淺析WLAN室內外覆蓋解決方案

文｜中國通信建設集團設計院有限公司第二分公司 張 博

1 WLAN網絡規劃流程

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、網絡優化幾個步驟。

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，是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，進行規劃設計時應綜合考慮這幾個方面，這樣才能減少網絡規劃往復次數，并使最終的WLAN網絡性能達到最優。

2 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的溝通，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信號在空間上衰減較快，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。

在WLAN的設計中，無線環境的勘查是一個非常重要的環節，主要勘查三個重要的因素：覆蓋的范圍、流量及負載和應用需求。

首先要進行的是RF的勘查。由于無線信號是在空氣中直線傳播的，無線電波傳輸、接收數據的能力及傳輸速度都受到周圍環境中各種物體的影響。

無線信號每遇到一個障礙物，就會被削弱一部分；尤其是澆注的鋼筋混凝土墻體。實驗表明，在10m的距離，無線信號穿過兩堵磚墻后，仍然可以達到標稱的最高傳輸速率，但再穿過一層樓板后，傳輸速率將只有標稱速率的一半，可見，鋼筋混凝土墻體會極大地削弱無線信號。另外其他一些建筑物的材質，也是無線信號衰減的殺手。

可以將AP置于相對較高的位置，可以有效地消除AP與無線終端之間固定的或移動的遮擋物，從而能夠保證WLAN的覆蓋范圍，保障WLAN的暢通。

減少無線干擾問題從下面幾個步驟著手：

第一，分析WLAN射頻干擾的可能性。

第二，移除WLAN射頻干擾的來源。

第三，調整AP的頻譜波段。

第四，采用IEEE 802.11a標準。

IEEE 802.11a采 用5GHz頻 譜， 在短、中期內，這段頻譜的干擾將遠較IEEE 802.11b所使用的2.4GHz小。

（1）確定覆蓋范圍

RF勘查之后就是確定覆蓋范圍，由此確定需要部署AP的個數。無線信號的重疊是非常重要的，它保證漫游的順利實現，但是它們必須工作在不同的信道上，減少干擾的發生。WLAN的應用場合主要是在大樓內或大樓間，因此，建筑物的體積、布局、建材及辦公環境內各式各樣的干擾源都是影響信號傳輸質量的因素。同樣的一套WLAN設備，在一個地方信號有效傳輸距離可能是100多米，換個地方可能連50米都不到。所以，在確定AP位置時，設備的標稱值只能作為一個大致的參考，精確的位置必須要通過場地信號強度測試儀和比較試驗來確定。許多網絡廠商都有面向企業的場地信號強度測試產品，效果都不錯。

場地信號強度測試工具的種類很多，有基于筆記本電腦、袖珍PC的，也有基于PDA的。基于袖珍PC的測試工具用起來比筆記本電腦靈活，但功能和適應性稍差。如果選用基于PDA的測試工具，最好能接標準PC卡的測試產品，因為在標準PC卡上附加無線收發功能已是時下流行的做法。場地信號強度測試工具比較知名的品牌和型號有：思科的Aironet NIC、Symbol Spectrum 24及Agere Orinoco。

（2）流量及負載

一個典型6MB帶寬的IEEE 802.11b無線頻道可以支持30～50個或更多的用戶。對于某些特別重要的應用或用戶，可以考慮配置帶流量優先級管理功能的AP，也可以選配第三方廠商具有同類功能的獨立的產品，但成本要高一些。

另外，WLAN的優化設計不僅要從覆蓋范圍的角度來考慮，還要考慮其負載能力，以保證服務質量。以布置WLAN為例，假設實際的需求是要保證30個員工同時使用公司視頻服務器，一個AP不能滿足要求，需要在同一教室里面布置兩個AP。由于用戶需求是動態變化的，AP的實際負載可能會加重或減輕，這些變化可以通過對WLAN監視得知。網絡管理員應根據實際變化對AP的數量和分布做出調整。

