰州、重庆、四川、西安多个“无线城市”的建设。

3 WLAN热点选取分析

目前，由于WLAN系统的大规模建设已经铺开，WLAN的热点选取规划已经成为工程建设前期的重点，既要考虑到热点的数据流量情况，更要以市场为主导，结合当地经济、用户生活习惯、集团客户需求等多方面考虑，选取最有可能发生WLAN业务的区域来部署热点。只有这样，才可能让投入获取回报，形成良性循环。

根据WLAN用户流动性强等特点，结合客户实际需求，WLAN热点优先级别定义见表1。

热点区域需要进行有针对性的覆盖，而不是整个热点全覆盖，下面分情况进行举例说明。

·对有上网需求的公共区域进行重点覆盖，如酒店大堂、会议室。

·对于已有免费固定上网服务的区域可不覆盖，如酒店房间。

·对于无上网需求的区域不进行覆盖，如电梯、地停。

具体几种类型热点覆盖建议简单分析如下。

（1）大学及专业院校

大学及专业院校热点属于大型、综合性热点，热点内通常包含有教学楼、图书馆、食堂、学生公寓、教师宿舍、体育馆、操场等室内外场所。对教学楼、图书馆和学生公寓等无线上网概率较大的区域进行重点覆盖；对宿舍楼等有线上网方便的楼宇进行次要覆盖；对食堂、体育馆、操场的覆盖可依学校具体特征来确定，如部分学校食堂在用餐时间之外可供学生看书用，可对这类食堂进行重点覆盖；部分学校体育馆比较简单，对WLAN业务的需求不高，此外操场、草地等室外区域的覆盖以信号覆盖为主，容量设置在其次。

表1 WLAN热点优先级别

（2）重要交通枢纽

重要交通枢纽这类热点的人流量比较大，但人流存在分区域特征，如汽车站/火车站的乘客等候区、餐饮场所客人坐席、体育馆看台等区域，人流较大也存在短时间个人位置稳定性，这类热点的人流密集区域属于重点覆盖对象，以室内覆盖为主。

（3）大型会展中心

大型会展中心这类热点通常面积较大，比较空旷，用户密度较高，场馆内部环境可能因展会不同而发生较大变化，以室内覆盖为主；对于会议室、多功能厅的覆盖可利用房间的分隔进行小区域覆盖。

（4）电脑城、手机城、电器卖场

电脑城、手机城、电器卖场这类热点通常总体面积较大，热点区域集中，有数据业务需求，而有线接入资源不足，以室内覆盖为主。

（5）重要写字楼、集团客户办公区域

重要写字楼、集团客户办公区域，其特点是部分写字楼层较高，大楼内可存在办公区、会议厅、休息区、餐厅等，需针对会议厅、休息区、餐厅进行重点覆盖，办公区进行次要覆盖，以室内覆盖为主，对较难通过室外覆盖室内的方式完成信号覆盖，可结合室内分布系统实现覆盖。

对AP、AC的组网原则，AP主要部署在各个热点地区，如校园、机场、星级酒店、写字楼群、商务区、会展中心以及其他商务人员经常聚集的公共场所。对于有蜂窝基站的区域，可优先考虑蜂窝基站共址。按照AC的布放方式分为串接和旁挂两种。按照AC的组网拓扑分为分布式和集中式。分布式是通过在WLAN的热点地区部署AC，通过AC管理该热点地区的AP，通过汇聚后接入BRAS，AC构成分布式部署。集中式是通过在城域网或者BRAS旁挂方式来部署AC，集中控制本厂商的多台AP设备，要求集中式部署的AC容量较高。根据业务的特点和网络的规模选择AC布放的方式。如果热点地区接入用户少，建议采用集中式设置，以便于集中维护和管理，降低成本；如果热点地区的用户多，建议采用分布式设置，利于负载分担。

4 WLAN规划设计原则

WLAN网络规划流程可以分为调研及勘查、覆盖设计、频率规划、容量规划、网络优化等步骤。

通过调研了解客户需求，明确网络覆盖目标、应用背景，分析用户对象群及数量、业务特征等；并对WLAN覆盖现场进行勘查，获得现场环境参数、传输及点位等资源情况。在此基础上制定合理的WLAN网络规划总体原则和策略。

覆盖设计阶段首先确定WLAN网络的覆盖方式，即采用室内还是室外覆盖方式、单独建设还是与移动通信网络合路等。确定覆盖方式之后根据现场环境参数进行链路预算，在此基础上初步确定AP点位及数量。在有条件的情况下，进行WLAN仿真，预测规划效果，并根据仿真结果进行调整，直到各项参数达到目标值。

覆盖设计之后根据前面确定的AP点位及数量进行合理频率规划，规避频率干扰，力求将干扰降到最小。若频点始终无法合理规划，需重新调整AP的点位及数量。

然后根据用户需求进行容量规划。容量规划与频率规划是相互关联又相互制约的，提升容量将增大干扰，降低干扰又会减少网络容量，容量规划的目的就是找到容量和干扰整体最优的结合点。

