WLAN网络规划设计

目前，我国的WLAN网络在企业和家庭应用日益广泛；而运营级的WLAN热点主要分布在机场、星巴克等热点地区，业务量较少，分布较为分散，所以WLAN网络规划相对简单，并未引起足够重视。据相关机构预测，随着WLAN技术的日益普及、市场的不断发展，运营商的WLAN网络将与企业结合，热点不断扩展，用户不断增多，在局部地区将出现用户大量集中的现象，如大型写字楼，会议室；另外，多个运营商可能在同一地区共存。若WLAN网络规划不合理，容易造成网络之间的相互干扰，降低用户体验。本文针对运营级的WLAN网络规划做一简单介绍，为WLAN网络的部署提供参考。1、WLAN网络规划流程WLAN网络规划流程可以分为以下几个步骤：调研及勘查、覆盖设计、频率规划、容量规划、网络优化几个步骤。通过调研了解客户需求，明确网络覆盖目标、应用背景，分析用户对象群及数量、业务特征等；并对WLAN覆盖现场进行勘查，获得现场环境参数、传输及点位等资源情况。在此基础上制定合理的WLAN网络规划总体原则和策略。覆盖设计阶段首先确定WLAN网络的覆盖方式，即采用室内还是室外覆盖方式、单独建设还是与移动通信网络合路等。确定覆盖方式之后根据现场环境参数进行链路预算，在此基础上初步确定AP点位及数量。在有条件情况下，进行WLAN仿真，预测规划效果，并根据仿真结果进行调整，直到各项参数达到目标值。覆盖设计之后根据前面确定的AP点位及数量进行合理频率规划，规避频率干扰，力求将干扰降到最小。若频点始终无法合理规划，需重新调整AP的点位及数量。然后根据用户需求进行容量规划。容量规划与频率规划是相互关联又相互制约的，提升容量将增大干扰，降低干扰又会减少网络容量，容量规划的目的就是找到容量和干扰整体最优的结合点。最后，在WLAN网络建成之后，进行实际的测试，做相应的优化调整，使网络性能达到最优。当然，WLAN网络规划的这几个步骤之间是相互关联、不可分割的，进行实际规划设计时应综合考虑这几方面，这样才能减少网络规划往复次数，并使最终的WLAN网络性能接近最优。2、调研及勘查前期调研和规划是网络规划的基础，是获得规划输入参数的过程。调研阶段需与运营商进行良好沟通，以确定准确的覆盖目标、网络设计容量以及网络的预期质量。由于WLAN信号在空间衰减较快，且WLAN多应用于室内环境，建筑结构、房屋材质对WLAN信号的影响很大，需进行现场的勘查，为WLAN的规划、仿真做好前期准备。另外，WLAN使用的是非授权频段，前期勘查的另一目的是确认附近是否有干扰源，是否需要与其他运营商或企业商议频率问题或采取其它干扰规避措施。3、覆盖设计3.1覆盖方式WLAN网络大体可以分为下面两种场景、4类覆盖方式。（1）室内覆盖：单独建设方式、共用室内分布系统建设方式；（2）室外覆盖：室外型AP覆盖方式、Mesh型网络覆盖方式。3.1.1室内单独建设方式这是目前最简单、应用最广的WLAN建设方式。如图1为某办公楼WLAN网络点位图。图1某办公楼WLAN网络点位图采取单独建设方式时，主要根据WLAN的覆盖和容量需求在相应的位置布放，并将走线长度控制在允许范围内。随后的链路预算只需计算空间损耗即可。一般来说，单独布放点位选择比较灵活，基本可以使用适合WLAN覆盖的最佳点位；并且由于使用了较多的AP，可以获得较大的网络容量。3.1.2共用室内分布系统建设方式目前很多高档写字楼已经进行了移动通信的室内分布系统建设，在引入WLAN时可以考虑采用共用室分系统的建设方式；另外，没有室分系统的楼宇在规划建设室内分布系统时可以将WLAN信号一同考虑。如图2所示，将WLAN的无线射频信号通过合路器馈入室内分布系统，各频段信号共用天馈进行覆盖。