WLAN CPE部署技术探讨

文永鑫

（迈普通信技术股份有限公司 成都 610041）

1 背景

随着我国信息化技术的不断深入，城市及城郊等地方的宽带日益成熟，从以前的ADSL逐步演进到FTTH。农村地区基本还没有有线网络覆盖，特别是我国西部的省份。而农业的现代化离不开农村的信息化，将宽带推广到农村势在必行。运营商在农村进行宽带建设，面临设备和人工成本高、施工难度大、售后维护量大的难题。随着无线技术的不断发展和成熟，WLAN技术将为农村宽带建设提供有力的支撑。WLAN产品能否成为农村信息化建设的无线首选设备，取决于WLAN的技术成熟性和运营商的基站布局。

1.1 WLAN技术发展

近几年无线技术发展越来越成熟，最主流的技术有WiMAX、3G及WLAN，这3种技术都能有效解决农村“最后一公里”覆盖的问题。

在全球很多典型的 “最后一公里”的覆盖实例中，WiMAX由于国内频率分配问题，没有得到有效普及。随着3G技术特别是WCDMA技术的成熟，一个扇区的带宽最高可以达到42 Mbit/s，理论上能有效解决农村“最后一公里”覆盖的问题，但因为实施成本和使用费用等未能被大规模采用。WLAN经过近10年突飞猛进的发展，从最早的IEEE 802.11的 2 Mbit/s速率到现在IEEE 802.11ac的超过1 Gbit/s的速率，已经取得巨大的成就。现在的智能通信设备（如智能终端、电脑）均嵌入了WLAN模块。而目前应用最广泛的IEEE 802.11n 2×2设备，在40 MHz频率下的理论速率可达到300 Mbit/s，实际速率也超过150 Mbit/s。WLAN在协议演进的同时，设备也在逐步演进，从普通功率的家用路由器到高功率的WLAN AP，再到具有智能算法的WLAN基站，这些设备已经得到了广泛的使用。

电子电气工程师协会（IEEE）成立IEEE 802.11ac工作组（TG），全面转入下一代高速通信标准的制定工作，目标是带来吉比特级的无线局域网传输速度。IEEE 802.11ac的核心技术主要基于IEEE 802.11a，继续工作在5.0 GHz频段上以保证向下的兼容性，新标准的理论传输速度最高有望达到1 Gbit/s。该工作组2012年9月在美国圣地亚哥召开会议，完成了Draft 3.0的审核；在2012年11月审核Draft 4.0。芯片厂商 Broadcom、Realtek、Ralink相继推出了支持IEEE 802.11ac的芯片。根据标准执行的进度和产业发展的情况，笔者预计，2014年、2015年IEEE 802.11ac芯片将会大规模商用。现阶段的WLAN设备仍然以IEEE 802.11n标准为主。

由于农村信息化薄弱，用户的电脑以台式机为主，无法有效接入WLAN基站；农村居住分散，距离WLAN基站有一定的距离，最远达到3 km，因此高功率WLAN CPE（customer-provided equipment）作为农村宽带建设的关键设备被引入。

1.2 运营商基站条件

通过WLAN基站与用户家庭安装的WLAN CPE的配合，能为农村用户解决“最后一公里”的覆盖问题，但必须具备另外两个条件：数据回程、WLAN基站设备的架设选址。而运营商的2G/3G基站正好具备这两个必要条件。成熟的光网络系统有效地解决了数据回传问题，而且运营商本身的2G/3G基站亦可作为WLAN基站。典型应用如图1所示，WLAN CPE作为周边设备连接到中心点的WLAN基站，用户可以通过WLAN CPE接入Internet。

2 WLAN CPE产品及功能选择

近10年WLAN技术不断更新，IEEE 802.11b最高支持 11 Mbit/s，IEEE 802.11g和 IEEE 802.11a最高支持54 Mbit/s。目前，我国三大运营商已经将标准提升到IEEE 802.11n，并且以 IEEE 802.11n的 2×2为主，最高可以支持300 Mbit/s。

