何嘉榮

摘 要

本文從覆蓋的角度分析WLAN設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題。從WLAN的無(wú)線電波特性入手，論述WLAN的信道劃分，干擾協(xié)調(diào)以及鏈路損耗的問(wèn)題。提出了功率控制在設(shè)計(jì)WLAN覆蓋過(guò)程中的意義。最后比較了三種典型覆蓋方案的特點(diǎn)，以及在不同場(chǎng)合下使用的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞

802.11;覆蓋設(shè)計(jì);頻段規(guī)劃;干擾協(xié)調(diào)

中圖分類號(hào)： TN925.93? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.049

0 概述

在IT技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，人們上網(wǎng)獲取資訊的方式和行為都有了根本性的革新。從以往使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)為主，過(guò)渡到了使用便攜式移動(dòng)終端的階段;從以上網(wǎng)獲取資訊過(guò)渡到了全方位的應(yīng)用融合時(shí)代。人們的工作與生活已經(jīng)與信息技術(shù)緊密相連。作為溝通服務(wù)商與用戶之間的橋梁，通信網(wǎng)絡(luò)的也發(fā)生著深刻的變革，從以往的固定接入，變成了隨時(shí)隨地的移動(dòng)無(wú)線接入，從低速的網(wǎng)絡(luò)連接，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚膶拵ㄐ拧?/p>

移動(dòng)上網(wǎng)的終端主要是指智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備。這類設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)的方式總體上分為兩種——WLAN與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。WLAN即無(wú)線局域網(wǎng)，是有線局域網(wǎng)的無(wú)線延伸。WLAN在酒店、學(xué)校、家庭以及各種公共場(chǎng)合提供著低廉高效的互聯(lián)網(wǎng)接入，滲透到了生活的每一處。

本文主要從無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)方面闡述WLAN的設(shè)計(jì)規(guī)劃。WLAN的構(gòu)建是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，設(shè)計(jì)到總體規(guī)劃、覆蓋設(shè)計(jì)、接入認(rèn)證等環(huán)節(jié)。論述無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)，到頻率規(guī)劃、覆蓋設(shè)計(jì)、功率控制、干擾控制和信道復(fù)用等問(wèn)題。

1 WLAN的無(wú)線技術(shù)特性

1.1 802.11協(xié)議族

IEEE是無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的管理機(jī)構(gòu)。1997年是WLAN元年。當(dāng)年6月，IEEE發(fā)布了第一個(gè)WLAN的標(biāo)準(zhǔn)——IEEE802.11，無(wú)線局域網(wǎng)從此進(jìn)入了飛速發(fā)展的軌道。早期的WLAN速率非常低，只有1～2Mbps，因此IEEE很快又相繼推出了802.11a，802.11b標(biāo)準(zhǔn)，提高了速率。

迄今為止，IEEE推出的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有802.11/a/b/g/ac/ax，WLAN的性能逐步提高。

1.2 WLAN的頻段

WLAN的工作頻段位于國(guó)際電聯(lián)分配的ISM頻段，ISM（Industrial Scientific Medical），即工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)頻段。此類頻段屬于非授權(quán)頻段，只要設(shè)備發(fā)射的功率不超過(guò)一定的強(qiáng)度，即可不必申請(qǐng)授權(quán)即可使用。

WLAN使用的頻段主要有2.4G，5G，5.8G，一般把5G和5.8G頻段統(tǒng)稱為5G頻段。WLAN設(shè)備參數(shù)上標(biāo)注的“雙頻”，指的是設(shè)備同時(shí)支持2.4G和5G頻段。

根據(jù)IEEE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，WLAN的2.4G頻段的工作范圍是2.4～2.4835GHz，5G頻段是5.030～5.835GHz。由于各個(gè)國(guó)家的情況不同，5G頻段實(shí)際的可用帶寬并沒(méi)有規(guī)劃的那么多，而2.4G頻段的范圍相對(duì)比較窄。

1.3 MIMO技

由于WLAN的頻段資源有限，研發(fā)人員想出了各種方法提高頻譜利用率。如MIMO技術(shù)就是其中行之有效的一種。

MIMO指的是多進(jìn)多出技術(shù)。在收發(fā)兩端同時(shí)采用多根發(fā)射與接收天線，在同頻的情況下，通過(guò)重復(fù)使用相同的頻率，提高頻譜利用率，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的目的。

1.4 OFDM

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，屬于多載波調(diào)制的一種。利用頻分復(fù)用技術(shù)，把高速的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行傳輸，能很好地消除抗多徑衰弱，同時(shí)能夠支持多用戶接入。