（3）需求及應用

WLAN的部署一定要考慮用戶的需求和具體應用，而不同的需求和應用則采用不同的WLAN設計方案。例如，咖啡店的WLAN使用者可能是部分年輕人，這些人上網喜歡聊天、網絡游戲和語音對話；而旅館多是商務人士，商務人士更可能的是連接公司的企業網、收發電子郵件和處理商務等。

在進行環境勘查時，一定要了解用戶在WLAN上將運行哪些應用，這也決定了網絡的帶寬。

總之，良好的WLAN設計不僅可以保證較好的服務質量，也可以減少AP的使用數量，從而節約成本，其前提是事先經過充分的實地測量和評估。

3 WLAN網絡設計原則

系統室內覆蓋采用新建（改造）綜合分布系統或室內獨立AP放裝方式進行覆蓋。

已有室內分布系統的樓宇，宜改造原有系統，引入WLAN信號合路覆蓋。

設計應遵循以下原則：

（1）室內綜合分布系統應做到結構簡單，工程實施容易，不影響目標建筑物原有的結構和裝修。

（2）室內無線綜合分布系統應具有良好的兼容性和可擴充性，應滿足CDMA、PHS、WLAN等系統接入要求。

（3）目標覆蓋區域內應避免與室外信號之間過多的切換和干擾，避免對室外AP布局造成過多的調整。

（4）系統拓撲結構應易于拓展與組合，便于后續改造，引入移動業務、增加AP等。

（5）應根據鏈路預算和原室內分布系統結構，合理選擇合路節點的安裝位置，在滿足WLAN覆蓋/容量要求的前提下，盡量減少合路節點。

（6）室內分布系統信源AP安裝位置應滿足便于調測、維護和散熱的需要，設備周圍的凈空要求按設備的相關規范執行。

（7）室內分布系統信源AP供電宜采用本地供電方式。

（8）對于覆蓋面積小且布放線纜傳輸困難的熱點區域，宜采用多AP直接覆蓋熱點區域，AP可視現場環境外置掛放或內置于吊頂中。吊頂安裝應注意滿足維護需要。

（9）對于已有分布系統需合路WLAN的，應確認現有系統對WLAN頻段的兼容性，若原系統不支持該頻段，應進行改造。

4 WLAN室內外覆蓋設計如圖1所示

4.1 覆蓋方式

4.1.1 自治式組網

由胖AP構成。適用于用戶量少、AP配置不多的場所，如咖啡廳、西餐廳/快餐連鎖店等小型公共熱點區域，在建網初期或AP數量較少的地市可采用該方式進行組網。

自治式組網方式又分為室內分布型AP設備和室內放裝型AP設備。

（1）室內分布型AP設備如圖2所示

對于建筑面積較大、用戶分布較廣且已建有多系統合用的室內分布系統的場合，如大型辦公樓、商住樓、酒店、賓館、機場、車站等場景宜選用室內分布型AP設備。該類型設備接入室內分布系統作為WLAN系統的信號源，以實現對室內WLAN信號的覆蓋。

（2）室內放裝型AP設備

對于建筑結構較簡單、面積相對較小、用戶相對集中的場合及對容量需求較大的區域，如小型會議室、酒吧、休閑中心等場景宜選用室內放裝型AP設備，該類型設備可根據不同環境靈活實施分布，也可同時工作在AP和橋接等混合模式下，如圖3所示。

4.1.2 集中式組網

由瘦AP和AC（AP控制器）構成，適用于用戶規模較大，AP配置較多的場所，如大型公共場所（機場、會展/會議中心、高校和體育場館）、政企客戶等應用場合，便于控制與管理，并可根據用戶群體提供差異化服務。在建網初期，優先選用可進行胖瘦轉換的AP進行組網。

