不同條件下WiFi路由覆蓋范圍研究與應(yīng)用

朱 軒，謝 凡，張青原，張玉剛

合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009

0 引言

最近幾年，無線熱點(diǎn)的數(shù)量呈現(xiàn)迅猛的增長(zhǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)的方便與高效使其能夠得到迅速普及。WiFi的覆蓋范圍在國(guó)內(nèi)越來越廣泛，高級(jí)賓館、住宅區(qū)、飛機(jī)場(chǎng)以及咖啡廳之類的區(qū)域都有WiFi接入點(diǎn)。無論用戶是在外出旅行、辦公室辦公還是在舒適的家中都可以擺脫網(wǎng)線的束縛使用便攜式設(shè)備盡情的享受網(wǎng)上沖浪的樂趣。與早前手機(jī)上的藍(lán)牙技術(shù)不同，WiFi具有更大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率，其在掌上設(shè)備上應(yīng)用越來越廣泛。

不同的WiFi應(yīng)用對(duì)象，對(duì)覆蓋范圍和受眾面有著不同的要求。對(duì)于像機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，可能希望覆蓋的范圍盡可能的廣泛；而對(duì)于辦公場(chǎng)所所組建的無線網(wǎng)絡(luò)則往往只希望信號(hào)存在于自己公司之內(nèi)。因此對(duì)WiFi接入設(shè)備的覆蓋效果與其他因素的影響進(jìn)行切實(shí)的分析非常必要。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與過程

實(shí)驗(yàn)儀器 ：Linksys WAG54G Wireless-G Broadband Router、HP Compaq 6515b Notebook PC with Broadcom 802.11abg、iPad with WiFi。

為了分析了在環(huán)境因素影響較小的空曠室外的WiFi信號(hào)參數(shù)在空間范圍分布狀況，選擇在空曠地帶多次采集信號(hào)強(qiáng)度、速度、丟包情況隨空間距離變化以及環(huán)境溫度、濕度等有用的數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 室外信號(hào)傳輸?shù)幕咎卣?/h3>

測(cè)試環(huán)境：Channel 9、路由器距地面高度1m天線垂直極化、筆記本距地面高度1m原裝無線網(wǎng)卡天線垂直極化、氣溫18℃、相對(duì)濕度43%。測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度-距離分布曲線如圖1。經(jīng)MATLAB軟件擬合得到其信號(hào)強(qiáng)度-距離分布函數(shù)，信號(hào)呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)遞減。

圖1 信號(hào)強(qiáng)度-距離分布曲線

2.2 多WiFi設(shè)備覆蓋區(qū)域相互影響與頻道資源合理分配

然而上述室外空間WiFi信號(hào)的傳輸情況并未充分考慮到實(shí)際路由器的工作環(huán)境，并不能完全客觀的反映真實(shí)環(huán)境中的路由器的工作狀態(tài)。室外信號(hào)的傳輸基本特征僅做為本次實(shí)驗(yàn)的基態(tài)參考，而本實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)是考慮實(shí)際因素對(duì)WiFi設(shè)備的影響。

用戶常常需要在辦公室環(huán)境中設(shè)置多個(gè)WiFi路由器。多路由之間的相互影響往往不可忽略，在小范圍內(nèi)甚至超過了設(shè)備之間的距離對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懚蔀橹鲗?dǎo)因素。這部分主要分析了在狹小室內(nèi)環(huán)境使用多WiFi路由器組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)情況，并對(duì)頻道資源的分配進(jìn)行深入的探討。

圖2 802.11g 2.4G頻帶頻道規(guī)范

如圖2在2.4G頻段802.11g規(guī)范中可得每個(gè)頻道寬度為22MHz，然而相臨頻道的間隔只有5MHz。現(xiàn)在主流WiFi路由器的初始頻道往往設(shè)置在6頻道，在正常情況下（符合頻譜屏蔽需求∶在中心頻率±11 MHz處要衰減50dB）真正與其不交疊的最近頻道則是1頻道和11頻道，這兩個(gè)頻道卻已經(jīng)接近2.4G頻段的兩端了。事實(shí)上在人流密集場(chǎng)所，如辦公寫字樓、學(xué)校或者是住宅區(qū)，往往很難找到搜索不到其他WiFi設(shè)備的環(huán)境。

在10m2的室內(nèi)，對(duì)狹小環(huán)境內(nèi)使用2臺(tái)相同的WiFi路由設(shè)備進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)中引入了其他一些2.4G頻段無線設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)中定量地改變兩臺(tái)路由器以及接入設(shè)備的空間位置、路由器的工作頻道、有無加入其他2.4G頻段無線設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)得出了如下結(jié)果：兩WiFi路由設(shè)備堆疊放置并處于同頻工作、筆記本距離其3m時(shí)，測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度-35dBm，干擾噪聲-56dBm，ping值在8ms左右偶爾有Time Out。在上述條件不變的情況下拉開兩WiFi路由設(shè)備的空間距離至2m，ping值下降到2ms～3ms相互干擾情況得到顯著改善。測(cè)試了相鄰頻道Channel 5～Channel 6相互干擾情況，雖然頻率上存在較多的堆疊部分，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出相鄰頻道上干擾情況雖然存在但并不構(gòu)成使用上的沖突。嘗試改變兩WiFi路由設(shè)備頻道，使其盡可能的減小頻率上的堆疊（暨使用頻道號(hào)較遠(yuǎn)的頻道）、拉開兩設(shè)備間的距離在實(shí)際架設(shè)WiFi設(shè)備時(shí)是至關(guān)重要的。