由于运营商的WLAN基站采用IEEE 802.11n设备，为了能够为用户提供足够的带宽，CPE也应该支持IEEE 802.11n的2×2。根据应用场景的不同，可以选择工作在2.4 GHz的IEEE 802.11b/g/n设备或工作在5.8 GHz的IEEE 802.11a/n设备。

2.1 2.4 GHz频段、5.8 GHz频段

根据国家无线电委员会颁布的标准，在 2.4 GHz频段，将频率范围2 400～2 483.5 MHz划分为13个信道，见表1。

表1 2.4 GHz频段信道配置

2.4 GHz频段可划分为13个信道，每个信道带宽为5 MHz，实际频谱占用带宽为22 MHz，如图2所示。实际建网中进行频率规划时，相邻小区应尽量使用互不交迭的信道以减小干扰，一般选用1、6、11这3个信道。

根据国家无线电委员会颁布的标准，WLAN在5.8 GHz频段，频率范围为 5 725～5 850 MHz，其频段信道配置见表2。

表2 5.8 GHz频段信道配置

5.8 GHz频段可划分为5个信道，每个信道带宽为20 MHz。实际建网中进行频率规划时，相邻小区应尽量使用互不交迭的信道以减小干扰，其频段划分如图3所示。

2.2 WLAN CPE部署考虑的因素

在实际的组网中应该考虑的因素如下。

·抗干扰能力：2.4 GHz的波长较长，绕射能力较5.8 GHz的要好一些。在安装时，若用户周边有一些树木等遮挡物，2.4 GHz的效果较好。

·环境因素：使用2.4 GHz的设备相对较多，如蓝牙、微波炉、无绳电话、游戏机遥控器等，使用环境的干扰较多；5.8 GHz设备的环境干扰较少。

·天线角度：2.4 GHz天线的角度较大，可以设计到水平和垂直角度都能达到60°。安装时基站和CPE有一定的高度差也不会有影响；5.8 GHz的产品角度小很多，通常只有30°左右，若安装距离近并且有一定的高度差，用户感知较差。

·输出功率：2.4 GHz频率较低，功率转换效率高，一般2.4 GHz设备的输出功率高于5.8 GHz，距离越远，效果越差。

2.4 GHz设备适合于农村及一些丘陵地带，一定的遮挡和地势高低不平对信号也不会造成非常大的影响。5.8 GHz设备适合于城郊结合地区，传输距离要求不高，没有地势高低的变化。但农村在2.4 GHz设备饱和的情况下，也可以根据环境适当选择5.8 GHz设备。

2.3 WLAN CPE设备功能选择

CPE部署时需要充分考虑以下功能因素，选择适合应用的产品。

CPE设备通常具有 “无线转有线”和 “无线转无线”（repeater）两种模式，根据实际使用的需要进行选择。无线转有线模式主要是为了满足以太网终端设备的接入要求；无线转无线模式主要是为了满足无线终端设备的接入要求。

2.3.1 无线转有线模式

无线转有线模式用于WLAN基站覆盖到农村的家庭，然后通过有线接入台式电脑、IP机顶盒等设备，如图4所示。

2.3.2 无线转无线模式

无线转无线模式用于WLAN基站无线信号覆盖到农村家庭CPE，CPE再次将无线信号转出，实现对室内的二次无线覆盖。在CPE只有一个射频的情况下，CPE同时工作在客户端模式和AP模式。CPE用客户端模式连接WLAN基站，用AP模式实现对室内的无线覆盖。为了能够保证数据的有效性和及时性，CPE从基站侧每接收到一个数据分组都会将无线连接切换到AP侧，及时将数据转发到另外一端，如图5所示。

这种CPE只有一个射频模块，在进行两侧数据转发时均采用单工模式。CPE将数据收下来之后再进行转发，这种无线连接的切换将会使CPE有限的带宽打对折，以至降低整个网络的效率。

