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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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