2.3 典型溫度濕度對(duì)傳輸特性的影響

然而實(shí)際的工作環(huán)境并不是一成不變的，在其它因素相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中，溫度和濕度的變化所帶來的影響將成為需要考慮和探討的重點(diǎn)。眾所周知802.11B/G主要工作在2.4G頻段而802.11A/N主要工作在5G頻段，分別處于UHF(特高頻)和SHF(超高頻)頻段。而空氣中的水分子對(duì)UHF和SHF信號(hào)有較大的衰減作用。由于室內(nèi)的空氣濕度和溫度呈連續(xù)變化不便于探討實(shí)驗(yàn)其對(duì)wifi信號(hào)的影響，故選取了幾個(gè)典型的溫濕度條件進(jìn)行測(cè)量分析并試圖找出其中的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)中在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下選取了3個(gè)典型的濕度環(huán)境，分別是30%、50%、70%（±5%），并在不同季節(jié)溫度相差較大的情況下采集數(shù)據(jù)，最后一并進(jìn)行了對(duì)比和分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在濕度相同的環(huán)境下，溫度對(duì)WiFi信號(hào)的傳輸影響不大，故著重對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行討論，而忽略環(huán)境溫度的影響。

圖3 三個(gè)典型濕度下信號(hào)強(qiáng)度-空間分布

在空氣中高頻電磁波由于水蒸氣和氧原子的噪音會(huì)使衰減增大。在這3個(gè)典型濕度環(huán)境下，WiFi 2.4G頻段信號(hào)強(qiáng)度-空間分布如圖3。可觀察到空氣濕度對(duì)其分布情況影響較大。改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境空氣濕度，WiFi信號(hào)在空間的衰減幅度呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。在相對(duì)濕度70%的環(huán)境中衰減最為明顯，遠(yuǎn)距離傳輸過程中尤為突出。因此用戶在進(jìn)行室外遠(yuǎn)距離WiFi覆蓋站點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到降水天氣環(huán)境濕度改變所帶來的吸收與率減，并做好一定的冗余以確保覆蓋質(zhì)量。

2.4 辦公室與家居環(huán)境中的其他影響因素

現(xiàn)實(shí)生活中的環(huán)境是各式各樣的，每個(gè)人對(duì)自己的家居和工作環(huán)境的布置也是各不相同的。最后再來探討一下辦公室以及家居環(huán)境中的其它因素對(duì)WiFi無線信號(hào)的附加影響。

很多用戶都喜歡在家居或者辦公環(huán)境種植一些植物盆栽。植物中含有較多水分，那么在WiFi設(shè)備旁放置一些植物盆栽可能會(huì)對(duì)其信號(hào)傳輸產(chǎn)生附加影響。故在工作中的WiFi路由器旁放置仙人掌和觀音蓮兩盆小盆栽，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集并與原先未放置植物時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。由于實(shí)驗(yàn)精度的影響，在誤差范圍內(nèi)未觀察到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著區(qū)別。所以得出的結(jié)論是這類室內(nèi)裝飾植物對(duì)WiFi設(shè)備使用的影響較為不明顯，在一般情況下可以忽略。

近年來平板電腦的普及量也逐漸提高，故選擇了其中較為典型的一款產(chǎn)品iPad進(jìn)行了一些研究。iPad支持802.11a/b/g/n協(xié)議，以輕巧靈活的操作成為了新一代便攜式WiFi接入設(shè)備的代表。由于其擺脫了其他外設(shè)的束縛，很顯然不同的手持姿勢(shì)會(huì)帶來iPad內(nèi)部天線極化方向的改變。由于iPad的制造工藝，其外殼是全鋁合金機(jī)械加工成的，而其內(nèi)部天線的設(shè)置位置是在其背面中心APPLE商標(biāo)處，而商標(biāo)是使用非金屬材料制造的。經(jīng)分析易得iPad天線有一定的方向性，經(jīng)測(cè)試在iPad處于豎直方向時(shí)信號(hào)效果明顯強(qiáng)于水平放置。考慮到大多數(shù)WiFi路由器采用的是垂直極化，故建議iPad用戶在信號(hào)不佳情況下試著改變手持姿勢(shì)迎合WiFi路由器天線的極化方向以獲得最佳的上網(wǎng)效果。

3 相關(guān)應(yīng)用

圖4 WiFi站點(diǎn)架設(shè)仿真軟件

將實(shí)驗(yàn)中獲得的不同條件下WiFi路由的傳輸特性數(shù)據(jù)整理出的數(shù)學(xué)模型并編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真軟件。可通過用戶設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校對(duì)和WiFi覆蓋情況的模擬仿真運(yùn)算，從而獲得接入用戶所處位置的信號(hào)強(qiáng)度等主要數(shù)據(jù)。并為用戶提供合理的組網(wǎng)方案。如圖4。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過在空曠室外WiFi信號(hào)參數(shù)的采集，總結(jié)出室外信號(hào)傳輸?shù)幕咎卣鳎治隽藥讉€(gè)典型溫濕度下WiFi信號(hào)的傳輸情況，并對(duì)多WiFi設(shè)備覆蓋區(qū)域相互影響與頻道資源分配問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)合生活中家居環(huán)境對(duì)信號(hào)的影響進(jìn)行了討論。編寫仿真軟件，對(duì)用戶設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算得到有用的數(shù)據(jù)，最終為用戶提供合理的組網(wǎng)方案。

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