图2室内型由于WLAN设备输出信号强度较小，一般采用后端合路，使AP尽量接近天线。共用室内分布系统的优点在于可以充分利用原有资源，工程量较小，经济快捷。另一方面，应注意WLAN使用与原有系统不同的频段，需更换支持2.4GHz的元器件；需重新进行链路预算。共用室内分布系统时天线点位可能不是最优的；且由于使用的AP较少，网络容量较低。3.1.3室外型AP覆盖方式对于居民楼、校园等以覆盖需求为主的地区，可以使用室外型AP进行覆盖。如图3所示，AP置于建筑物顶端或外墙，使用室外型AP和高增益天线，对室内进行覆盖。图3室外型采用室外型覆盖方式建设速度快，网络维护简单，投资少见效快。但应注意下面几方面问题。（1）室外WLAN信号和室内WLAN信号之间的干扰；（2）WLAN为共享带宽，无法保障单个用户的带宽；（3）室内WLAN信号的覆盖效果。3.1.4Mesh型网络覆盖方式对于室外较大面积（如城市、校园等）的WLAN覆盖可以采用Mesh型网络覆盖。如图4所示，Mesh技术采用网状网结构，通过若干个基于无线互联的AP群对目标区域进行覆盖，并将数据回传至有线IP骨干网。图4Mesh型网络覆盖此种建设方式部署灵活、建设快捷，对传输等资源需求较少。部署时应注意频率规划及对周边WLAN网络的影响。3.2链路预算在确定WLAN网络部署方式之后，就要进行链路预算。设发射机的输出功率为Pt，空间路径衰耗PL（d），电缆及各类器件的损耗Ls，发射天线增益为Gt，接收天线增益Gr，则接收机接收的功率电平Pr可用下面公式表示：Pr=Pt+Gt-PL(d)-Ls+Gr根据此公式可以计算得到各处的接收电平，进而确认AP覆盖范围。下面讨论在室外、室内的WLAN信号传播损耗。3.2.1室外环境无线局域网小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间传播模型。2.4GHz自由空间电磁波的传播路径损耗符合：L0(dB)=92.4+20lg(d)+20lg(f)其中L0为自由空间损耗；d为传输距离，单位是km；f为工作频率，单位是GHz。3.2.2室内环境选取衰减因子模型作为室内无线传播模型，其表示式为：其中PL(d0)=20lg（4πd0/λ），一般取d0=1m，当频率为2.45GHz时，其值为40dB；NMF表示基于测试的多楼层路径损耗指数。典型建筑物的路径损耗指数如表1所示。表1典型建筑物的路径损耗指数经过链路预算，可以初步确定AP的点位。3.3仿真通过手工计算链路预算比较繁琐，目前有很多公司开发了针对WLAN规划的仿真软件，规划效率较高，方案修改方便，且链路预算更为准确、直观。图5是针对某办公楼WLAN的信号强度仿真。图5针对某办公楼WLAN的信号强度仿真通过软件，可以将实际的环境中各项参数在仿真中体现出来，包括房屋构造、墙体材料、门窗位置、家具布局等，再现一个近乎实际的场景。仿真后可以得到信号强度、信噪比等多项指标，通过结果可以对网络进行重新调整和仿真。部分仿真软件甚至能够根据客户需求自动进行WLAN规划。图6频率规划4、频率规划IEEE802.11b/g设备使用2.4～2.4835GHz频段。工作频率带宽为83.5MHz，划分为14个子频道，每个子频道带宽为22MHz；互不干扰的子信道有3个。（802.11a使用5.8GHz频段，目前应用较少，本文暂不做讨论。）与蜂窝网类似，3个互不干扰信道可以进行频率复用，但应确保使用同一信道的AP之间应有足够远的距离，避免干扰。理想的WLAN部署情形如图7所示。图7理想的WLAN部署情形AP覆盖区域之间应有重叠区，以保证无缝覆盖和适应负载均衡。5、容量规划随着WLAN的普及，出现了一些用户密集的热点区域，这些区域是WLAN设计的难点和重点。