WLAN农村室外回传覆盖系统方案

沈国峰

（南京东晓通信科技有限公司，南京 210006）

近年来我国农村经济的不断发展，农民生活水平的不断提高，农村数字化应用的需求也在不断提高。利用WLAN技术打造农村信息网络，建设农村无线宽带网络系统，有着无可比拟的优势：建网成本低、一次性投入资金少、运营与维护成本低、建网速度快、高可靠性与超强的可扩展性，不仅可以为农民提供方便、快捷、费用低廉的宽带入户方式，也非常适应农村网络建设逐步发展的需求。

WLAN信号传输通常采用2.4GHz频段进行，但2.4GHz频段信号室外直接覆盖距离较短，一般不能满足农村覆盖需求，本文探讨采用5.8GHz频段室外回传方案进行信号传输，可很好的解决覆盖距离短的问题。

1 农村数据业务特点

1.1 农村环境特点分析

农村环境主要分为重要乡村及一般乡村，各场景业务特点如下：

1.1.1 重要乡村

结构：人口较多，建筑分布比较均匀；建筑面积一般较大，一般有街道及农贸市场；建筑层数较低，一般不高于3层；树木较多，信号直射损耗一般；

楼间距：5～8m；

建筑材料：钢筋混凝土框架、砖混；业务需求：经济发达，需求较高。

1.1.2 一般乡村

结构：面积一般不是很大，人口较少；林木较多，阻挡严重，信号直射损耗严重；建筑楼层一般不高于2层；建筑分布不太规则；

楼间距：6～10m；

建筑材料：钢筋混凝土框架、砖混；

业务需求：经济一般，需求一般。

由上述分析得出，重要乡村人口较多，楼间距要高于一般乡村，信号直射损耗低于一般乡村，业务需求较高。因此重要乡村是农村数据需求的重点区域，在该区域部署WLAN同时采取有效的市场营销方法可以取得良好的经济效益。

1.2 农村业务特点

农村用户大多以使用台式电脑为主、手机使用为辅，主要是进行网页浏览、即时消息、在线游戏、视频下载等，如表1所示。

表1 农村业务特点

2 室外回传覆盖系统方案

2.1 覆盖模型

室外回传的系统覆盖模型如图1所示，中心点AP采用5.8GHz频段回传至中继点AP，中继点AP接收信号后通过2.4GHz频段覆盖用户，用户采用CPE方式接收信号。

图1 回传覆盖模型

2.2 组网方案

根据中心点AP和中继点AP的对应关系，可以有单点回传、点对多点回传、点对点回传3种组网方式。

2.2.1 单点回传

对某个距离较远的村庄覆盖，可采用单点回传覆盖较远的村庄，中心点自身可直接采用2.4GHz频段覆盖，如图2所示。

2.2.2 点对多点回传

1个中心点可以对多个中继点进行回传，实现信号的接力传播，适合中心点资源紧缺的场景。

图2 单点回传

图3 点对多点回传

2.2.3 点对点回传

中心点和中继点一一对应进行覆盖，适合中心点资源丰富的场景。

图4 点对点回传

2.3 供电方式

室外AP通常采用POE供电方式，也可采用交流直接供电方式。

2.3.1 POE供电

POE供电距离不超过100m，一般控制在80m以内。POE供电可分为POE供电模块和POE交换机两种方式。使用POE交换机供电时应注意核算POE供电交换机总输出功率是否满足所连接多个AP的总功率要求，并预留一定余量；且要求POE交换机接地良好。

2.3.2 电源保障

建议重要热点及电力无法保障热点的AP供电需配备后备电源。

2.4 链路预算

WLAN室外覆盖开放空间可以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Ls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。

接收灵敏度公式估算如下：

Pr为接收端灵敏度；Pt为设备射频输出功率；Gt为发射端的天线增益；Ls为收、发端之间的自由空间损耗；Lf为路径损耗。表2为接收端接收灵敏度为-75dBm时不同天线增益下传播小区半径范围。

表2 WLAN室外回传链路预算表

2.5 带宽需求

单用户速率＝（单AP连接速率×传输效率）/（用户数量×用户同时使用率），802.11g AP最大连接速率为54Mbit/s，除去协议开销，每AP最大数据传输速率约为22Mbit/s。

假设某村庄布置一个AP，按每个AP发展15个有效用户计算，并假设所有用户并发使用，此时每用户带宽可以保证1Mbit/s的传输速率，基本达到ADSL宽带接入的速率。

