基于WLAN構建無線城市的規劃設計分析

王瑞峰

（中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司 北京 100038）

基于WLAN構建無線城市的規劃設計分析

王瑞峰

（中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司 北京 100038）

發展WLAN業務，使用高速寬帶無線技術覆蓋城市熱點地區，隨時隨地向公眾提供基于無線終端的網絡接入服務，對于實現無線城市，提高城市化水平具有重要意義。本文簡單介紹了WLAN產業發展現狀，分析了WLAN熱點選取策略，深入研究了WLAN規劃設計的原則和方案。

無線城市；無線局域網；規劃設計

1 引言

所謂“無線城市”，就是利用高速寬帶無線網絡把一座城市覆蓋起來，實現網絡和應用的無處不在。對于建無線城市而言，有五大條件需要具備，即技術條件、網絡部署、運營模式、市場需求以及終端支持，其中關鍵在于網絡部署和運營模式。隨著用戶對移動寬帶的需求日益強烈，帶來了數據流量的劇增。宏網絡逐漸成為業務發展的主要瓶頸，由于數據業務的不均衡性，熱點區域尤為突出。傳統方案即通過擴容來加大覆蓋，勢必帶來成本壓力，運營商希望尋找一種低成本接入方式卸載流量。鑒于WLAN技術在帶寬高、成本廉價和應用普及等方面具有獨到優勢，WLAN為固定寬帶接入和移動數據業務形成有效的補充：對于固定寬帶接入業務，WLAN可以提供最后一百米接入的無線延伸，大大方便用戶的使用，使固定寬帶接入移動化；對于移動數據業務，將3G和WLAN融合，從而使得終端既能夠通過WLAN訪問大流量的Internet業務，以減少對3G的帶寬壓力，又能夠通過WLAN訪問運營商的PS域業務（如MMS、手機郵箱、手機下載等），并可以利用3G的電信級能力補充WLAN功能（如認證、計費、精細的業務控制）。

因此，發展WLAN業務，對于電信運營商發展寬帶戰略，在全業務運營環境下樹立寬帶競爭優勢，實現固網和移動業務融合具有重要意義。可以借助WLAN來促進固網寬帶和移動數據業務的發展，提升客戶體驗，增強寬帶業務的品牌優勢，對提高寬帶市場份額，拉動寬帶用戶增長和寬帶業務收入有著積極的促進作用。同時，將3G和WLAN融合，利用3G網絡提供語音和數據業務，WLAN網絡為數據業務提供補充，最終可以提升用戶的體驗，降低建網成本，增強競爭力。

2 WLAN產業發展現狀

WLAN是利用無線技術在空中傳輸數據、語音和視頻信號。作為傳統布線網絡的一種替代方案或延伸，無線局域網把個人從辦公桌邊解放了出來，使他們可以隨時隨地獲取信息，提高了員工的辦公效率。此外，WLAN還有其他一些優點。它能夠方便地實施聯網技術，因為WLAN可以便捷、迅速地接納新加入的雇員，而不必對網絡的用戶管理配置進行過多的變動。WLAN還可以在有線網絡布線困難的地方比較容易地實施，使用WLAN方案，則不必再實施打孔敷線作業，因而不會對建筑設施造成任何損害。目前，無線局域網有許多標準，比如IEEE 802.11、IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、藍牙、HomeRF等。目前,國內國際上采用的無線局域網技術主要是由思科、3Com、Promix、英特爾和杰爾公司共同創立的802.11b標準，傳輸速率為11 Mbit/s。

全球無線城市建設的浪潮同樣影響著中國，隨著“智慧城市”、“無線城市”紛紛寫入各地“十二五”規劃，帶動了國內眾多城市重點地區布局“熱點”的積極性，同時，國內自主品牌設備商積極配合以及產業鏈其他各方的積極合作，WLAN整體市場穩步增長。中國WLAN設備市場增長迅速，近幾年來，以公共運營為主、行業和家庭市場為輔的市場格局逐漸發生著轉變，行業及家庭市場發展加快。越來越多的企業配置了具備移動功能的數據設備，接入WLAN的需求愈加強烈，推動了WLAN設備的迅速增長。2008—2010年，WLAN市場以網絡建設為主要特點，運營市場發展較為平穩，保持了40%左右的增長速度。隨著網絡建設的逐漸完備及運營商業務的推廣，運營市場將于2011年開始實現55%以上的增長速度,預計2011年中國WLAN總體規模將達到85.3億元人民幣。中國WLAN市場發展的驅動因素主要來自以下幾個方面:

·互聯網網民數龐大，為WLAN提供了巨大市場空間；

·無線寬帶用戶攀升，拉動WLAN需求強勁；

·城市信息化進程帶動；

·設備價格下降降低運營商部署成本；

·WAPI成為國際標準，推動我國WLAN運營市場。

中國WLAN運營市場，基礎運營商是主要的市場主體。統計數據顯示，截至2010年底，中國電信的WLAN熱點超過10萬個，中國聯通有3萬個。中國移動在2011年4月初提出計劃在3年內將全國范圍內的Wi-Fi熱點數量增加至100萬個，從3月開始，中國移動啟動甘肅蘭州、重慶、四川、西安多個“無線城市”的建設。

3 WLAN熱點選取分析

目前，由于WLAN系統的大規模建設已經鋪開，WLAN的熱點選取規劃已經成為工程建設前期的重點，既要考慮到熱點的數據流量情況，更要以市場為主導，結合當地經濟、用戶生活習慣、集團客戶需求等多方面考慮，選取最有可能發生WLAN業務的區域來部署熱點。只有這樣，才可能讓投入獲取回報，形成良性循環。

根據WLAN用戶流動性強等特點，結合客戶實際需求，WLAN熱點優先級別定義見表1。

熱點區域需要進行有針對性的覆蓋，而不是整個熱點全覆蓋，下面分情況進行舉例說明。

·對有上網需求的公共區域進行重點覆蓋，如酒店大堂、會議室。

·對于已有免費固定上網服務的區域可不覆蓋，如酒店房間。

·對于無上網需求的區域不進行覆蓋，如電梯、地停。

具體幾種類型熱點覆蓋建議簡單分析如下。

（1）大學及專業院校

大學及專業院校熱點屬于大型、綜合性熱點，熱點內通常包含有教學樓、圖書館、食堂、學生公寓、教師宿舍、體育館、操場等室內外場所。對教學樓、圖書館和學生公寓等無線上網概率較大的區域進行重點覆蓋；對宿舍樓等有線上網方便的樓宇進行次要覆蓋；對食堂、體育館、操場的覆蓋可依學校具體特征來確定，如部分學校食堂在用餐時間之外可供學生看書用，可對這類食堂進行重點覆蓋；部分學校體育館比較簡單，對WLAN業務的需求不高，此外操場、草地等室外區域的覆蓋以信號覆蓋為主，容量設置在其次。

表1 WLAN熱點優先級別

（2）重要交通樞紐

重要交通樞紐這類熱點的人流量比較大，但人流存在分區域特征，如汽車站/火車站的乘客等候區、餐飲場所客人坐席、體育館看臺等區域，人流較大也存在短時間個人位置穩定性，這類熱點的人流密集區域屬于重點覆蓋對象，以室內覆蓋為主。

（3）大型會展中心

大型會展中心這類熱點通常面積較大，比較空曠，用戶密度較高，場館內部環境可能因展會不同而發生較大變化，以室內覆蓋為主；對于會議室、多功能廳的覆蓋可利用房間的分隔進行小區域覆蓋。

（4）電腦城、手機城、電器賣場

電腦城、手機城、電器賣場這類熱點通常總體面積較大，熱點區域集中，有數據業務需求，而有線接入資源不足，以室內覆蓋為主。

（5）重要寫字樓、集團客戶辦公區域

重要寫字樓、集團客戶辦公區域，其特點是部分寫字樓層較高，大樓內可存在辦公區、會議廳、休息區、餐廳等，需針對會議廳、休息區、餐廳進行重點覆蓋，辦公區進行次要覆蓋，以室內覆蓋為主，對較難通過室外覆蓋室內的方式完成信號覆蓋，可結合室內分布系統實現覆蓋。