2 存在的問(wèn)題

2.1 干擾問(wèn)題

由于ISM頻段開放的特性，各種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都可以使用ISM頻段。如藍(lán)牙、Zigbee、無(wú)繩電話等，甚至微波爐的工作頻率使用了2.4G頻段;5G頻段也有無(wú)人機(jī)等工業(yè)設(shè)備在使用。因此，無(wú)線局域網(wǎng)的工作頻段的無(wú)線頻譜環(huán)境較為復(fù)雜。在一些居民密集的區(qū)域，大量家庭安裝了無(wú)線路由器，因此導(dǎo)致WLAN頻段的擁擠程度雪上加霜。

由于WLAN服務(wù)范圍并非一個(gè)理想的傳輸模型，存在不規(guī)則的平面和障礙物，因此會(huì)導(dǎo)致多徑效應(yīng)的產(chǎn)生。雖然可以通過(guò)技術(shù)手段部分消除，但是難免造成性能的下降。

當(dāng)信號(hào)質(zhì)量降低的時(shí)候，WLAN的協(xié)調(diào)機(jī)制會(huì)自動(dòng)降低OFDM的調(diào)制級(jí)別，網(wǎng)速會(huì)受到影響。因此維持優(yōu)良的信號(hào)質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能的基礎(chǔ)條件。

2.2 空間鏈路損耗

WLAN的通信過(guò)程是一個(gè)信號(hào)雙向收發(fā)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的傳輸質(zhì)量，對(duì)WLAN的性能有非常重要的影響。

在無(wú)線電波傳輸?shù)倪^(guò)程中，不同材質(zhì)的物體對(duì)信號(hào)的衰減是不一樣的，密度小的比密度大衰減小，木質(zhì)材料比金屬材料衰減小，厚度薄的比厚的衰減少。常見(jiàn)的材質(zhì)鏈路損耗值如表1所示。

表1是特指2.4G頻段的鏈路障礙物損耗值。在無(wú)線電的頻譜中，頻段越高，障礙物的衰減值就越大，因此WLAN的5G頻段的穿透損耗比2.4G頻段要大得多。

在WLAN的覆蓋設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮這種情況造成的損耗。一般的初學(xué)者以為，可以加大無(wú)線發(fā)射功率以抵消這種損耗，所謂的“穿墻路由”就是這種例子。其實(shí)這種做法并不可取，因?yàn)橥ㄐ攀请p向的過(guò)程，空間鏈路損耗對(duì)通信雙方來(lái)說(shuō)條件是一樣的。單純加大無(wú)線路由端的發(fā)射功率，而用戶端的手機(jī)發(fā)射功率是有限的，因此會(huì)導(dǎo)致單通的現(xiàn)象，實(shí)際體驗(yàn)非常差，徒增電磁污染而已。

3 WLAN的覆蓋設(shè)計(jì)

3.1 AP的數(shù)量

由于干擾的普遍存在，標(biāo)稱300M的2.4G無(wú)線設(shè)備實(shí)際的帶寬為40Mbps左右，這是設(shè)計(jì)WLAN過(guò)程中的一個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)值。

在設(shè)計(jì)WLAN覆蓋方案的過(guò)程中，首先要征詢用戶對(duì)終端帶寬的期望值，在計(jì)算出需要的AP數(shù)量，最后再確定AP的布放位置。所需AP的數(shù)量可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算，AP數(shù)=用戶總數(shù)*單用戶設(shè)計(jì)帶寬*復(fù)用比/AP帶寬。其中復(fù)用比指的是統(tǒng)計(jì)復(fù)用，因?yàn)橐话闱闆r下，同時(shí)上網(wǎng)的用戶比例不會(huì)是100%，因此復(fù)用比可以設(shè)置為50%到80%。

AP數(shù)量并不是無(wú)限制的增加的，要考慮可用信道的干擾問(wèn)題。如無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需要，則可以考慮采用功率控制和增加5G頻段覆蓋的手段達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3.2 信道的選擇

WLAN目前最主流的頻段是ISM的2.4G頻段，頻率信道分配如圖1所示。

從圖1的信道劃分可以看出，只有不相交的信道才不存在干擾，因此，在WLAN的覆蓋設(shè)計(jì)過(guò)程中，同一覆蓋區(qū)域和存在相互干擾的覆蓋區(qū)域，須采用互不干擾的信道，否則會(huì)因?yàn)楦蓴_而影響空中接口的性能。

