浅析WLAN室内外覆盖解决方案

2011-09-20中国通信建设集团设计院有限公司第二分公司

智能建筑与智慧城市 2011年9期

文｜中国通信建设集团设计院有限公司第二分公司张博

1 WLAN网络规划流程

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、网络优化几个步骤。

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，是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，进行规划设计时应综合考虑这几个方面，这样才能减少网络规划往复次数，并使最终的WLAN网络性能达到最优。

2 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的沟通，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信号在空间上衰减较快，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。

在WLAN的设计中，无线环境的勘查是一个非常重要的环节，主要勘查三个重要的因素：覆盖的范围、流量及负载和应用需求。

首先要进行的是RF的勘查。由于无线信号是在空气中直线传播的，无线电波传输、接收数据的能力及传输速度都受到周围环境中各种物体的影响。

无线信号每遇到一个障碍物，就会被削弱一部分；尤其是浇注的钢筋混凝土墙体。实验表明，在10m的距离，无线信号穿过两堵砖墙后，仍然可以达到标称的最高传输速率，但再穿过一层楼板后，传输速率将只有标称速率的一半，可见，钢筋混凝土墙体会极大地削弱无线信号。另外其他一些建筑物的材质，也是无线信号衰减的杀手。

可以将AP置于相对较高的位置，可以有效地消除AP与无线终端之间固定的或移动的遮挡物，从而能够保证WLAN的覆盖范围，保障WLAN的畅通。

减少无线干扰问题从下面几个步骤着手：

第一，分析WLAN射频干扰的可能性。

第二，移除WLAN射频干扰的来源。

第三，调整AP的频谱波段。

第四，采用IEEE 802.11a标准。

IEEE 802.11a采用5GHz频谱，在短、中期内，这段频谱的干扰将远较IEEE 802.11b所使用的2.4GHz小。

（1）确定覆盖范围

RF勘查之后就是确定覆盖范围，由此确定需要部署AP的个数。无线信号的重叠是非常重要的，它保证漫游的顺利实现，但是它们必须工作在不同的信道上，减少干扰的发生。WLAN的应用场合主要是在大楼内或大楼间，因此，建筑物的体积、布局、建材及办公环境内各式各样的干扰源都是影响信号传输质量的因素。同样的一套WLAN设备，在一个地方信号有效传输距离可能是100多米，换个地方可能连50米都不到。所以，在确定AP位置时，设备的标称值只能作为一个大致的参考，精确的位置必须要通过场地信号强度测试仪和比较试验来确定。许多网络厂商都有面向企业的场地信号强度测试产品，效果都不错。

场地信号强度测试工具的种类很多，有基于笔记本电脑、袖珍PC的，也有基于PDA的。基于袖珍PC的测试工具用起来比笔记本电脑灵活，但功能和适应性稍差。如果选用基于PDA的测试工具，最好能接标准PC卡的测试产品，因为在标准PC卡上附加无线收发功能已是时下流行的做法。场地信号强度测试工具比较知名的品牌和型号有：思科的Aironet NIC、Symbol Spectrum 24及Agere Orinoco。

（2）流量及负载

一个典型6MB带宽的IEEE 802.11b无线频道可以支持30～50个或更多的用户。对于某些特别重要的应用或用户，可以考虑配置带流量优先级管理功能的AP，也可以选配第三方厂商具有同类功能的独立的产品，但成本要高一些。

另外，WLAN的优化设计不仅要从覆盖范围的角度来考虑，还要考虑其负载能力，以保证服务质量。以布置WLAN为例，假设实际的需求是要保证30个员工同时使用公司视频服务器，一个AP不能满足要求，需要在同一教室里面布置两个AP。由于用户需求是动态变化的，AP的实际负载可能会加重或减轻，这些变化可以通过对WLAN监视得知。网络管理员应根据实际变化对AP的数量和分布做出调整。

（3）需求及应用

WLAN的部署一定要考虑用户的需求和具体应用，而不同的需求和应用则采用不同的WLAN设计方案。例如，咖啡店的WLAN使用者可能是部分年轻人，这些人上网喜欢聊天、网络游戏和语音对话；而旅馆多是商务人士，商务人士更可能的是连接公司的企业网、收发电子邮件和处理商务等。

