WLAN接入性能研究QC

WLAN接入性能研究中国移动通信集团安徽有限公司亳州分公司WLAN专业QC小组2013年1月1一、小组概况（一）QC小组概况表小组名称WLAN专业QC小组成立时间2013/3/1格言知识无深浅、创新无极限课题名称降低基站单载频耗电量课题类型指定型组长程凡民活动日期2011年3月至2012年11月课题注册2011/3/1小组成员9人注册编号FGS-BZ-20110308活动频次1次/月，出勤率100%QC教育时间72小时以上小组荣誉安徽移动亳州分公司动力QC小组成立于2011年3月5日，目前共有成员9人。本小组按照公司精细化管理工作思路，不断在工作现场寻找瓶颈。已完成的《降低局用动环监控系统误告率》、《降低基站蓄电池损坏率》等课题，均在省公司QC小组活动成果年度评审中取得了优异成绩。表1小组概况表（制表：李良时间：2012年11月）1.1概述1.1.1课题背景及意义无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物，具有灵活性、移动性等多项优势。随着WLAN技术的日益成熟，无线局域网愈发受到关注，普及面也在不断上升。上海移动成熟的2G移动通信系统主要为用户提供简单、可靠、便捷的语音和数据通信。3G移动通信则使客户们能够享受到高速数据带来的互动娱乐新体验。而WLAN等无线接入技术的不断应用使数据接入更快捷，更高速，更丰富。近年来，上海移动逐步在城市重点地区（如机场、酒店、高档写字楼、高档公寓等）建立“热点”区域，为用户提供良好的无线宽带业务。图8.1-1上海移动WLAN网络架构为了增加通信市场影响力，扩大市场份额，提升规模优势，满足未来公众WLAN业务推广的需要，迎接未来多家运营商从事移动通信业务的竞争局面，今后几年的WLAN网络规模仍然会处于上升趋势，对于WLAN的规划、维护及优化难度也会相应提高。2010年，上海将举办举世瞩目的世博会，上海移动作为世博会合作伙伴，将会为世博会提供“高质、可靠、畅通”的技术和服务，包括成熟可靠的2G、3G移动通信业务和完善的WLAN服务。届时，整个世博园区WLAN系统需要覆盖行政中心、世博村、新闻中心以及主题馆，为参展商、媒体记者、志愿者以及参观群众提供优质便捷的WLAN通信服务。为了提升上海移动WLAN网络在用户中的满意度，更好地服务世博会，我们需要提高对WLAN的规划、维护及优化能力。而作为一种近几年开始广泛应用的技术，目前公司的维护人员对于WLAN的一些特性和维护、优化要点没有太多的经验，对WLAN也没有形成有效的优化维护规范，因此需要对WLAN的一些特性进行研究，为今后的规划、维护及优化工作提供一些参考。1.1.2课题研究内容无线局域网的接入性能主要取决于两方面：网络覆盖与网络容量。两者是相互制约，同时网络容量又取决于网络覆盖。无线局域网的规划很大程度上影响了其接入性能的优劣。根据用户的需求，在网络容量与网络质量之间做出取舍，确保网络的性能达到用户的需求。本课题的研究内容主要包括以下五个部分：运营WLAN的传播特性及AP覆盖范围运营WLAN的频率干扰研究及排查WLAN的AP间切换研究WLAN的负荷均衡研究WLAN网络承载能力、性能瓶颈及最佳性能方案1.1.3课题研究思路本课题涉及的研究内容属于一个比较新的领域，我们缺乏足够的经验。因此，我们采用了理论研究和实际验证相结合的方式，通过压力测试、自由接入测试以及相关优化经验得出最后的研究成果。所以，本课题的研究思路和进度安排计划如下：开展WLAN频率干扰研究，包括内部干扰及外部干扰。对于内部干扰，通过理论研究以及相应的验证试验，研究内部干扰的成因及特性；对于外部干扰，通过验证试验以及捕捉干扰脉冲研究外部干扰的特性以及对于WLAN的干扰。最后，结合内部干扰及外部干扰的研究成果，制定AP设备干扰排查方案。进行压力测试和自由接入测试，研究WLAN网络的承载能力和性能瓶颈，探究802.11a/b/g混合模式下WLAN的最优性能。开展WLAN的传播特性研究及AP覆盖范围预测工作。