對AP、AC的組網原則，AP主要部署在各個熱點地區，如校園、機場、星級酒店、寫字樓群、商務區、會展中心以及其他商務人員經常聚集的公共場所。對于有蜂窩基站的區域，可優先考慮蜂窩基站共址。按照AC的布放方式分為串接和旁掛兩種。按照AC的組網拓撲分為分布式和集中式。分布式是通過在WLAN的熱點地區部署AC，通過AC管理該熱點地區的AP，通過匯聚后接入BRAS，AC構成分布式部署。集中式是通過在城域網或者BRAS旁掛方式來部署AC，集中控制本廠商的多臺AP設備，要求集中式部署的AC容量較高。根據業務的特點和網絡的規模選擇AC布放的方式。如果熱點地區接入用戶少，建議采用集中式設置，以便于集中維護和管理，降低成本；如果熱點地區的用戶多，建議采用分布式設置，利于負載分擔。

4 WLAN規劃設計原則

WLAN網絡規劃流程可以分為調研及勘查、覆蓋設計、頻率規劃、容量規劃、網絡優化等步驟。

通過調研了解客戶需求，明確網絡覆蓋目標、應用背景，分析用戶對象群及數量、業務特征等；并對WLAN覆蓋現場進行勘查，獲得現場環境參數、傳輸及點位等資源情況。在此基礎上制定合理的WLAN網絡規劃總體原則和策略。

覆蓋設計階段首先確定WLAN網絡的覆蓋方式，即采用室內還是室外覆蓋方式、單獨建設還是與移動通信網絡合路等。確定覆蓋方式之后根據現場環境參數進行鏈路預算，在此基礎上初步確定AP點位及數量。在有條件的情況下，進行WLAN仿真，預測規劃效果，并根據仿真結果進行調整，直到各項參數達到目標值。

覆蓋設計之后根據前面確定的AP點位及數量進行合理頻率規劃，規避頻率干擾，力求將干擾降到最小。若頻點始終無法合理規劃，需重新調整AP的點位及數量。

然后根據用戶需求進行容量規劃。容量規劃與頻率規劃是相互關聯又相互制約的，提升容量將增大干擾，降低干擾又會減少網絡容量，容量規劃的目的就是找到容量和干擾整體最優的結合點。

最后，在WLAN網絡建成之后，進行實際的測試，做相應的優化調整，使網絡性能達到最優。

當然，WLAN網絡規劃的這幾個步驟之間是相互關聯、不可分割的，進行實際規劃設計時應綜合考慮這幾方面，這樣才能減少網絡規劃的往復次數，并使最終的WLAN網絡性能接近最優。

4.1 調研及勘查

前期調研和規劃是網絡規劃的基礎，是獲得規劃輸入參數的過程。調研階段需與運營商進行良好溝通，以確定準確的覆蓋目標、網絡設計容量以及網絡的預期質量。

由于WLAN信號在空間衰減較快，且WLAN多應用于室內環境，建筑結構、房屋材質對WLAN信號的影響很大，需進行現場的勘查，為WLAN的規劃、仿真做好前期準備。另外，WLAN使用的是非授權頻段，前期勘查的另一目的是確認附近是否有干擾源，是否需要與其他運營商或企業商議頻率問題或采取其他干擾規避措施。

4.2 覆蓋設計

4.2.1 覆蓋方式

WLAN網絡大體可以分為以下2種場景、4類覆蓋方式：一種為室內覆蓋，單獨建設方式、共用室內分布系統建設方式；另一種為室外覆蓋，室外型AP覆蓋方式、Mesh型網絡覆蓋方式。

（1）室內單獨建設方式

這是目前最簡單、應用最廣的WLAN建設方式。

采取單獨建設方式時，主要根據WLAN的覆蓋和容量需求在相應的位置布放，并將走線長度控制在允許范圍內。隨后的鏈路預算只需計算空間損耗即可。

一般來說，單獨布放點位選擇比較靈活，基本可以使用適合WLAN覆蓋的最佳點位，并且由于使用了較多的AP，可以獲得較大的網絡容量。

（2）共用室內分布系統建設方式

目前很多高檔寫字樓已經進行了移動通信的室內分布系統建設，在引入WLAN時可以考慮采用共用室分系統的建設方式；另外，沒有室分系統的樓宇在規劃建設室內分布系統時可以將WLAN信號一同考慮。