（1）用户数量限制

WLAN采用的是CSMA/CA竞争方式实现时间资源的竞争。如果多个CPE同时接入基站AP，一旦用户数量过多，空中接口的抢占、竞争机制将耗费大量的空中时间片，用户实际可用的时间、带宽急剧缩短，用户接入效果将变差。若其中一个用户的信号质量非常差，以最低速率传送数据，将严重影响整个扇区下的其他所有用户。通常单个基站AP接入终端的数量为30个，若用户过多，可以考虑用2.4 GHz和5.8 GHz设备混合组网。

（2）20 MHz和 40 MHz频宽选择

对于IEEE 802.11n设备，最高可以支持40 MHz频宽。若用20 MHz频宽，2.4 GHz频段有3个独立信道；若用40 MHz频宽，2.4 GHz则只有一个独立信道。农村CPE对距离有一定要求，40 MHz频宽极易受到干扰，建议采用20 MHz频宽的方式，一个基站上由3个扇区组装，每个扇区覆盖 120°。

（3）多用户各自认证

在某些特殊情况下，如两个或多个用户共享一个CPE，需要CPE支持多用户各自认证，其中最主要的是基于Portal模式的多用户各自认证。Portal技术能够较好地解决用户的认证和计费问题，对 Windows、Andriod、MAC OS等操作系统都能良好地兼容。普通CPE使用透明桥接时，对于基站AP表现的是一个MAC地址，对于多播 IGMP snooping和DCHP snooping等功能无法提供支持。为了保证IGMP snooping和DHCP snooping技术较好地实施，要求CPE对于每个终端都能虚拟出一个MAC地址，在基站的AP上呈现每个终端一个MAC地址的接入方式（区分家庭的每个用户）。从计费方面考虑，多用户认证可以有效地避免计费系统的混乱，避免用户费用的流失。

3 WLAN CPE部署实践

现在辽宁、四川等一些省份的运营商部署了WLAN CPE实现农村和城乡结合部家庭用户的Internet接入。选用的CPE绝大部分是2.4 GHz单模室外型设备，这些设备支持无线和有线方式连接家庭PC。在实际部署中发现使用CPE对WLAN的覆盖效果有明显的提升，能够获得5～10 dB增益。对于单模CPE使用有线方式连接PC，转发性能远比无线方式连接PC高。同时在部署中也发现了一些问题，在视距内使用定向天线的CPE效果更好，在非视距内使用全向天线能够获得更好的覆盖效果。运营商在后期部署时也考虑引入5.8 GHz的CPE产品。5.8 GHz频段在部署时能够获得5个互不干扰的频段，因此能够有效地降低干扰，提升网络的容量。

4 结束语

随着WLAN技术的日趋成熟，WLAN覆盖解决农村互联网接入“最后一公里”问题的优势越来越明显。通过在运营商的基站上进行改造，就可完成WLAN基站的部署，无需额外的基站建设投资。WLAN CPE终端有效地解决了用户终端的网卡通过无线方式接入Internet的问题。

1 刘乃安.无线局域网原理技术与应用.西安：西安电子科技大学出版社,2004

2 IEEE 802.11.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications,1999

3 IEEE 802.11b.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications：Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band,1999

4 IIEEE 802.11.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and PhysicalLayer (PHY)Specifications,Amendment 4:Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band.IEEE Standard,2003

5 GB15629.11-2003.中华人民共和国无线局域网国家标准,2003

6 董理球.无线局域网的安全技术分析.福建电脑，2007(12)

7 沈德海.校园无线局域网建设方案浅谈.重庆科技学院学报（自然科学版）,2008(2)

8 金纯.IEEE IEEE 802.11无线局域网.北京:电子工业出版社,2004

9 方汗.无线局域网组建与应用完全手册.重庆:西南师范大学出版社,2005

10 钟章队.无线局域网.北京:科学出版社,2004