無線局域網(wǎng)室外覆蓋路徑損耗計算分析及規(guī)劃布局建議

侯 群,高 立

(1.江漢大學物理信息工程學院,武漢 430056,2.華中科技大學光電系,武漢 430074)

1 引 言

從家庭、學校到電信運營商,無線局域網(wǎng)(WLAN)已經(jīng)成為寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務最主要的承載方式。目前,很多文獻對WLAN的空間信道衰落模型、鏈路預算及平衡、覆蓋模擬仿真等方面進行了研究。文獻[1]介紹了WLAN的物理層和相關(guān)技術(shù)標準;文獻[2,3]解釋了WLAN包含的IEEE 802.11a/b/g等幾種標準的主要頻率特性及技術(shù)特點;文獻[4]研究了WLAN在2.4GHz的高速數(shù)據(jù)傳輸原理;文獻[5,6]闡述了無線局域網(wǎng)的基本原理、技術(shù)與應用;文獻[7,8]分析了WLAN的幾種空間衰落模型;文獻[9]研究了2.4GHz無線局域網(wǎng)在室內(nèi)外傳播的路徑損耗。這些文獻說明:WLAN的主要應用場景有室內(nèi)分布、室內(nèi)放裝和室外覆蓋等。室內(nèi)覆蓋形式的優(yōu)點是覆蓋好、信號穩(wěn)定,但其不足是工程量大,費用大,周期長,尤其對于一些特定的場景如商業(yè)街、學校、廣場等區(qū)域的覆蓋則必須依靠室外覆蓋來解決。因此,對于WLAN無線傳播的研究分析就顯得尤為重要,WLAN空間信道衰落模型、鏈路預算及平衡、覆蓋模擬仿真等方面的研究將為WLAN室外覆蓋的規(guī)劃和優(yōu)化提供指導依據(jù)。

本文對WLAN空間信道衰落模型在不同覆蓋情形下尤其針對密集市區(qū)覆蓋情形下的路徑損耗進行了計算分析,為WLAN的室外覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化提供了無線信號空間傳播衰落方面的依據(jù)。

2 WLAN標準的頻率特性及技術(shù)特點

WLAN目前主要包含有IEEE 802.11a/b/g幾種標準。其中,IEEE 802.11b/g主要用于無線接入點(Access Point,AP)和客戶端ST A(Station)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸,IEEE 802.11a用于點與點之間的橋接等。IEEE 802.11b/g在美國開放1～11信道,中國和歐洲開放1～13信道,日本僅開放14信道。IEEE 802.11b/g工作頻段劃分參見圖1[3]。

圖1 IEEE 802.11b/g工作頻段劃分圖Fig.1 The frequency band division of IEEE802.11b/g

信道1在頻譜上和信道2、3、4、5都有交疊的地方,為了最大程度地利用頻段資源,可以使用1、6、11,2、7、12,3 、8、13,4、9、14 這 4 組互相不干擾的信道來進行無線覆蓋。由于只有部分國家開放了12～14信道頻段,所以一般情況下,都使用1、6、113個非重疊信道來進行頻率規(guī)劃。

在考慮室外覆蓋場景時,涉及到AP和STA之間的數(shù)據(jù)傳輸通信都是工作在2.4GHz頻段,因此后續(xù)的空間信道衰落等分析計算將主要考慮2.4GHz頻段的頻率特性。

3 WLAN信號空間傳播模型及分析

無線電波信號在自由空間的傳播損耗(Free Space Path Loss,FSPL)為

式(1)只能應用于自由空間或者無線環(huán)境很好,無反射、無散射、無衍射的條件下,對于有密集建筑物的中心城區(qū),它計算出的路徑損耗大大偏小。

一個有效的傳播模型能很好地預測出傳播損耗,在無線通信領(lǐng)域,目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等[4]。

COST231 Hata模型是 EURO-COST組成的COST工作委員會開發(fā)的Hata模型的擴展版本。IEEE 802.11b/g工作在2.4GHz頻段,傳播模型可使用如下COST231 Hata修正模型:

式(1)和式(2)中,f為工作頻率,單位為MHz;Ht為基站/AP天線有效高度,單位為m,定義為基站/AP天線實際海拔高度與天線傳播范圍內(nèi)的平均海拔高度之差;Hr為終端/STA有效天線高度,單位為m,定義為終端/STA天線高出地表的高度;d為基站/AP天線和終端/STA天線之間的水平距離,單位為km;α(Hr)為有效天線修正因子,是覆蓋區(qū)大小的函數(shù),其數(shù)值與所處的無線環(huán)境相關(guān);Cm為修正因子,密集城區(qū)(Dense Urban)取值-3,一般城區(qū)(Urban)為 -6,郊區(qū)(Suburb)為 -12,農(nóng)村(Rural)為-20。

WLAN室外覆蓋示意圖見圖2。

圖2 WLAN室外覆蓋示意圖Fig.2 Diagram of WLAN outdoor coverage

WLAN進行室外覆蓋及布站規(guī)劃需根據(jù)不同區(qū)域場景實施,可以設置新站點,也可以與原有的GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/PHS基站共站址。對于不同的AP高度Ht,其覆蓋情況會如何呢?信號能否覆蓋到底層的街道或者較遠處的不同樓層?下面進行不同AP高度 (Ht)、不同STA高度 (Hr)和不同距離d的空間傳播損耗計算,從而為WLAN基站布局及室外覆蓋提供路徑損耗方面的依據(jù)[5]。