圖1 WLAN組網方式

圖2 室內分布型AP應用場合示意圖

圖3 室內放裝型AP應用場合示意圖

對于接入點多，用戶量大，且用戶分布較為集中的場合下，如學校、大型會展中心等大型場所，宜選用集中控制型AP設備組網，如圖4所示。

圖4 為集中控制型AP應用場合示意圖

4.1.3 Mesh組網

由具有Mesh路由功能（即無線橋接功能）的Mesh 網關和Mesh AP組成，Mesh AP通過無線方式與Mesh網關相連，有線側結構與上兩種組網方式相同，適用于有線難以進入的小區、場所等，如圖5所示。

4.2 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可用下面公式表示：

根據此公式可以計算得到各處的接收電平，進而確認AP覆蓋范圍。

下面討論在室外、室內的WLAN信號傳播損耗。

4.2.1 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。2.4GHz自由空間電磁波的傳播路徑損耗符合：

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。

4.2.2 室內環境

選取衰減因子模型作為室內無線傳播模型，其中PL（d0）=20lg（4πd0/λ），一般取d0=1m，當頻率為2.45GHz時，其值為40dB；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如表1所示。

表1 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。

4.3 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。

圖5 Mesh組網應用場合示意圖

通過軟件，可以將實際環境中的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。

4.4 頻率規劃

IEEE 802.11b/g設 備 使 用2.4～2.4835GHz頻段。工作頻率帶寬為83.5MHz，劃分為十四個子頻道，每個子頻道帶寬為22MHz；互不干擾的子信道有三個。

與蜂窩網類似，三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6所示。

圖6 理想的WLAN部署情形

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。

4.5 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。下面將圍繞AP接入能力、干擾對WLAN速率的影響等的問題進行討論。

4.5.1 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臺左右應該比較合適。

4.5.2 信道干擾

（1）其他設備的干擾

經過測試，使用2.4GHz頻段的設備中，藍牙等小功率設備對WLAN網絡的影響很小，可以忽略；微波爐等大功率設備對WLAN網絡的影響較大，在網絡設計時應注意遠離此類設備。

（2）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。

在使用非干擾頻段時，兩個AP總吞吐量可以接近11Mbps；在同頻時總吞吐量不足6Mbps，此時兩個AP與非干擾情況下的一個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。

（3）鄰道干擾

兩信道中心頻率小于25MHz時，信道之間存在重疊區域，會有部分干擾。

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。

4.5.3 干擾規避及容量提升

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TEEE 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，TEEE 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。

4.5.4 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30mW，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。

4.5.5 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200m，在室內或是地形、地物復雜的情況下，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。

5 WLAN設備的選型

談到WLAN（AP、網橋、AC、無線交換機和天線）產品的選購，不僅要對產品的特點有所了解，而且要針對特定的安裝要求進行挑選，應從產品性能穩定、安全可靠性、使用方便和性價比等角度來考慮。

（1）功率并非越大越好

WLAN的有效覆蓋直徑在室內為30～50m，室外可達到100～300m。毫無疑問，覆蓋范圍越大，用戶就可以離AP越遠，移動空間也就越大。然而功率過大，則會對人體產生不利的影響。國際標準綜合考慮了人體無害的信號最強的功率為100mW，即20dB/m，在滿足需要的前提下，AP的功率越接近這個數值越好。

（2）數據傳輸速率

目前，幾乎所有WLAN產品的數據傳輸速度都能達到11Mbps或者以上，隨著IEEE 802.11g產品的推出，54Mbps的產品將會越來越多。但是有一點需要注意，那就是標稱的速率和實際使用起來得到的速率可能會有差距，因為它除了受所處環境因素影響外，還受產品質量的影響，產品質量不同，傳輸速度也會有一定的差距，這一點用戶在選購時要注意。