最后，在WLAN网络建成之后，进行实际的测试，做相应的优化调整，使网络性能达到最优。

当然，WLAN网络规划的这几个步骤之间是相互关联、不可分割的，进行实际规划设计时应综合考虑这几方面，这样才能减少网络规划的往复次数，并使最终的WLAN网络性能接近最优。

4.1 调研及勘查

前期调研和规划是网络规划的基础，是获得规划输入参数的过程。调研阶段需与运营商进行良好沟通，以确定准确的覆盖目标、网络设计容量以及网络的预期质量。

由于WLAN信号在空间衰减较快，且WLAN多应用于室内环境，建筑结构、房屋材质对WLAN信号的影响很大，需进行现场的勘查，为WLAN的规划、仿真做好前期准备。另外，WLAN使用的是非授权频段，前期勘查的另一目的是确认附近是否有干扰源，是否需要与其他运营商或企业商议频率问题或采取其他干扰规避措施。

4.2 覆盖设计

4.2.1 覆盖方式

WLAN网络大体可以分为以下2种场景、4类覆盖方式：一种为室内覆盖，单独建设方式、共用室内分布系统建设方式；另一种为室外覆盖，室外型AP覆盖方式、Mesh型网络覆盖方式。

（1）室内单独建设方式

这是目前最简单、应用最广的WLAN建设方式。

采取单独建设方式时，主要根据WLAN的覆盖和容量需求在相应的位置布放，并将走线长度控制在允许范围内。随后的链路预算只需计算空间损耗即可。

一般来说，单独布放点位选择比较灵活，基本可以使用适合WLAN覆盖的最佳点位，并且由于使用了较多的AP，可以获得较大的网络容量。

（2）共用室内分布系统建设方式

目前很多高档写字楼已经进行了移动通信的室内分布系统建设，在引入WLAN时可以考虑采用共用室分系统的建设方式；另外，没有室分系统的楼宇在规划建设室内分布系统时可以将WLAN信号一同考虑。

如图1所示，将WLAN的无线射频信号通过合路器馈入室内分布系统，各频段信号共用天馈进行覆盖。

由于WLAN设备输出信号强度较小，一般采用后端合路，使AP尽量接近天线。

共用室内分布系统的优点在于：可以充分利用原有资源，工程量较小，经济快捷。另一方面，应注意WLAN使用与原有系统不同的频段，需更换支持2.4 GHz的元器件，需重新进行链路预算。共用室内分布系统时天线点位可能不是最优的；且由于使用的AP较少，网络容量较低。

（3）室外型AP覆盖方式

对于居民楼、校园等以覆盖需求为主的地区，可以使用室外型AP进行覆盖。采用室外型覆盖方式建设速度快，网络维护简单，投资少见效快。但应注意下面几方面问题：室外WLAN信号和室内WLAN信号之间的干扰；WLAN为共享带宽，无法保障单个用户的带宽；室内WLAN信号的覆盖效果。

（4）Mesh 型网络覆盖方式

对于室外较大面积（如城市、校园等）的WLAN覆盖可以采用Mesh型网络覆盖。Mesh技术采用网状网结构，通过若干个基于无线互联的AP群对目标区域进行覆盖，并将数据回传至有线IP骨干网。

此种建设方式部署灵活、建设快捷，对传输等资源需求较少。部署时应注意频率规划及对周边WLAN网络的影响。

4.2.2 链路预算

在确定WLAN网络部署方式之后，就要进行链路预算。

设发射机的输出功率为 Pt，空间路径衰耗PL（d），电缆及各类器件的损耗Ls，发射天线增益为Gt，接收天线增益Gr，则接收机接收的功率电平Pr可用式（1）表示：

根据此式可以计算得到各处的接收电平，进而确认AP覆盖范围。

图1 共用室内分布系统型

下面讨论在室外、室内的WLAN信号传播损耗。

（1）室外环境

无线局域网小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间传播模型。2.4 GHz自由空间电磁波的传播路径损耗符合：

L0(dB)=92.4+20 lg(d)+20 lg(f)

其中L0为自由空间损耗；d为传输距离，单位是km；f为工作频率，单位是GHz。

（2）室内环境

选取衰减因子模型作为室内无线传播模型，其表示式为：

其中 PL(d0)=20 lg（4πd0/λ），一般取 d0=1 m，当频率为2.45 GHz时，其值为40 dB；NMF表示基于测试的多楼层路径损耗指数。典型建筑物的路径损耗指数见表2。

表2 典型建筑物的路径损耗指数

经过链路预算，可以初步确定AP的点位。

4.2.3 仿真

通过手工计算链路预算比较繁琐，目前有很多公司开发了针对WLAN规划的仿真软件，规划效率较高，方案修改方便，且链路预算更为准确、直观。

通过软件，可以将实际的环境中各项参数在仿真中体现出来，包括房屋构造、墙体材料、门窗位置、家具布局等，再现一个近乎实际的场景。仿真后可以得到信号强度、信噪比等多项指标，通过结果可以对网络进行重新调整和仿真。部分仿真软件甚至能够根据客户需求自动进行WLAN规划。