下面讨论AP接入能力、干扰对WLAN速率的影响几个方面的问题。5.1单AP接入能力由于WLAN采用CSMA/CA机制，如果接入用户过多，那么同一时刻发生冲突的概率明显增大，也必定会延长每个用户等待的时间，而使得系统带宽闲置；如果用户超过一定的限度，会导致系统的瘫痪。工程设计上一般每AP接入用户数在20～30台左右应该比较合适。5.2信道干扰5.2.1其它设备的干扰经过测试，使用2.4GHz频段的设备中，蓝牙等小功率设备对WLAN网络的影响很小，可以忽略；微波炉等大功率设备对WLAN网络的影响较大，在网络设计时应注意远离此类设备。图8是微波炉对WLAN（802.11b）传输速率影响的曲线图。图8微波炉对WLAN（802.11b）传输速率影响的曲线图从图中可以看出，WLAN设备靠近干扰源时，传输速率迅速下降。5.2.2同道干扰WLAN采用的直接序列扩频技术的扩频码是标准的，不同的设备使用相同的扩频码，因此相邻小区不能使用相同频率，否则将造成同频干扰。图9、10分别是相距40m的两个802.11b的AP使用1、6信道和1、1信道时的网络吞吐量。图9两AP分别使用1、6信道图10两AP均使用1信道在使用非干扰频段时，两AP总吞吐量可以接近11Mbit/s；在同频时总吞吐量不足6Mbit/s，此时2个AP与非干扰情况下1个AP的吞吐量接近。所以，在有限范围内单纯采用增加AP的办法是无法提高网络容量的。5.2.3邻道干扰两信道中心频率小于25MHz时，信道之间存在重叠区域，会有部分干扰。图11曲线是两AP信道间隔分别为0～5情况下的总吞吐量曲线。图11两AP信道间隔分别为0～5情况下的总吞吐量曲线使用邻频可以增加可用频点数，但会引入干扰，工程上一般仍采用1、6、11三个完全不干扰的频段。对于使用邻频的能否使系统总容量得以及提升、提升效果还有待进一步的试验来验证。5.3干扰规避及容量提升通过规避干扰提升网络容量，尤其是在小范围提供大容量的无线局域网是WLAN设计的难点。针对干扰规避和容量提升，业内主要有如下几种建议：充分利用天然隔断（如建筑物、墙体等）、使用802.11a、降低AP发射功率、使用扇区天线或智能天线。利用隔断进行频率复用是WLAN网络规划的基本方法，802.11a的使用主要受限于用户发展，这里都不再赘述。下面针对后两种建议进行简单讨论。5.4降低AP发射功率降低AP发射功率可以减少AP的覆盖范围，从而增大频率复用度。降低AP发射功率，可以减少AP之间的相互干扰；但是，STA的发射功率一般为30mW，部分STA设备的功率用户是无法控制的，所以AP与STA之间、STA与STA之间的干扰依然存在，所能带来的容量提升也有限。5.5扇区天线，智能天线此技术用于蜂窝网络，使容量得以提升。WLAN使用扇区天线或智能天线，可以减少AP之间以及STA与AP之间的干扰，在一定程度上能够提升容量。但是STA均使用全向天线，功率不可调，STA之间的干扰依然无法避免；另一方面，WLAN覆盖半径一般不会大于200m，在室内或是地形、地物复杂的情景下，折射、反射等因素使得在如此小范围内精确控制天线方向图比较困难，使用扇区天线或智能天线带来的容量提升就会大打折扣。所以，目前定向天线更多地应用于信号回传和增大覆盖范围。6、网络优化在网络规划设计及建设完成之后，需要对实际网络质量进行测量，并根据测量结果对网络进行调整，以确保信号强度、干扰等指标达到目标值。7、总结随着WLAN网络的日益普及，其网络规划的重要性将日益突出，WLAN网络的规划需要在实际工作中不断完善，并随着WLAN技术的进步而进一步发展，使WLAN向着高效、安全、运营级的网络目标不断迈进。