浅谈WLAN的覆盖设计

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　　摘 要
　　本文从覆盖的角度分析WLAN设计过程中的问题。从WLAN的无线电波特性入手，论述WLAN的信道划分，干扰协调以及链路损耗的问题。提出了功率控制在设计WLAN覆盖过程中的意义。最后比较了三种典型覆盖方案的特点，以及在不同场合下使用的优劣。
　　关键词
　　802.11;覆盖设计;频段规划;干扰协调
　　中图分类号： TN925.93       文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.049
　　0 概述
　　在IT技术飞速发展的背景下，人们上网获取资讯的方式和行为都有了根本性的革新。从以往使用台式计算机为主，过渡到了使用便携式移动终端的阶段;从以上网获取资讯过渡到了全方位的应用融合时代。人们的工作与生活已经与信息技术紧密相连。作为沟通服务商与用户之间的桥梁，通信网络的也发生着深刻的变革，从以往的固定接入，变成了随时随地的移动无线接入，从低速的网络连接，转变为高速的宽带通信。
　　移动上网的终端主要是指智能手机、平板电脑等设备。这类设备连接互联网的方式总体上分为两种——WLAN与移动通信网络。WLAN即无线局域网，是有线局域网的无线延伸。WLAN在酒店、学校、家庭以及各种公共场合提供着低廉高效的互联网接入，渗透到了生活的每一处。
　　本文主要从无线覆盖设计方面阐述WLAN的设计规划。WLAN的构建是一个系统化的工程，设计到总体规划、覆盖设计、接入认证等环节。论述无线覆盖设计，到频率规划、覆盖设计、功率控制、干扰控制和信道复用等问题。
　　1 WLAN的无线技术特性
　　1.1 802.11协议族
　　IEEE是无线局域网标准的管理机构。1997年是WLAN元年。当年6月，IEEE发布了第一个WLAN的标准——IEEE802.11，无线局域网从此进入了飞速发展的轨道。早期的WLAN速率非常低，只有1～2Mbps，因此IEEE很快又相继推出了802.11a，802.11b标准，提高了速率。
　　迄今为止，IEEE推出的无线局域网标准有802.11/a/b/g/ac/ax，WLAN的性能逐步提高。
　　1.2 WLAN的频段
　　WLAN的工作频段位于国际电联分配的ISM频段，ISM（Industrial Scientific Medical），即工业科学医学频段。此类频段属于非授权频段，只要设备发射的功率不超过一定的强度，即可不必申请授权即可使用。
　　WLAN使用的频段主要有2.4G，5G，5.8G，一般把5G和5.8G频段统称为5G频段。WLAN设备参数上标注的“双频”，指的是设备同时支持2.4G和5G频段。
　　根据IEEE的技术标准，WLAN的2.4G频段的工作范围是2.4～2.4835GHz，5G频段是5.030～5.835GHz。由于各个国家的情况不同，5G频段实际的可用带宽并没有规划的那么多，而2.4G频段的范围相对比较窄。
　　1.3 MIMO技
　　由于WLAN的频段资源有限，研发人员想出了各种方法提高频谱利用率。如MIMO技术就是其中行之有效的一种。
　　MIMO指的是多进多出技术。在收发两端同时采用多根发射与接收天线，在同频的情况下，通过重复使用相同的频率，提高频谱利用率，达到提高网络带宽的目的。
　　1.4 OFDM
　　OFDM即正交频分复用技术，属于多载波调制的一种。利用频分复用技术，把高速的串行数据转换为并行传输，能很好地消除抗多径衰弱，同时能够支持多用户接入。
　　2 存在的问题
　　2.1 干扰问题
　　由于ISM频段开放的特性，各种标准的设备都可以使用ISM频段。如蓝牙、Zigbee、无绳电话等，甚至微波炉的工作频率使用了2.4G频段;5G频段也有无人机等工业设备在使用。因此，无线局域网的工作频段的无线频谱环境较为复杂。在一些居民密集的区域，大量家庭安装了无线路由器，因此导致WLAN频段的拥挤程度雪上加霜。
　　由于WLAN服務范围并非一个理想的传输模型，存在不规则的平面和障碍物，因此会导致多径效应的产生。虽然可以通过技术手段部分消除，但是难免造成性能的下降。
　　当信号质量降低的时候，WLAN的协调机制会自动降低OFDM的调制级别，网速会受到影响。因此维持优良的信号质量，是实现优质性能的基础条件。