（3）安全性

安全可靠除了包含對人體無害、鏈路傳輸穩定之外，最主要的含義就是數據的安全性。但不同的廠商所提供的數據加密技術和安全解決方案不盡相同，現在常用的WLAN安全產品及其方案有很多，如SSID、WEP、MAC地址過濾和IEEE 802.1x/EAP認證。此外，有的產品采用WLAN通信與IP路由相結合的方式：IP的過濾、VPN等。有的產品還采用先進的Stateful Packet Inspection防火墻技術，可以防護DoS攻擊，還可以對可能會出現問題的E-mail發出警告通知。在這里要建議的是，用戶在購買WLAN產品時最好不要單獨購買而要整套購買，這樣不但可以解決兼容性問題，而且使設備的性能會發揮得更為出色，安全的解決方案也會更加完美。

（4）管理與易用性

WLAN產品作為一個網絡設備，自然需要相應的設備設置。對有些WLAN產品的安裝維護比較復雜，沒有專業的技術人員就很難完成驅動及其他方面的安裝，而有些WLAN產品的安裝維護卻比較簡單，這一點用戶在購買時要特別注意。對于一些易用性不好的產品，即使經銷商答應幫你安裝調試好，也盡量不要購買，因為這樣會給以后的維護帶來很多的麻煩。當然，對于有專業電腦技術人員的一些大型企業來說，易用性并不是很大的問題，但對于一些如只有十多個人的小型企業或家庭用戶來說，就不得不認真考慮這個問題了。

6 WLAN天線選型

很多用戶在選擇WLAN設備時，往往都會忽略天線問題。其實，細心的用戶會發現，要想讓你的無線設備傳得更遠、連接更穩定，在無線設備功率不能隨意做到無限大的情況下，優選高增益的天線便能讓你的無線設備如虎添翼。

大家知道，無線AP或無線路由器的發射功率一般在100mW以下，網橋（室外無線AP）最大發射功率則在250mW左右，這是出于人體健康安全考慮行業規定的標準，是不能隨意提升的。無線信號在傳輸時還會受到噪音、建筑物、其他同頻無線信號、天氣等因素的影響，造成無線信號傳輸效果大打折扣。

而要想改變這種困境，別無它法，只有通過更換天線來解決。多數AP或無線路由器產品在出廠時考慮到成本因素，只采用了增益2～5dBi的全向/定向天線，將這種天線更換為7～24dBi的全向/定向天線，定將大大提高無線設備的覆蓋率、傳輸距離及效果。對于需要上千米外進行無線連接的企業用戶，為網橋和無線路由器換置更大增益的室外定向天線、扇面天線亦是提高企業無線網絡應用范疇的好辦法。

在選擇WLAN天線時，主要應關注的參數就是增益和極化方式等。其中天線增益（參數為dBi）是衡量天線性能最重要的參數。天線增益對移動通信系統的運行質量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內增大增益余量。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。所以，在1km以上的距離做室外無線傳輸，要想保證無線傳輸效果，最好能配置9dBi以上的定向天線。

在極化方式中，一般均采用垂直極化（電場強度方向垂直于地面）的傳播方式。此外，還有雙極化天線，雙極化天線是組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時工作在收發雙工模式下，可大大節省每個無線網絡的天線數量，可有效保證接收效果。

此外，對于需要遠距離傳輸的企業用戶，可以考慮定向天線，定向天線包含八木天線、平板天線和碟形天線等。八木天線是一種柱形方向的定向天線，由一個有源振子和多個無源振子放置在同一平面上，并且垂直于連接它們中心的金屬桿，適合于有多方向定向連接的場合；平板天線主要設計安裝在平面上，覆蓋半球狀的范圍；碟形天線是一種凹面的拋物面天線，能夠提供較高的增益和較窄的波束寬度，也很適合于長距離的點對點傳輸。

7 WLAN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。

8 結束語

隨著WLAN網絡的日益普及，其網絡規劃的重要性將日益突出，WLAN網絡的規劃需要在實際工作中不斷完善，并隨著WLAN技術的進步而進一步發展，使WLAN向著高效、安全、運營級的網絡目標不斷邁進。