如圖1所示，將WLAN的無線射頻信號通過合路器饋入室內分布系統，各頻段信號共用天饋進行覆蓋。

由于WLAN設備輸出信號強度較小，一般采用后端合路，使AP盡量接近天線。

共用室內分布系統的優點在于：可以充分利用原有資源，工程量較小，經濟快捷。另一方面，應注意WLAN使用與原有系統不同的頻段，需更換支持2.4 GHz的元器件，需重新進行鏈路預算。共用室內分布系統時天線點位可能不是最優的；且由于使用的AP較少，網絡容量較低。

（3）室外型AP覆蓋方式

對于居民樓、校園等以覆蓋需求為主的地區，可以使用室外型AP進行覆蓋。采用室外型覆蓋方式建設速度快，網絡維護簡單，投資少見效快。但應注意下面幾方面問題：室外WLAN信號和室內WLAN信號之間的干擾；WLAN為共享帶寬，無法保障單個用戶的帶寬；室內WLAN信號的覆蓋效果。

（4）Mesh 型網絡覆蓋方式

對于室外較大面積（如城市、校園等）的WLAN覆蓋可以采用Mesh型網絡覆蓋。Mesh技術采用網狀網結構，通過若干個基于無線互聯的AP群對目標區域進行覆蓋，并將數據回傳至有線IP骨干網。

此種建設方式部署靈活、建設快捷，對傳輸等資源需求較少。部署時應注意頻率規劃及對周邊WLAN網絡的影響。

4.2.2 鏈路預算

在確定WLAN網絡部署方式之后，就要進行鏈路預算。

設發射機的輸出功率為 Pt，空間路徑衰耗PL（d），電纜及各類器件的損耗Ls，發射天線增益為Gt，接收天線增益Gr，則接收機接收的功率電平Pr可用式（1）表示：

根據此式可以計算得到各處的接收電平，進而確認AP覆蓋范圍。

圖1 共用室內分布系統型

下面討論在室外、室內的WLAN信號傳播損耗。

（1）室外環境

無線局域網小區的覆蓋范圍較小，因此采用自由空間傳播模型。2.4 GHz自由空間電磁波的傳播路徑損耗符合：

L0(dB)=92.4+20 lg(d)+20 lg(f)

其中L0為自由空間損耗；d為傳輸距離，單位是km；f為工作頻率，單位是GHz。

（2）室內環境

選取衰減因子模型作為室內無線傳播模型，其表示式為：

其中 PL(d0)=20 lg（4πd0/λ），一般取 d0=1 m，當頻率為2.45 GHz時，其值為40 dB；NMF表示基于測試的多樓層路徑損耗指數。典型建筑物的路徑損耗指數見表2。

表2 典型建筑物的路徑損耗指數

經過鏈路預算，可以初步確定AP的點位。

4.2.3 仿真

通過手工計算鏈路預算比較繁瑣，目前有很多公司開發了針對WLAN規劃的仿真軟件，規劃效率較高，方案修改方便，且鏈路預算更為準確、直觀。

通過軟件，可以將實際的環境中各項參數在仿真中體現出來，包括房屋構造、墻體材料、門窗位置、家具布局等，再現一個近乎實際的場景。仿真后可以得到信號強度、信噪比等多項指標，通過結果可以對網絡進行重新調整和仿真。部分仿真軟件甚至能夠根據客戶需求自動進行WLAN規劃。

4.3 頻率規劃

IEEE 802.11b/g設備使用2.4～2.4835 GHz頻段。工作頻率帶寬為 83.5 MHz，劃分為 14個子頻道，每個子頻道帶寬為22MHz；互不干擾的子信道有3個，如圖 2所示。

圖2 頻率規劃

圖3 理想的WLAN部署情形

與蜂窩網類似，3個互不干擾信道可以進行頻率復用，但應確保使用同一信道的AP之間應有足夠遠的距離，避免干擾。理想的WLAN部署情形如圖3所示。

AP覆蓋區域之間應有重疊區，以保證無縫覆蓋和適應負載均衡。

4.4 容量規劃

隨著WLAN的普及，出現了一些用戶密集的熱點區域，這些區域是WLAN設計的難點和重點。下面討論AP接入能力、干擾對WLAN速率幾個方面的影響問題。

（1）單 AP接入能力

由于WLAN采用CSMA/CA機制，如果接入用戶過多，那么同一時刻發生沖突的概率明顯增大，也必定會延長每個用戶等待的時間，而使得系統帶寬閑置；如果用戶超過一定的限度，會導致系統的癱瘓。工程設計上一般每AP接入用戶數在20～30臺應該比較合適。

