运营商WLAN网络室内覆盖解决方案分析

运营商WLAN网络室内覆盖解决方案综述关键字：IEEE802。11bOWLANSIM认证天馈系统单网WLAN方案双网（GSM/WLAN）合一摘要：本文针对运营商WLAN网络解决方案的设计进行了介绍，根据笔者多年的工作经验，对WLAN热点的无线信号覆盖系统进行了系统、多角度的分析。到目前为止，中国移动、中国电信、中国网通相继在全国范围内布署了自己的运营商WLAN（简称OWLAN）网络。根据已建成的几个OWLAN网络来看，均是基于IEEE802.11b标准的WLAN网络；做为专业的运营商级WLAN网络系统的集成商，我们在过去的工程建设中，积累出了一些针对运营商WLAN网络的解决方案，与大家共享。一、运营商WLAN网络体系结构1．网络结构：电信业务运营商具有一个覆盖全国业务骨干网络，在此基础上建设OWLAN网络的认证服务（AuthenticationService）、计费服务（AccountService）中心和热点覆盖网络等，它们的网络层次结构如下图：图1OWLAN网络的典型结构上述网络结构中，在城域网以上属于运营商的全国业务骨干网络，自AC以下属于WLAN热点网络，在后面的分析中我们将对WLAN热点网络的建设方案进行讨论。2．认证流程：WLAN终端与热点AP建立网络连接，通过无线设备发出认证请求，经过OWLAN网络透明传输，到达认证服务器，请求数据经过处理，返回认证结果给WLAN用户终端，如果通过认证，计费服务器开始计费。目前运营商级WLAN网络的认证方式有：（1）Web页面+帐号认证；（2）EAP-SIM认证；（3）VPN虚拟拔号认证。在一些运营商WLAN网络中可以提供两种或两种以上的认证方式。3．热点类型：一般情况下，对于WLAN中的主要设备——AC（AccessController）而言，将它的安装位置不同可以将WLAN热点分为分布式热点和集中式热点。对于分布式热点，AC安装在热点区域机房内，管理该热点的AP和用户；这种解决方案适合于重要场所，用户数规模大，以及未来有特殊需要的热点。比如，机场，大型博览中心等。集中式热点：将AC安装在一个比较集中的中心机房，用来管理多个小型热点的AP及用户，节省投资。比如，运营商的营业厅，咖啡馆/酒吧等。分布式与集中式没有严格的区分标准，在网络建设中，一般根据所建设热点的实际环境及用户规模而定。如果不容易确定采用什么方式的热点，可以先考虑用集中式组网；经过一段时间的运行，若确有必要再扩建网络容量，改为分布式。二、网络解决方案编写WLAN网络解决方案时，可以采取以下原则：信号覆盖位置要准确；信号强度达到建设方的要求，并符合国家相关标准；系统容量符合要求；不浪费建设方的投资；充分考虑热点物业业主的要求；方案的文字表达清楚明确。根据以上原则，为了能设计出更合适的WLAN热点建设方案，可以将WLAN建设方案种类列为下表：WLAN热点建设方案列表分类依据方案类别备注按热点AC建设方式分集中式方案分布式方案以AC的安装位置来决定按信号频率种类分单网WLAN方案双(多)网合一方案(GSM/WLAN/3G)WLAN的无线信号和GSM、CDMA等信号是否共用天馈系统按热点建筑分室内覆盖方案（商业大厦、酒店等）室外覆盖方案（住宅小区、广场）以WLAN的信号所覆盖区域的建筑特点来决定WLAN的网络系统由有线网络和无线信号覆盖两部分组成，在方案设计过程中，不但要仔细考虑有线网络的建设方案，还要重点设计合适的无线信号覆盖方案。由于WLAN网络的有线部分与局域网络相似，在此略去，下面重点讨论无线信号覆盖部分的方案设计。（一）单网WLAN方案下面是一个酒店WLAN热点例子，系统覆盖图如下：地面-1F设备机房1F酒店大堂2F咖啡厅3F会议室4F健身&休闲室5F商务客房走廊大堂休息区前台多功能厅会议室1会议室2会议室3设备机柜ANT1-1FANT2-2FANT3-2FANT4-3FANT5-3FANT6-3FANT7-4FANT8-5FANT9-5FANT10-5FAP01-1FAP02-3FAP03-5F安装AP位置的设备详图0.5WAPPA功放功率分配器0.5WAP-wlanWLAN功率放大器全向吸顶天线室外内壁挂天线图2XX酒店WLAN热点覆盖图1．