4.3 频率规划

IEEE 802.11b/g设备使用2.4～2.4835 GHz频段。工作频率带宽为 83.5 MHz，划分为 14个子频道，每个子频道带宽为22MHz；互不干扰的子信道有3个，如图 2所示。

图2 频率规划

图3 理想的WLAN部署情形

与蜂窝网类似，3个互不干扰信道可以进行频率复用，但应确保使用同一信道的AP之间应有足够远的距离，避免干扰。理想的WLAN部署情形如图3所示。

AP覆盖区域之间应有重叠区，以保证无缝覆盖和适应负载均衡。

4.4 容量规划

随着WLAN的普及，出现了一些用户密集的热点区域，这些区域是WLAN设计的难点和重点。下面讨论AP接入能力、干扰对WLAN速率几个方面的影响问题。

（1）单 AP接入能力

由于WLAN采用CSMA/CA机制，如果接入用户过多，那么同一时刻发生冲突的概率明显增大，也必定会延长每个用户等待的时间，而使得系统带宽闲置；如果用户超过一定的限度，会导致系统的瘫痪。工程设计上一般每AP接入用户数在20～30台应该比较合适。

（2）信道干扰

经过测试，使用2.4 GHz频段的设备中，蓝牙等小功率设备对WLAN的影响很小，可以忽略；微波炉等大功率设备对WLAN的影响较大，在网络设计时应注意远离此类设备。图4是微波炉对WLAN（802.11b）传输速率影响的曲线图。

从图4中可以看出，WLAN设备靠近干扰源时，传输速率迅速下降。

图4 微波炉对WLAN（802.11b）传输速率影响的曲线图

·同道干扰

WLAN采用的直接序列扩频技术的扩频码是标准的，不同的设备使用相同的扩频码，因此相邻小区不能使用相同频率，否则将造成同频干扰。图5和图6分别是相距 40 m的两个 802.11b的 AP使用 1、6信道和 1、1信道时的网络吞吐量。

在使用非干扰频段时，两AP总吞吐量可以接近11 Mbit/s；在同频时总吞吐量不足6 Mbit/s，此时2个AP与非干扰情况下1个AP的吞吐量接近。所以，在有限范围内单纯采用增加AP的办法是无法提高网络容量的。

图5 两AP分别使用1、6信道

图6 两AP均使用1信道

·邻道干扰

两信道中心频率小于25 MHz时，信道之间存在重叠区域，会有部分干扰。图7曲线是两AP信道间隔分别为0～5情况下的总吞吐量曲线。

图7 两AP信道间隔分别为0～5情况下的总吞吐量曲线

使用邻频可以增加可用频点数，但会引入干扰，工程上一般仍采用1、6、11三个完全不干扰的频段。对于使用邻频的能否使系统总容量得以提升、提升效果还有待进一步的试验来验证。

通过规避干扰提升网络容量，尤其是在小范围提供大容量的无线局域网是WLAN设计的难点。针对干扰规避和容量提升，业内主要有如下几种建议：充分利用天然隔断（如建筑物、墙体等）、使用802.11a、降低AP发射功率、使用扇区天线或智能天线。

利用隔断进行频率复用是WLAN网络规划的基本方法，802.11a的使用主要受限于用户发展，这里都不再赘述。下面针对后两种建议进行简单讨论。

（1）降低 AP 发射功率

降低AP发射功率可以减少AP的覆盖范围，从而增大频率复用度。降低AP发射功率，可以减少AP之间的相互干扰；但是，STA的发射功率一般为30 mW，部分STA设备的功率用户是无法控制的，所以AP与STA之间、STA与STA之间的干扰依然存在，所能带来的容量提升也有限。

（2）扇区天线，智能天线

此技术用于蜂窝网络，使容量得以提升。WLAN使用扇区天线或智能天线，可以减少AP之间以及STA与AP之间的干扰，在一定程度上能够提升容量。但是STA均使用全向天线，功率不可调，STA之间的干扰依然无法避免；另一方面，WLAN覆盖半径一般不会大于200 m，在室内或是地形、地物复杂的情景下，折射、反射等因素使得在如此小范围内精确控制天线方向图比较困难，使用扇区天线或智能天线带来的容量提升就会大打折扣。所以，目前定向天线更多地应用于信号回传和增大覆盖范围。

4.5 网络优化

在网络规划设计及建设完成之后，需要对实际网络质量进行测量，并根据测量结果对网络进行调整，以确保信号强度、干扰等指标达到目标值。

5 结束语

作为一种技术成熟、用户认知度较高的无线宽带接入技术，WLAN为固定宽带接入和移动数据业务形成有效的补充，在对WLAN的热点选取规划时要以市场为主导，合理地选取最有可能发生WLAN业务的区域来部署热点，才能有效缓解3G网络在热点区域的带宽压力。同时将WLAN和3G网络有机地结合起来，促进固移融合业务的发展，提升用户体验。

2011-06-09）