一般設(shè)計(jì)是使用1、6、11;2、7、12;3、8，13三組互相不干擾的信道來(lái)進(jìn)行無(wú)線覆蓋，14信道是日本專用的信道，一般不會(huì)使用。在一些信道緊張的用戶密集區(qū)，可以采用有較小干擾的分組方式，如使用1、5、9、13四個(gè)信道進(jìn)行無(wú)線覆蓋，增加一個(gè)可用的信道。還可以采用5G疊加覆蓋。因?yàn)?G頻段穿透力弱的特性，反而導(dǎo)致5G頻段的干擾遠(yuǎn)沒(méi)有2.4G頻段嚴(yán)重。

3.3 發(fā)射功率的選擇

發(fā)射功率問(wèn)題是WLAN覆蓋設(shè)計(jì)里面經(jīng)常被忽視的環(huán)節(jié)。WLAN的信號(hào)收接靈敏度和最大接收電平的制約。WLAN的發(fā)射功率必須控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。一般要求接收端的信號(hào)強(qiáng)度在-40dbm與-85dbm之間，如遇到外部干擾較大的情形，可稍稍提高發(fā)射功率。

鏈路總增益的計(jì)算公式為Gl=Pt-Prs+Gt+Gr，其中Pt為設(shè)備射頻發(fā)射功率，Prs為接收端增益，Gt為AP的天線增益，Gr為用戶端的天線增益。例如設(shè)備發(fā)送功率為20dBm，接收端接收靈敏度為-75dBm，收發(fā)天線增益為Gt=Gr=12dBi，可以計(jì)算出鏈路總增益為：Gl=20-（-75）+12+12=119dB。

國(guó)標(biāo)規(guī)定AP的最大發(fā)射功率為500mW，換算后即27dBm，主要用于室內(nèi)分布系統(tǒng)的天線。實(shí)際應(yīng)用中一般不能超過(guò)100 mW，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有發(fā)射功率協(xié)商機(jī)制，會(huì)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率。[1]

3.4 天線的選擇

無(wú)線通信技術(shù)中的天線種類繁多，而用于一般環(huán)境的WLAN覆蓋的天線，使用較多的有桿式天線，吸頂式全向天線，平板天線。

桿式天線和吸頂天線的覆蓋范圍都是全向的，一般增益為2～8dB;平板天線的覆蓋形狀是扇形的，增益為6～12dB。在應(yīng)用的過(guò)程中，要根據(jù)需求選用適當(dāng)?shù)奶炀€。如沒(méi)有明顯指向性的覆蓋區(qū)域，可以使用全向類型的天線進(jìn)行覆蓋設(shè)計(jì)，如果需要躲避干擾，或者防止信號(hào)外泄的應(yīng)用場(chǎng)合，則可以使用平板天線。另外，在某些無(wú)法安裝天線的弱覆蓋區(qū)域，可在臨近區(qū)域使用有方向性的高增益平板天線進(jìn)行覆蓋。

3.5 覆蓋設(shè)計(jì)

為了提高性能，在WLAN工程的建設(shè)中，會(huì)使用各種方式提高信道的復(fù)用率，重復(fù)使用相同的信道。如利用建筑物混凝土層的阻隔，在不同的樓層和房間使用相同的信道。也可以使用蜂窩狀的組網(wǎng)形式，在不相鄰的區(qū)域使用重復(fù)的信道，以提高信道的利用率。如圖2所示。需要注意的是，為了避免干擾，使用復(fù)用信道的時(shí)候需要嚴(yán)格控制AP的發(fā)射功率，避免越區(qū)干擾。[2]

4 應(yīng)用方案及場(chǎng)

主流的WLAN建設(shè)方案主要可以分為室內(nèi)分布系統(tǒng)、WoC以及AC+瘦AP架構(gòu)三種。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不用，各有優(yōu)勢(shì)。另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以利用建筑物的阻隔，降低鄰近AP的同頻干擾。

4.1 室內(nèi)分布系統(tǒng)

室內(nèi)分布系統(tǒng)屬于無(wú)源分配系統(tǒng)，AP的信號(hào)通過(guò)饋線，傳輸?shù)桨l(fā)射天線，供用戶接收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一個(gè)無(wú)源的信號(hào)分配系統(tǒng)，天線直接安裝在房間內(nèi)部，傳輸?shù)穆窂經(jīng)]有障礙物，因此可以用比較小的功率發(fā)射，見(jiàn)圖3。室內(nèi)分布系統(tǒng)不僅僅可以用于WLAN，還廣泛地用于移動(dòng)通信行業(yè)。