对于WLAN的传播特性，我们采用了ITU-RP.1238-2-2001标准中建议的衰减因子模型作为理论依据，结合验证试验，得出了室内视距传播的及非视距传播环境下的大致特性，并且预测一些室内环境下AP的覆盖范围。开展了WLAN的AP间切换及负荷均衡研究工作，并结合上述研究成果完成整个课题成果的总结。WLAN干扰理论研究WLAN传播特性理论研究AP间切换理论研究WLAN负荷均衡理论研究外部干扰波形捕捉及验证试验内部干扰验证试验内部干扰及外部干扰的特性对WLAN网络造成的影响制定干扰排查规范室内2.4GHzWLAN传播特性试验室内2.4GHzWLAN环境下AP的覆盖范围压力测试及自由接入测试WLAN网络承载能力及性能瓶颈802.11a/b/g混合模式下WLAN的最优性能总结图8.1-2课题研究思路1.2传播特性及覆盖范围在进行WLAN网络规划的过程中，覆盖预测是一个非常重要的环节。通过预测每个AP的覆盖范围，计算所需AP的数量。然后结合容量需求、频率干扰以及美观等各方面因素，决策AP放置的位置。WLAN的电波的传播特性是AP覆盖预测的依据之一，选择一个合适的电波传播模型，对覆盖区内的接收信号强度进行预测。由于现网中运营的WLAN网络主要应用于室内覆盖，室外传播的实际应用未达到成熟水平。因此，本课题的研究范围仅针对WLAN的室内传播特性开展研究活动。就无线通信的发展而言，室内无线传播是一个新的领域。它具有两个特点：覆盖距离更小以及受到环境影响更大。室内的电波传播不受气候因素限制，但是受到频率、距离、天线高度以及建筑物的类型、结构、布置、材料等多方面因素影响。其中，建筑物的内部结构及建筑材料对于无线传播的影响最大。WLAN网络室内无线传播的空间损耗主要由两个部分组成：多径衰落及穿透损耗。其中，多径衰落是指无线电波从发射天线经过多个路径抵达接收天线的传播现象。造成多径衰落的主要原因是无线电波传播过程中，物体对电波的反射及折射。穿透损耗是指无线电波穿越了障碍物前后信号的信号强度差，损耗程度取决于建筑物的结构、厚度、材料性质、场户大小、室内陈设物品等因素。1.2.1设计覆盖范围的界定802.11协议中规定了几种数据传输速率，不同的速率采用不同的调制方式。采用的调制方式取决于无线电波环境，越好的调制方式要求的最低接收灵敏度越高。其中，802.11a/g规范中定义了当采用正交调幅（64-QAM）的调制方式时，可以提供最高56Mbps的数据传输速率，而其要求的接收最低灵敏度达到了-65dBm。因此，一个AP的实际覆盖范围受到容量要求的约束。另外，集团AP设计方案要求的边缘场强分别为-75dBm，这也是我们试验中采用的标准。表8.2-1列出了不同要求下信号的最小接收电平。802.11b规范定义的接收器最低接收灵敏度1Mbps-80dBm2Mbps-80dBm5.5Mbps-76dBm11Mbps-76dBm802.11a/g规范定义的接收器最低接收灵敏度6Mbps-82dBm9Mbps-81dBm12Mbps-79dBm18Mbps-77dBm24Mbps-74dBm36Mbps-70dBm48Mbps-66dBm54Mbps-65dBmAP设计方案要求的边缘场强-75dBm表8.2-1要求的最小接收电平1.2.2设备常用指标上海移动WLAN中采用的AP设备主要包括三种：国人、Moto以及联信永益。试验中我们采用的AP设备是联信永益的LXP2008，终端设备为DELLD630+Cisco外置网卡。表二和表三分别列出了相关AP及终端的参数。