　　2.2 空间链路损耗
　　WLAN的通信过程是一个信号双向收发的过程，这个过程的传输质量，对WLAN的性能有非常重要的影响。
　　在无线电波传输的过程中，不同材质的物体对信号的衰减是不一样的，密度小的比密度大衰减小，木质材料比金属材料衰减小，厚度薄的比厚的衰减少。常见的材质链路损耗值如表1所示。
　　表1是特指2.4G频段的链路障碍物损耗值。在无线电的频谱中，频段越高，障碍物的衰减值就越大，因此WLAN的5G频段的穿透损耗比2.4G频段要大得多。
　　在WLAN的覆盖设计过程中，需要充分考虑这种情况造成的损耗。一般的初学者以为，可以加大无线发射功率以抵消这种损耗，所谓的“穿墙路由”就是这种例子。其实这种做法并不可取，因为通信是双向的过程，空间链路损耗对通信双方来说条件是一样的。单纯加大无线路由端的发射功率，而用户端的手机发射功率是有限的，因此会导致单通的现象，实际体验非常差，徒增电磁污染而已。
　　3 WLAN的覆盖设计
　　3.1 AP的数量
　　由于干扰的普遍存在，标称300M的2.4G无线设备实际的带宽为40Mbps左右，这是设计WLAN过程中的一个非常重要的经验值。 　　在设计WLAN覆盖方案的过程中，首先要征询用户对终端带宽的期望值，在计算出需要的AP数量，最后再确定AP的布放位置。所需AP的数量可以用一个简单的公式计算，AP数=用户总数*单用户设计带宽*复用比/AP带宽。其中复用比指的是统计复用，因为一般情况下，同时上网的用户比例不会是100%，因此复用比可以设置为50%到80%。
　　AP数量并不是无限制的增加的，要考虑可用信道的干扰问题。如无法满足设计需要，则可以考虑采用功率控制和增加5G频段覆盖的手段达到设计目的。
　　3.2 信道的选择
　　WLAN目前最主流的频段是ISM的2.4G频段，频率信道分配如图1所示。
　　从图1的信道划分可以看出，只有不相交的信道才不存在干扰，因此，在WLAN的覆盖设计过程中，同一覆盖区域和存在相互干扰的覆盖区域，须采用互不干扰的信道，否则会因为干扰而影响空中接口的性能。
　　一般设计是使用1、6、11;2、7、12;3、8，13三组互相不干扰的信道来进行无线覆盖，14信道是日本专用的信道，一般不会使用。在一些信道紧张的用户密集区，可以采用有较小干扰的分组方式，如使用1、5、9、13四个信道进行无线覆盖，增加一个可用的信道。还可以采用5G叠加覆盖。因为5G频段穿透力弱的特性，反而导致5G频段的干扰远没有2.4G频段严重。
　　3.3 发射功率的选择
　　发射功率问题是WLAN覆盖设计里面经常被忽视的环节。WLAN的信号收接灵敏度和最大接收电平的制约。WLAN的发射功率必须控制在一个合理的范围内。一般要求接收端的信号强度在-40dbm与-85dbm之间，如遇到外部干扰较大的情形，可稍稍提高发射功率。
　　链路总增益的计算公式为Gl=Pt-Prs+Gt+Gr，其中Pt为设备射频发射功率，Prs为接收端增益，Gt为AP的天线增益，Gr为用户端的天线增益。例如设备发送功率为20dBm，接收端接收灵敏度为-75dBm，收发天线增益为Gt=Gr=12dBi，可以计算出链路总增益为：Gl=20-（-75）+12+12=119dB。
　　国标规定AP的最大发射功率为500mW，换算后即27dBm，主要用于室内分布系统的天线。实际应用中一般不能超过100 mW，网络设备有发射功率协商机制，会根据接收信号强度，自动调节发射功率。[1]
　　3.4 天线的选择
　　无线通信技术中的天线种类繁多，而用于一般环境的WLAN覆盖的天线，使用较多的有杆式天线，吸顶式全向天线，平板天线。
　　杆式天线和吸顶天线的覆盖范围都是全向的，一般增益为2～8dB;平板天线的覆盖形状是扇形的，增益为6～12dB。在应用的过程中，要根据需求选用适当的天线。如没有明显指向性的覆盖区域，可以使用全向类型的天线进行覆盖设计，如果需要躲避干扰，或者防止信号外泄的应用场合，则可以使用平板天线。另外，在某些无法安装天线的弱覆盖区域，可在临近区域使用有方向性的高增益平板天线进行覆盖。
　　3.5 覆盖设计