室分方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，可以與移動(dòng)通信信號(hào)共用一路線路傳輸。適用于間隔多，但是用戶數(shù)量不多的情況，如小型公寓，賓館等。

由于此系統(tǒng)只是單純的信號(hào)無(wú)源分配，信號(hào)都是從單一AP發(fā)射出來(lái)，所以容量取決于AP的數(shù)量，用戶容量有限。室分系統(tǒng)支持2.6G以內(nèi)的頻段，因此WLAN的室分系統(tǒng)只支持傳送2.4G頻段的WLAN信號(hào)。這種設(shè)計(jì)方案還需要考慮的是分組AP間的信道選擇，以避免干擾，而同一AP下的天線不存在同頻干擾問(wèn)題。

4.2 WoC

WoC方案是一種使用有線電視同軸電纜傳輸?shù)囊环NWLAN覆蓋方案。有線電視所使用的是75歐姆的同軸電纜，WLAN工作的2.4G頻段的信號(hào)遠(yuǎn)高于有線電視的47～860MHz頻段，線路損耗較大，因此只能在短傳輸距離的范圍內(nèi)使用。

采用WoC方案的WLAN容量和室分差不多，并不屬于常規(guī)的WLAN覆蓋方案，通常是舊有建筑沒(méi)有沒(méi)有預(yù)留網(wǎng)絡(luò)布線的補(bǔ)救措施。利用存量的同軸電纜，在不破壞建筑裝修的情況下，把WLAN信號(hào)覆蓋到客房?jī)?nèi)。本地某著名酒店就使用了這種方案加裝了WLAN覆蓋。WoC的覆蓋原理圖如圖4所示。

4.3 AC+瘦AP架構(gòu)

傳統(tǒng)的WLAN設(shè)計(jì)方案由于存在著各種局限性，如不支持5G頻段，用戶在不同的AP間移動(dòng)時(shí)，需要斷開重連新的AP，不支持STA，容量有限等，已經(jīng)不能滿足高密度高網(wǎng)速的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于高度依賴無(wú)線業(yè)務(wù)的用戶，傳統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足這部分用戶的需求，因此新一代的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的提出，從技術(shù)上解決了這部分需求。[3]

這種架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線路由的架構(gòu)，它把傳統(tǒng)無(wú)線路由的認(rèn)證管理與無(wú)線功能分離，把無(wú)線管理功能集中到AC控制器中，而無(wú)線部分則交給功能簡(jiǎn)化后的AP——瘦AP去處理。這樣做的好處是AP統(tǒng)一由一臺(tái)AC管理，能支持STA自動(dòng)漫游功能，用戶在不同AP間移動(dòng)時(shí)能無(wú)感知切換，全程不斷網(wǎng);配置工作全在AC完成，瘦AP能做到零配置，大大降低了維護(hù)工作量;增加空中接口帶寬最直接的方式是增加AP的數(shù)量，由于這種架構(gòu)增加AP非常方便，因此容量大，并且兼容5G頻段。

采用AC+瘦AP架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要增加的成本在于瘦AP，這種方案是各種WLAN覆蓋方案中成本最高的，但由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在被眾多的用戶采用。

在實(shí)際工程方案中，一般采用面板式一體化AP，直接安裝到房間內(nèi)，可以有效地隔絕同頻干擾信號(hào)，同時(shí)發(fā)射功率可以控制在比較低的水平，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求。這種方案的原理圖如圖5所示。

4.4 其他架構(gòu)

除了上述組網(wǎng)方式，還有用于一般點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的WDS橋接方式;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可靠性高造價(jià)高昂的MESH方案;電力網(wǎng)橋拓展的無(wú)線方案，電力線的干擾比較大，不適合大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景。這些方案的使用面相對(duì)不廣。

5 總結(jié)

WLAN的建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，一個(gè)良好覆蓋設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高性能接入的前提條件。WLAN設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要從無(wú)線信號(hào)的本質(zhì)著手，讀懂WLAN工作頻段無(wú)線電波的工作特性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用頻率復(fù)用技術(shù)，并妥善安排無(wú)線設(shè)備的功率和工作頻段，從而實(shí)現(xiàn)WLAN的高性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院.無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[2]李國(guó)慶，汪雙頂，張迎春.無(wú)線局域網(wǎng)項(xiàng)目化教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[3]汪雙頂，黃君羨，梁廣民.無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：高等教育出版社，2018.