在进行环境勘查时，一定要了解用户在WLAN上将运行哪些应用，这也决定了网络的带宽。

总之，良好的WLAN设计不仅可以保证较好的服务质量，也可以减少AP的使用数量，从而节约成本，其前提是事先经过充分的实地测量和评估。

3 WLAN网络设计原则

系统室内覆盖采用新建（改造）综合分布系统或室内独立AP放装方式进行覆盖。

已有室内分布系统的楼宇，宜改造原有系统，引入WLAN信号合路覆盖。

设计应遵循以下原则：

（1）室内综合分布系统应做到结构简单，工程实施容易，不影响目标建筑物原有的结构和装修。

（2）室内无线综合分布系统应具有良好的兼容性和可扩充性，应满足CDMA、PHS、WLAN等系统接入要求。

（3）目标覆盖区域内应避免与室外信号之间过多的切换和干扰，避免对室外AP布局造成过多的调整。

（4）系统拓扑结构应易于拓展与组合，便于后续改造，引入移动业务、增加AP等。

（5）应根据链路预算和原室内分布系统结构，合理选择合路节点的安装位置，在满足WLAN覆盖/容量要求的前提下，尽量减少合路节点。

（6）室内分布系统信源AP安装位置应满足便于调测、维护和散热的需要，设备周围的净空要求按设备的相关规范执行。

（7）室内分布系统信源AP供电宜采用本地供电方式。

（8）对于覆盖面积小且布放线缆传输困难的热点区域，宜采用多AP直接覆盖热点区域，AP可视现场环境外置挂放或内置于吊顶中。吊顶安装应注意满足维护需要。

（9）对于已有分布系统需合路WLAN的，应确认现有系统对WLAN频段的兼容性，若原系统不支持该频段，应进行改造。

4 WLAN室内外覆盖设计如图1所示

4.1 覆盖方式

4.1.1 自治式组网

由胖AP构成。适用于用户量少、AP配置不多的场所，如咖啡厅、西餐厅/快餐连锁店等小型公共热点区域，在建网初期或AP数量较少的地市可采用该方式进行组网。

自治式组网方式又分为室内分布型AP设备和室内放装型AP设备。

（1）室内分布型AP设备如图2所示

对于建筑面积较大、用户分布较广且已建有多系统合用的室内分布系统的场合，如大型办公楼、商住楼、酒店、宾馆、机场、车站等场景宜选用室内分布型AP设备。该类型设备接入室内分布系统作为WLAN系统的信号源，以实现对室内WLAN信号的覆盖。

（2）室内放装型AP设备

对于建筑结构较简单、面积相对较小、用户相对集中的场合及对容量需求较大的区域，如小型会议室、酒吧、休闲中心等场景宜选用室内放装型AP设备，该类型设备可根据不同环境灵活实施分布，也可同时工作在AP和桥接等混合模式下，如图3所示。

4.1.2 集中式组网

由瘦AP和AC（AP控制器）构成，适用于用户规模较大，AP配置较多的场所，如大型公共场所（机场、会展/会议中心、高校和体育场馆）、政企客户等应用场合，便于控制与管理，并可根据用户群体提供差异化服务。在建网初期，优先选用可进行胖瘦转换的AP进行组网。

图1 WLAN组网方式

图2 室内分布型AP应用场合示意图

图3 室内放装型AP应用场合示意图

对于接入点多，用户量大，且用户分布较为集中的场合下，如学校、大型会展中心等大型场所，宜选用集中控制型AP设备组网，如图4所示。

图4 为集中控制型AP应用场合示意图

4.1.3 Mesh组网

由具有Mesh路由功能（即无线桥接功能）的Mesh 网关和Mesh AP组成，Mesh AP通过无线方式与Mesh网关相连，有线侧结构与上两种组网方式相同，适用于有线难以进入的小区、场所等，如图5所示。

4.2 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可用下面公式表示：

根据此公式可以计算得到各处的接收电平，进而确认AP覆盖范围。

下面讨论在室外、室内的WLAN信号传播损耗。

4.2.1 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。2.4GHz自由空间电磁波的传播路径损耗符合：

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。

4.2.2 室内环境

选取衰减因子模型作为室内无线传播模型，其中PL（d0）=20lg（4πd0/λ），一般取d0=1m，当频率为2.45GHz时，其值为40dB；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如表1所示。

表1 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。

4.3 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。

图5 Mesh组网应用场合示意图

通过软件，可以将实际环境中的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。

4.4 频率规划

IEEE 802.11b/g设备使用2.4～2.4835GHz频段。工作频率带宽为83.5MHz，划分为十四个子频道，每个子频道带宽为22MHz；互不干扰的子信道有三个。

与蜂窝网类似，三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6所示。

图6 理想的WLAN部署情形

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。

4.5 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。下面将围绕AP接入能力、干扰对WLAN速率的影响等的问题进行讨论。

4.5.1 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台左右应该比较合适。

4.5.2 信道干扰

（1）其他设备的干扰

经过测试，使用2.4GHz频段的设备中，蓝牙等小功率设备对WLAN网络的影响很小，可以忽略；微波炉等大功率设备对WLAN网络的影响较大，在网络设计时应注意远离此类设备。

（2）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。

在使用非干扰频段时，两个AP总吞吐量可以接近11Mbps；在同频时总吞吐量不足6Mbps，此时两个AP与非干扰情况下的一个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。

（3）邻道干扰

两信道中心频率小于25MHz时，信道之间存在重叠区域，会有部分干扰。

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。

4.5.3 干扰规避及容量提升

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TEEE 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，TEEE 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。