圖3是AP天線高度Ht=50 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、30 m、45 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區(qū)的WLAN信號路徑損耗圖。

圖3 WLAN路徑損耗(密集城區(qū),Ht=50 m,f=2.4GHz)Fig.3 WLAN path loss(Ht=50m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖4是AP天線高度Ht=30 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、25 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區(qū)的WLAN信號路徑損耗圖。

圖4 WLAN路徑損耗(密集城區(qū),Ht=30m,f=2.4GHz)Fig.4 WLAN path loss(Ht=30m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖5是AP天線高度Ht=15 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、13 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區(qū)的WLAN信號路徑損耗圖。

圖5 WLAN路徑損耗(密集城區(qū),Ht=15 m,f=2.4GHz)Fig.5 WLAN path loss(Ht=15m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖6是AP天線高度Ht=30 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、25 m,距離 d從100～ 1500 m時,在郊區(qū)的WLAN信號路徑損耗圖。

圖6 WLAN路徑損耗(郊區(qū),Ht=30 m,f=2.4GHz)Fig.6 WLAN Path Loss(Ht=30 m,f=2.4GHz,Suburb)

對比圖4和圖6可以看到:在密集城區(qū),WLAN信號空間損耗明顯大于郊區(qū),覆蓋范圍也將小于郊區(qū)。

從圖3～5可以看出:在密集城區(qū),當AP天線高度一定時,WLAN空間路徑損耗隨著傳輸距離增加而逐漸增加,而隨著STA天線高度的增加而逐漸變小,說明WLAN實現(xiàn)室外覆蓋時,對街道或樓房底層的覆蓋將是最弱的;反過來說,如果街道或者樓房底層的信號電平滿足了覆蓋的要求,同一位置的較高樓層的信號電平在無阻擋時將是滿足覆蓋要求的。

在密集城區(qū),如果WLAN系統(tǒng)在AP和STA之間的最大容忍路徑損耗為120dB,則系統(tǒng)覆蓋范圍將局限在300～500 m。如何布局基站/AP,將決定目的覆蓋區(qū)域的覆蓋效果和基站/AP的使用數(shù)量,這就對系統(tǒng)的布局規(guī)劃提出了更高的要求。可以通過AP的立體網(wǎng)布局來解決不同層次的覆蓋,或者提高系統(tǒng)可容忍的最高路徑損耗來緩解,對于后一種方案需要提高基站/AP的接收靈敏度或者增加塔放來增強系統(tǒng)上行(Uplink)的性能來實現(xiàn)。

4 WLAN室外覆蓋規(guī)劃建議

通過對以上數(shù)據(jù)的計算和分析,可為WLAN室外覆蓋規(guī)劃提供建議如下:

(1)將WLAN室外覆蓋系統(tǒng)可容忍最大路徑損耗值作為參考進行系統(tǒng)基站/AP的布局規(guī)劃,可進行立體網(wǎng)布局,低天線高度的AP負責街道、廣場和低樓層覆蓋,高天線高度的AP負責對較高樓層的覆蓋;

(2)為了擴大單AP的覆蓋范圍,考慮使用高功率、高接收靈敏度的AP/基站,同時考慮使用高增益的天線/智能天線或塔頂放大器來提高系統(tǒng)可容忍最大路徑損耗值,從而實現(xiàn)有效的WLAN信號覆蓋。

5 總 結(jié)

本文對目前廣泛使用的Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等進行了分析,選擇了修正的COST231 HATA無線信號傳播模型對WLAN路徑損耗進行了計算,并以圖表的形式描述了WLAN所在頻段(2.4GHz)的空間信道衰落特征。針對不同AP高度(Ht)、不同STA高度(Hr)和不同距離d進行了空間傳播損耗計算,給出了相應的信號路徑損耗圖,從而為WLAN基站布局及室外覆蓋提供了路徑損耗方面的依據(jù)。通過計算和分析,本文為WLAN的室外覆蓋場景應用提供了有價值的規(guī)劃布局建議。

[1] IEEE STD 802.11-2007,Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].

[2] IEEE STD 802.11a-1999(R2003),High-speed Physical Layer in the 5GHz Band[S].

[3] IEEE STD 802.11b-1999(R2003),Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band[S].

[4] IEEE STD 802.11-2003,Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S].

[5] 劉乃安.無線局域網(wǎng)(WLAN)——原理、技術(shù)與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.45-47.LIU Nai-an.WLAN-Principle,Technology and Application[M].Xi′an:Xidian University Press,2004.(in Chinese)

[6] 邱玲,張磊,朱近康,等.第三代移動通信技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2001.QIU Ling,ZHANG Lei,ZHU Jin-kang,et al.3G mobile communicaion technology[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,2001.(in Chinese)

[7] Ott J,Kutscher D.Drive-thru Internet:IEEE 802.11b for automobile users[C]//Proceedings of 2004 IEEE Conference on Computer Communications.Hongkong:IEEE,2004:370-373.

[8] Gass R,Scott J,Diot C.Measurements of 802.11 in-motion networking[C]//Proceedings of the 7th IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.Orcas Island,WA:IEEE,2006:69-74.

[9] 陳一天,余愛民.2.4GHz無線局域網(wǎng)在室內(nèi)外傳播的路徑損耗分析[J].電訊技術(shù),2005,45(1):35-39.CHEN Yi-tian,YU Ai-min.Analysis of 2.4GHz WLAN Indoor and Outdoor Transmission Path Loss[J].Telecommunication Engineering,2005,45(1):35-39.(in Chinese)