方案说明：这是一个中型酒店的覆盖方案，由于整个酒店建筑已于2001年建设了GSM直放站覆盖系统，主要是解决-1F停车场及部分高层客房手机信号弱和掉话的问题；所以在原有天馈系统上加载WLAN信号，将达不到其覆盖效果，经过实地勘测和讨论决定采用单独WLAN信号覆盖方案。2．热点覆盖描述：方案中采用了3台AP，3台WLAN干放，10幅室内天线（1幅壁挂天线/9幅全向吸顶天线），覆盖区域酒店1F大堂，2F会议室与咖啡厅，3F会议室（多间），4F健身与休闲室，5F客房，总覆盖面积约1500M2。3．系统方案特点：覆盖区域与投资额——覆盖区域涉及多个楼层，各覆盖区域不规则，信号覆盖效果必须达到要求；从建设方来讲，投资额要尽量节省。方案中采用了AP加WLAN干放的方法，将AP的射频信号适当放大，用信号馈线将WLAN信号引入到覆盖目标区。天线功率分配均衡——对覆盖区域的装修结构必须清楚，根据实地情况采用合适的覆盖天线；比如，室内小区域（100~200M2）采用全向吸顶天线，空旷的大区域（300M2以上）采用方向性较好的壁挂天线或小板状天线，进行有效覆盖。在上例中，2F的多功能厅约有400M2，楼层高为7米，从施工难易程度和业主对工程美观性的要求等多方面因素考虑，采用壁挂天线比较合适。信号覆盖区域的轻重明显——根据实地勘测情况，需要对整个热点的覆盖区域分清重点区域和次要区域；对于WLAN用户集中的区域，WLAN信号要足够强，系统容量尽量大，对于WLAN用户少的区域，尽量从节省投资的角度考虑系统设计。在上例中，可以看出2F多功能厅与3F会议室为重点区域，4F为次要区域，其它区域介于二者之间；2F和3F的天线稠密，4F的天线就稀疏，介于二者之间的1F与5F的区域均匀布放天线。4．方案小结：在上述方案中，系统设计兼顾了提高信号覆盖质量、降低工程施工的难易程序、节省工程投资额等诸多方面的因素，力求WLAN方案最佳。（二）双网(GSM/WLAN)合一方案在此，举一个商业广场的例子来说明。HUBWLAN机柜GSM信源0.5wT01-1FAP01-1FPA01-1FCB01-1FPS01-1FANT01-1FANT02-1FANT03-1F0.5wT02-2FAP02-2FPA02-3FCB02-2FPS02-2FANT04-2FANT05-2FANT07-2F0.5wT03-3FAP03-3FPA03-3FCB03-3FPS03-3FANT08-3FANT09-3FANT10-3FANT06-2F略图例：AP接入点0.5w2.4GHz功放GSM/WLAN合路器耦合器三/四功分器吸顶天线壁挂天线弱电井安装设备弱电井安装设备弱电井安装设备-1F机房设备五类线馈线图3系统原理图该商业广场4F以上为商住套房（该部分无WLAN覆盖要求，在系统图中省略），1F-3F为商铺，其中1F所有商铺呈“∩”形，2F-3F的商铺呈“回”字形，如图4。根据现场勘测来看，在商业广场的1F~3F计划安装GSM信号覆盖系统和WLAN信号覆盖系统，从施工方面和节约投资的角度等多方面考虑采取GSM和WLAN共用一套天馈系统的方案，即GSM/WLAN双网合一方案。在这种结构的网络中，经过宽频带合路器件，将不同频段的无线信号合路到一条馈线上进行信号传输，这就是双网（或多网）合一的实现原理。在整个天馈系统中，所有无源器件及信号线缆均需支持GSM900/1800/1900MHz和WLAN2.4GHz两个频段频率，其中宽频带合路器是双网合一系统中的关键器件，宽频带合路器应具有工作频带宽、插入损耗小、驻波小、输入端之间隔离度大、功率容量大、交调指标好等特点。