厂商型号AP发射功率AP天线增益备注国人SGR-W500-I（802.11b/g）100mW/20dBm5dBi一般用于AP独立布点覆盖SGR-W500-I/A(802.11b/g)100mW/20dBm5dBi一般用于AP独立布点覆盖SGR-W500-I/A(802.11a)100mW/20dBm5dBi一般用于AP独立布点覆盖MOTOAP300(802.11b/g)100mW/20dBm3dBi一般用于AP独立布点覆盖500mW/27dBm3dBi一般用于室内分布系统覆盖联信永益LXP2008(802.11a)50mw/17dBm3dBi一般用于AP独立布点覆盖LXP2008(802.11b/g)100mw/20dBm3dBi一般用于AP独立布点覆盖表8.2-2相关AP参数终端型号终端增益Intelwireless3945abg1dBiCisco外置网卡1dBi常见内置网卡的发射功率为30mw/15dBm表8.2-3相关终端参数1.2.3链路预算公式WLAN点对点链路主要由三个主要部分组成：发射端、接收端以及射频传输通道。发射端包括了发射机、发射天线以及连接发射机与发射天线的馈线和连接头；接收端包括接收机、接收天线以及连接接收机和接收天线的馈线和连接头。射频传输通信是指电磁波从发射天线到接收天线之间的传输路径和空间。链路预算公式如下：Pr[dBm]=Pt[dBm]+Gt[dBi]+Gr[dBi]-Pathloss[dB]-La[dB]-Lb[dB]（1）其中，Pr[dBm]为终端最小接收电平；Pt[dBm]为AP最大发射功率；Gt[dBi]为AP发射天线增益；Gr[dBi]为终端接收天线增益；Pathloss[dB]为路径损耗；La[dB]为预留冗余；Lb[dB]为穿透损耗；Gt[dBi]=3dBi，Gr[dBi]=1dB，La[dB]与AP、终端的放置高度以及其它客观因素有关，试验中取5dB。根据（1）式，可以得出Pr[dBm]=Pt[dBm]-Pathloss[dB]-1-Lb[dB]（2）室内无线传播分为两类：视距传播（LOS）与非视距传播（OLOS）。非视距传播时的穿透损耗Lb=Σ（Mt*Wt），Mt为分隔物的数量，Wt为该分隔物的穿透损耗；视距传播时不存在穿透损耗。因此，视距传播时的链路预算公式为Pr[dBm]=Pt[dBm]-Pathloss[dB]-1（3）非视距传播时的链路预算公式为Pr[dBm]=Pt[dBm]-Pathloss[dB]-Σ（Mt*Wt）-1（4）1.2.4穿透损耗1.2.4.12.4GHz的穿透损耗受限于发射设备与接收设备的灵敏度，误差较大。现阶段采用试验方式得出可提供的2.4G电磁波对于各种建筑材质的穿透损耗如下：分隔类型实测损耗值（dB）砖墙上的窗口1-3金属框架的玻璃4-7办公室墙壁5-7办公室墙上的金属门5-7炉渣砖墙5-7砖墙上的金属门10-13与金属门邻接的砖墙3-5混凝土墙（250mm）18-22楼层阻挡30以上表8.2-42.4GHz电波的穿透损耗1.2.4.25.8GHz的穿透损耗受限于发射设备与接收设备的灵敏度，误差较大。现阶段采用试验方式得出可提供的5.8G电磁波对于各种建筑材质的穿透损耗如下：分隔类型损耗值（dB）砖墙上的窗口2-3金属框架的玻璃6-8办公室墙壁7-9办公室墙上的金属门7-9炉渣砖墙5-7砖墙上的金属门15-17与金属门邻接的砖墙5-7混凝土墙（250mm）24-27楼层阻挡30以上表8.2-55.8GHz电波的穿透损耗1.2.52.4GHz传播模型1.2.5.1衰减因子模型ITU-RP.1238-2-2001标准规定了对于编制在频率900MHz到100GHz室内无线电通信系统和无线局域网规划的传播数据和预测方法。根据ITU-RP.1238-2-2001标准中建议，我们采用衰减因子模型作为计算路径损耗的理论依据，具体公式如下：Pathloss[dB]=L0+10*n*log（d/d0）（5）其中，d为传播路径，n为衰减因子，L0为参考距离空间衰减，d0为参考距离。对不同的无线环境，衰减因子n的取值有所不同，在自由空间中，路径衰减与距离的平方成正比，即衰减因子为2。在建筑物内，距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间，取值大于2。其中为1m时的空间模型损耗，根据自由空间传播模型L=-27.6+20lg（d）+20lg（f）（6）可得L0=-27.6+20lg（1