（2）信道干擾

經過測試，使用2.4 GHz頻段的設備中，藍牙等小功率設備對WLAN的影響很小，可以忽略；微波爐等大功率設備對WLAN的影響較大，在網絡設計時應注意遠離此類設備。圖4是微波爐對WLAN（802.11b）傳輸速率影響的曲線圖。

從圖4中可以看出，WLAN設備靠近干擾源時，傳輸速率迅速下降。

圖4 微波爐對WLAN（802.11b）傳輸速率影響的曲線圖

·同道干擾

WLAN采用的直接序列擴頻技術的擴頻碼是標準的，不同的設備使用相同的擴頻碼，因此相鄰小區不能使用相同頻率，否則將造成同頻干擾。圖5和圖6分別是相距 40 m的兩個 802.11b的 AP使用 1、6信道和 1、1信道時的網絡吞吐量。

在使用非干擾頻段時，兩AP總吞吐量可以接近11 Mbit/s；在同頻時總吞吐量不足6 Mbit/s，此時2個AP與非干擾情況下1個AP的吞吐量接近。所以，在有限范圍內單純采用增加AP的辦法是無法提高網絡容量的。

圖5 兩AP分別使用1、6信道

圖6 兩AP均使用1信道

·鄰道干擾

兩信道中心頻率小于25 MHz時，信道之間存在重疊區域，會有部分干擾。圖7曲線是兩AP信道間隔分別為0～5情況下的總吞吐量曲線。

圖7 兩AP信道間隔分別為0～5情況下的總吞吐量曲線

使用鄰頻可以增加可用頻點數，但會引入干擾，工程上一般仍采用1、6、11三個完全不干擾的頻段。對于使用鄰頻的能否使系統總容量得以提升、提升效果還有待進一步的試驗來驗證。

通過規避干擾提升網絡容量，尤其是在小范圍提供大容量的無線局域網是WLAN設計的難點。針對干擾規避和容量提升，業內主要有如下幾種建議：充分利用天然隔斷（如建筑物、墻體等）、使用802.11a、降低AP發射功率、使用扇區天線或智能天線。

利用隔斷進行頻率復用是WLAN網絡規劃的基本方法，802.11a的使用主要受限于用戶發展，這里都不再贅述。下面針對后兩種建議進行簡單討論。

（1）降低 AP 發射功率

降低AP發射功率可以減少AP的覆蓋范圍，從而增大頻率復用度。降低AP發射功率，可以減少AP之間的相互干擾；但是，STA的發射功率一般為30 mW，部分STA設備的功率用戶是無法控制的，所以AP與STA之間、STA與STA之間的干擾依然存在，所能帶來的容量提升也有限。

（2）扇區天線，智能天線

此技術用于蜂窩網絡，使容量得以提升。WLAN使用扇區天線或智能天線，可以減少AP之間以及STA與AP之間的干擾，在一定程度上能夠提升容量。但是STA均使用全向天線，功率不可調，STA之間的干擾依然無法避免；另一方面，WLAN覆蓋半徑一般不會大于200 m，在室內或是地形、地物復雜的情景下，折射、反射等因素使得在如此小范圍內精確控制天線方向圖比較困難，使用扇區天線或智能天線帶來的容量提升就會大打折扣。所以，目前定向天線更多地應用于信號回傳和增大覆蓋范圍。

4.5 網絡優化

在網絡規劃設計及建設完成之后，需要對實際網絡質量進行測量，并根據測量結果對網絡進行調整，以確保信號強度、干擾等指標達到目標值。

5 結束語

作為一種技術成熟、用戶認知度較高的無線寬帶接入技術，WLAN為固定寬帶接入和移動數據業務形成有效的補充，在對WLAN的熱點選取規劃時要以市場為主導，合理地選取最有可能發生WLAN業務的區域來部署熱點，才能有效緩解3G網絡在熱點區域的帶寬壓力。同時將WLAN和3G網絡有機地結合起來，促進固移融合業務的發展，提升用戶體驗。

2011-06-09）