根据现场模拟测试结果，1F需要安装3幅吸顶天线，2F安装4幅吸顶天线对“回”字形的商铺进行覆盖，3F安装2幅吸顶天线和1幅壁挂天线，在这样的天线分布系统的覆盖区域，GSM和WLAN信号均能达到有效覆盖。根据实地模拟测试发现在建筑物的南北方面上的各楼间，信号易于穿透楼层到达相邻楼层，所以在方案中安排了上述各楼层的天线数量及布放位置。在3F安装了1幅壁挂天线，它具有水平方向角120°，天线增益6～８dBi，这是用来覆盖1F～3F中央的中空展示厅，并对1F~3F吸项天线信号比较弱的区域进行弥补覆盖。经过工程开通后测试，在覆盖区域WLAN信号为≥-71dBm，满足建设单位的信号强度要求。弱电井中空商铺区商铺区商铺区商铺区商铺区3F弱电井商铺区商铺区商铺区商铺区1FPS01-1FPS03-3FANT01-1FANT02-1FANT03-1FANT08-3FANT09-3FANT10-3F北南弱电井中空商铺区商铺区商铺区商铺区商铺区2FPS02-2FANT04-2FANT05-2FANT06-3FANT07-3F电梯电梯电梯电梯电梯电梯图4天馈器件布放图上述两个类型的方案例子，重点对无源天馈系统进行了详细的分析，以达到最佳的信号强度覆盖。在WLAN热点建设中，还有诸如AP信道选择、系统用户容量等等问题没有谈到，下面对此类问题统一论述。三、方案分析及网络优化1．AP信道选择在AP信道配置方面，依据802.11b及国家无委会对2.4G频段扩频设备的使用规定，该频段的工作频率带宽为83.5MHz，最多有13个信道可用，具体信道标号及其中心频率如下所示：信道标号中心频率信道低端/高端频率12412MHz2401/2423MHz22417MHz2406/2428MHz32422MHz2411/2433MHz42427MHz2416/2438MHz52432MHz2421/2443MHz62437MHz2426/2448MHz72442MHz2431/2453MHz82447MHz2436/2458MHz92452MHz2441/2463MHz102457MHz2446/2468MHz112462MHz2451/2473MHz122467MHz2456/2478MHz132472MHz2461/2483MHz表1信道频率表根据上表，在同一区域，存在多个AP的情况下，为保证AP信道频率之间不相互干扰，要求两个频道的中心频率间隔不能低于25MHz，即信道频率范围没有重叠，所以相邻AP间的信道频率必须两两隔离，在DSSS技术中最多可以提供3个不重叠的频道同时工作，应用中一般选择1，6，11三个频道进行频率规划，对于热点AP数大于3时，采用同一信道的AP之间不能有相邻和重叠的信号覆盖区域。在前面所举的两个例子中，均只使用了3个AP，所以它们的信道选择可以指定为1，6，11当中的任意一个；在单网WLAN的方案中，如果还有6F、7F等楼层，这时所用AP数将大于3，那么在6F的AP信道一般选择与1F的AP相同，依次类推7F选择与3F的AP相同，等等。2．系统用户容量假设一个前提：热点的机房设备与运营商中心机房之间有足够大的数据传输速率。对于上述两例中，根据设备性能及系统建设的合理性，我们一般给定热点上的AP用户容量为：25用户／AP，则某一热点的系统用户容量=25╳AP数量在此，我们以第一个例子的方案来讲述，如何优化WLAN网络的用户容量配置问题？在商务过程中，可能有这样的情况发生，一个商业活动正在酒店2F的多功能厅举行，这时这个地方的用户可能超过25，假设有40个用户，要满足用户的需要，就得增加AP数量，这是其一；当与会人员在多功能厅举行完会议后，可以还需要到3F的会议间进行分组讨论或开会，这时3F的AP用户容量又将成为网络瓶颈，需要增加AP数量，这是第二点；如果这样简单增加覆盖区域AP数量，那么2F和3F就将需要4个AP；这样不但增加了信道选择的难度，又造成了AP资源浪费。于是我们提出将2F和3F原有的两个AP进行电桥合路的方案来解决上述情况：用户数量突发增加而造成的用户容量瓶颈。请看下面的电桥合路原理图(图5