　　为了提高性能，在WLAN工程的建设中，会使用各种方式提高信道的复用率，重复使用相同的信道。如利用建筑物混凝土层的阻隔，在不同的楼层和房间使用相同的信道。也可以使用蜂窝状的组网形式，在不相邻的区域使用重复的信道，以提高信道的利用率。如图2所示。需要注意的是，为了避免干扰，使用复用信道的时候需要严格控制AP的发射功率，避免越区干扰。[2]
　　4 应用方案及场
　　主流的WLAN建设方案主要可以分为室内分布系统、WoC以及AC+瘦AP架构三种。根据应用场合不用，各有优势。另外在设计过程中，可以利用建筑物的阻隔，降低邻近AP的同频干扰。
　　4.1 室内分布系统
　　室内分布系统属于无源分配系统，AP的信号通过馈线，传输到发射天线，供用户接收。简单地说，就是一个无源的信号分配系统，天线直接安装在房间内部，传输的路径没有障碍物，因此可以用比较小的功率发射，见图3。室内分布系统不仅仅可以用于WLAN，还广泛地用于移动通信行业。
　　室分方案的优点是成本低廉，可以与移动通信信号共用一路线路传输。适用于间隔多，但是用户数量不多的情况，如小型公寓，宾馆等。
　　由于此系统只是单纯的信号无源分配，信號都是从单一AP发射出来，所以容量取决于AP的数量，用户容量有限。室分系统支持2.6G以内的频段，因此WLAN的室分系统只支持传送2.4G频段的WLAN信号。这种设计方案还需要考虑的是分组AP间的信道选择，以避免干扰，而同一AP下的天线不存在同频干扰问题。
　　4.2 WoC
　　WoC方案是一种使用有线电视同轴电缆传输的一种WLAN覆盖方案。有线电视所使用的是75欧姆的同轴电缆，WLAN工作的2.4G频段的信号远高于有线电视的47～860MHz频段，线路损耗较大，因此只能在短传输距离的范围内使用。
　　采用WoC方案的WLAN容量和室分差不多，并不属于常规的WLAN覆盖方案，通常是旧有建筑没有没有预留网络布线的补救措施。利用存量的同轴电缆，在不破坏建筑装修的情况下，把WLAN信号覆盖到客房内。本地某著名酒店就使用了这种方案加装了WLAN覆盖。WoC的覆盖原理图如图4所示。
　　4.3 AC+瘦AP架构
　　传统的WLAN设计方案由于存在着各种局限性，如不支持5G频段，用户在不同的AP间移动时，需要断开重连新的AP，不支持STA，容量有限等，已经不能满足高密度高网速的应用场景。对于高度依赖无线业务的用户，传统架构已经无法满足这部分用户的需求，因此新一代的无线网络的提出，从技术上解决了这部分需求。[3]
　　这种架构区别于传统无线路由的架构，它把传统无线路由的认证管理与无线功能分离，把无线管理功能集中到AC控制器中，而无线部分则交给功能简化后的AP——瘦AP去处理。这样做的好处是AP统一由一台AC管理，能支持STA自动漫游功能，用户在不同AP间移动时能无感知切换，全程不断网;配置工作全在AC完成，瘦AP能做到零配置，大大降低了维护工作量;增加空中接口带宽最直接的方式是增加AP的数量，由于这种架构增加AP非常方便，因此容量大，并且兼容5G频段。
　　采用AC+瘦AP架构网络主要增加的成本在于瘦AP，这种方案是各种WLAN覆盖方案中成本最高的，但由于其诸多优点，现在被众多的用户采用。
　　在实际工程方案中，一般采用面板式一体化AP，直接安装到房间内，可以有效地隔绝同频干扰信号，同时发射功率可以控制在比较低的水平，符合当今社会对环保的要求。这种方案的原理图如图5所示。
　　4.4 其他架构
　　除了上述组网方式，还有用于一般点对点连接的WDS桥接方式;结构复杂，但可靠性高造价高昂的MESH方案;电力网桥拓展的无线方案，电力线的干扰比较大，不适合大规模的应用场景。这些方案的使用面相对不广。
　　5 总结
　　WLAN的建设是一个系统化的工程，一个良好覆盖设计的系统是实现高性能接入的前提条件。WLAN设计的过程中需要从无线信号的本质着手，读懂WLAN工作频段无线电波的工作特性，在设计过程中采用频率复用技术，并妥善安排无线设备的功率和工作频段，从而实现WLAN的高性能设计目标。
　　参考文献
　　[1]广州杰赛通信规划设计院.无线局域网设计与优化[M].北京：人民邮电出版社，2015.
　　[2]李国庆，汪双顶，张迎春.无线局域网项目化教程[M].北京：电子工业出版社，2018.
　　[3]汪双顶，黄君羡，梁广民.无线局域网技术与实践[M].北京：高等教育出版社，2018.
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