4.5.4 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30mW，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。

4.5.5 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200m，在室内或是地形、地物复杂的情况下，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。

5 WLAN设备的选型

谈到WLAN（AP、网桥、AC、无线交换机和天线）产品的选购，不仅要对产品的特点有所了解，而且要针对特定的安装要求进行挑选，应从产品性能稳定、安全可靠性、使用方便和性价比等角度来考虑。

（1）功率并非越大越好

WLAN的有效覆盖直径在室内为30～50m，室外可达到100～300m。毫无疑问，覆盖范围越大，用户就可以离AP越远，移动空间也就越大。然而功率过大，则会对人体产生不利的影响。国际标准综合考虑了人体无害的信号最强的功率为100mW，即20dB/m，在满足需要的前提下，AP的功率越接近这个数值越好。

（2）数据传输速率

目前，几乎所有WLAN产品的数据传输速度都能达到11Mbps或者以上，随着IEEE 802.11g产品的推出，54Mbps的产品将会越来越多。但是有一点需要注意，那就是标称的速率和实际使用起来得到的速率可能会有差距，因为它除了受所处环境因素影响外，还受产品质量的影响，产品质量不同，传输速度也会有一定的差距，这一点用户在选购时要注意。

（3）安全性

安全可靠除了包含对人体无害、链路传输稳定之外，最主要的含义就是数据的安全性。但不同的厂商所提供的数据加密技术和安全解决方案不尽相同，现在常用的WLAN安全产品及其方案有很多，如SSID、WEP、MAC地址过滤和IEEE 802.1x/EAP认证。此外，有的产品采用WLAN通信与IP路由相结合的方式：IP的过滤、VPN等。有的产品还采用先进的Stateful Packet Inspection防火墙技术，可以防护DoS攻击，还可以对可能会出现问题的E-mail发出警告通知。在这里要建议的是，用户在购买WLAN产品时最好不要单独购买而要整套购买，这样不但可以解决兼容性问题，而且使设备的性能会发挥得更为出色，安全的解决方案也会更加完美。

（4）管理与易用性

WLAN产品作为一个网络设备，自然需要相应的设备设置。对有些WLAN产品的安装维护比较复杂，没有专业的技术人员就很难完成驱动及其他方面的安装，而有些WLAN产品的安装维护却比较简单，这一点用户在购买时要特别注意。对于一些易用性不好的产品，即使经销商答应帮你安装调试好，也尽量不要购买，因为这样会给以后的维护带来很多的麻烦。当然，对于有专业电脑技术人员的一些大型企业来说，易用性并不是很大的问题，但对于一些如只有十多个人的小型企业或家庭用户来说，就不得不认真考虑这个问题了。

6 WLAN天线选型

很多用户在选择WLAN设备时，往往都会忽略天线问题。其实，细心的用户会发现，要想让你的无线设备传得更远、连接更稳定，在无线设备功率不能随意做到无限大的情况下，优选高增益的天线便能让你的无线设备如虎添翼。

大家知道，无线AP或无线路由器的发射功率一般在100mW以下，网桥（室外无线AP）最大发射功率则在250mW左右，这是出于人体健康安全考虑行业规定的标准，是不能随意提升的。无线信号在传输时还会受到噪音、建筑物、其他同频无线信号、天气等因素的影响，造成无线信号传输效果大打折扣。

而要想改变这种困境，别无它法，只有通过更换天线来解决。多数AP或无线路由器产品在出厂时考虑到成本因素，只采用了增益2～5dBi的全向/定向天线，将这种天线更换为7～24dBi的全向/定向天线，定将大大提高无线设备的覆盖率、传输距离及效果。对于需要上千米外进行无线连接的企业用户，为网桥和无线路由器换置更大增益的室外定向天线、扇面天线亦是提高企业无线网络应用范畴的好办法。

在选择WLAN天线时，主要应关注的参数就是增益和极化方式等。其中天线增益（参数为dBi）是衡量天线性能最重要的参数。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。所以，在1km以上的距离做室外无线传输，要想保证无线传输效果，最好能配置9dBi以上的定向天线。

在极化方式中，一般均采用垂直极化（电场强度方向垂直于地面）的传播方式。此外，还有双极化天线，双极化天线是组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，可大大节省每个无线网络的天线数量，可有效保证接收效果。

此外，对于需要远距离传输的企业用户，可以考虑定向天线，定向天线包含八木天线、平板天线和碟形天线等。八木天线是一种柱形方向的定向天线，由一个有源振子和多个无源振子放置在同一平面上，并且垂直于连接它们中心的金属杆，适合于有多方向定向连接的场合；平板天线主要设计安装在平面上，覆盖半球状的范围；碟形天线是一种凹面的抛物面天线，能够提供较高的增益和较窄的波束宽度，也很适合于长距离的点对点传输。