总带宽＝AP数量×单AP平均传输速率。

在此带宽计算结果的基础上，可以预留一定的余量。

2.6 容量测算

WLAN农村室外回传系统按照下列原则计算容量：

2.6.1 参数

业务模型所涉及的相关参数包括：

覆盖区域内的人数；

业务渗透率：即使用WLAN相关业务的人数的比例；有时该参数可用WLAN的终端渗透率代替；

市场占有率：即不同运营商在相关业务中的市场份额；

在线率：由于终端并非一直开机或在线，有时还需要考虑终端的在线率；

并发率：即产生网络流量的用户占在线用户的比例；单用户速率：即并发用户的平均传输速率。

2.6.2 用户数计算

用户数可以用下面的公式计算得到：

总用户数＝人数×业务渗透率×市场占有率。并发用户数＝总用户数×在线率×并发率。最终的用户规模建议在满足规划期需求基础上按70%预留余量，即：

设计容量＝规划期内需求/70%。

结合本地区实际情况对相关参数进行优化组合，但需计算得到最终并发用户数，作为网络容量设计的依据。

3 防雷接地

在室外AP安装中，接地是一个非常重要的环节，接地目的主要有3个：

（1）防止AP带感应电，导致AP出现工作异常；

（2）提高AP抗环境电磁干扰的能力；

（3）提高AP的抗雷击能力。

根据中华人民共和国原信息产业部标准《通信电源设备安装工程设计规范》YD5040-2005，通信局（站）应采用联合接地方式,即通信设备的工作接地、保护接地（包括柜蔽接地和建筑防雷接地）共同合用一组接地体。

按照上述规范，系统联合接地电阻应小于5Ω；如果接地电阻不能达到要求，需采取相应措施以满足接地要求。

4 地磁辐射防护

为防止电磁辐射污染、保护环境、保障公众健康、促进伴有电磁辐射的正当实践的发展，国家环境保护总局于1988年公布并实施了国家标准《电磁辐射防护规定》，其中对移动通信基站系统所使用频段内的电磁辐射防护导出限值的规定如下。

职业照射：在一天8h工作时内，电磁辐射场的功率密度在任意连续6min内的平均值应小于2W/m2（频率为 30～3000MHz）。

公众照射：在一天24h内，环境电磁辐射场的功率密度在任意连续6min内的平均值应小于0.4W/m2（频率为 30～3000MHz）。

对于移动通信基站，以单个系统计，按公众照射功率通量密度限值的1/5，即0.08W/m2作为评价标准。

根据WLAN室外系统本身的特点，可使用如下公式来进行功率通量密度的计算：

Pt为通道发射总功率；Lc为元器件及接头损耗；Lk为馈线损耗；Gt为天线基本增益；r为计算点与天线的距离。根据以上设定可以计算出WLAN系统功率通量密度达到国家规范时的安全距离，详见表3（注：由于表3参数为假定值，供参考，不作为现场判断标准）。

表3 不同型号AP产品安全距离

AP天线可以采用全向或定向，表3针对定向天线作出的计算（全向天线增益一般在8～12dBi，可参照计算）。由上表看出，WLAN室外回传覆盖对电磁辐射安全距离要求不高，一般而言，要求站点周围60m范围内无常住人员存在即可。

5 实验结果及分析

实验环境选择江苏苏北某地市农村，该村庄东西距离约1050m，南北距离约960m，属于典型的重要农村覆盖场景。村民渴望得到互联网信息化服务，由于有线宽带很难接入，因此考虑WLAN无线接入。

设计方案使用位于该村南侧边缘的基站作为中心点，位于基站北侧约550m的1根高度为12m的水泥杆作为至高点，亦即中继点。中心点和中继点之间无阻挡，信号视距传播。中继点周围用户使用网线通过CPE信号接入WLAN网络。设计方案采用单点回传，如图5所示。

图5 设计方案平面示意

单用户采用CPE客户端，测试点距离中继点AP距离约460m，信号也同为视距传播。CPE安装在用户屋檐下，用户通过网线使用计算机连接至CPE，测得AP信号强度为-74dBm，链路质量大于90%，如图6所示。

测得单用户平均下载速率达到221kbit/s，相应带宽则接近2Mbit/s，达到了ADSL用户宽带接入的速率。

图6 AP测试指标

通过采用5.8GHz频段回传技术，本实验方案得出如下结论：

（1）在室外安装CPE客户端，在AP可视范围内，信号覆盖距离接近500m；

（2）室外CPE通过网线与PC有线相连，可以避免室内覆盖引发的穿透损耗；

（3）采用CPE情况下，信号-75dBm以上可得到较高的下载速率，能满足农村用户宽带接入的需求。

6 结束语

文中通过对农村数据业务特点的分析，提出WLAN农村室外回传覆盖系统方案。回传覆盖方案以其技术先进、带宽高而稳定、灵活的拓展性、相对有线网络低廉的一次性费用投入、以及施工周期短、维护方便、低廉的运行费用等多项优势，成为农村网络建设的首选。

[1] 中国移动集团公司. 中国移动无线局域网 (WLAN) 工程设计要求[S]. 2011.

[2] 国家环境保护局.GB8702－88, 电磁辐射防护规定[S]. 1988.

[3] 中华人民共和国信息产业部. YD/T 5040-2005, 通信电源设备安装工程设计规范[S]. 2006.

[4] 侯群, 高立. 无线局域网(WLAN)室外覆盖无线链路预算分析[J].广东通信技术, 2011.33(5):24-27.