WLAN規(guī)劃監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊寧

摘 要： 論述了基于C#和3D建模技術(shù)，采用Eclipse開發(fā)工具，設(shè)計并開發(fā)了實現(xiàn)WLAN規(guī)劃監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)的過程。重點介紹了無線勘察、規(guī)劃、監(jiān)測、專家優(yōu)化模塊。經(jīng)過實踐證明，該系統(tǒng)能3D化顯示空間WLAN布局，高性能地計算最佳的WLAN規(guī)劃設(shè)計，從而提高了規(guī)劃布局效率，節(jié)約了成本。

關(guān)鍵詞： WLAN規(guī)劃； 數(shù)據(jù)庫； C#

中圖分類號：TN925 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）09-11-03

0 引言

無線局域網(wǎng)（WLAN）以高帶寬和低成本的優(yōu)勢，正迅速成為除GSM/CDMA/LTE之外的第四大網(wǎng)絡(luò)。目前，國內(nèi)各電信運營商、企業(yè)和個人對WLAN的應(yīng)用與日俱增，在“無線城市”和“智能城市”建設(shè)和應(yīng)用中，Wi-Fi已成為手持設(shè)備無線接入的重要方式。預(yù)計未來三年中，僅僅電信級WLAN的熱點建設(shè)，將有近千萬個AP（Access Point）建成，2012年開始市場將以55%以上的速度增長。WLAN網(wǎng)絡(luò)的急劇發(fā)展，勢必推動其建設(shè)和維護的規(guī)范化、專業(yè)化和標準化，因此WLAN規(guī)劃、設(shè)計、監(jiān)測和網(wǎng)優(yōu)工具軟件的市場需求是迫切的，市場前景非常廣闊。

通過調(diào)研無線通信運營商、設(shè)備集成商、通信研究院、通信設(shè)計院以及相關(guān)高校，查閱大量無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面的資料和文獻，可以收集和總結(jié)出市場上具有代表性的產(chǎn)品，針對產(chǎn)品的功能特點，可對相關(guān)產(chǎn)品具有的功能作歸類劃分。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：提供無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)推薦方案，仿真預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能等功能；網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：提供無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)施工布局和系統(tǒng)拓撲連接等圖紙設(shè)計等功能；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測：收集、監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)各類性能指標和參數(shù)；優(yōu)化建議：提供網(wǎng)絡(luò)性能預(yù)警和優(yōu)化建議等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能分析

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)層有著安全的體系，采用輕量級的MySQL，為了確保系統(tǒng)的安全，通過Mysqldump導(dǎo)出備份數(shù)據(jù)庫，完善數(shù)據(jù)庫的底層機制，系統(tǒng)采用C#為開發(fā)平臺，可支持多種控件給應(yīng)用層軟件開發(fā)提供技術(shù)支持。

在服務(wù)器端我們采用高性能的云，作為應(yīng)用層上傳數(shù)據(jù)的處理與分析，其核心處理的內(nèi)容為多墻模型，光線發(fā)射，光線追蹤。

1.2 系統(tǒng)功能分析

項目組經(jīng)過大量調(diào)研和分析，將WirelessNet系統(tǒng)的功能分為四個功能模塊：無線勘察、規(guī)劃設(shè)計、監(jiān)測分析、優(yōu)化建議。

1.2.1 無線勘察模塊

為WLAN無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中建筑場景的3D建模，場景中電磁場頻譜的測量，建筑與勘察結(jié)果的3D可視化呈現(xiàn)。

⑴ 數(shù)據(jù)準備與導(dǎo)入

建筑場景的3D建模，利用3Ds Max 建模，其支持AutoCAD圖紙與圖像的導(dǎo)入，方便建模工作；完成后系統(tǒng)導(dǎo)入3Ds建筑場景。

⑵ 無線頻譜路測

測量空間各位置的電磁場強度S[x][y][z][f]， 其中x、y、z為空間坐標，f為某一通道的頻率。

⑶ 測量值自動錄入和存貯

對應(yīng)2D地圖上的點，測量結(jié)果S[x][y][z][f]的輸入，并將數(shù)據(jù)的持久化，存入數(shù)據(jù)庫。

⑷ 2D/3D可視化化

3D建筑模型場景與無線電磁場強度信號的2D/3D可視化。

1.2.2 規(guī)劃設(shè)計模塊

規(guī)劃設(shè)計WLAN無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，分析預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能，提供設(shè)計報告和施工方案。

⑴ 獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建筑場景的3D模型。

⑵ WLAN網(wǎng)絡(luò)天線布局優(yōu)化方案搜索

確定廣義的天線參數(shù)，指天線數(shù)量、位置（XYZ）、發(fā)射功率，XY面上朝向，Z軸仰角，Pattern參數(shù)等；搜索優(yōu)化的標準是信號覆蓋、信噪比、通信容量、天線數(shù)量最少。

⑶ 無線覆蓋信號計算

確定天線參數(shù)后，根據(jù)無線傳播模型算法，計算空間各柵格點上信號強度。

⑷ 無線傳播模型算法實現(xiàn)

成熟算法，多墻模型、射線發(fā)射法與射線追蹤法實現(xiàn)。

⑸ 手動天線參數(shù)設(shè)置

設(shè)計師也可以通過交互，手動設(shè)置天線參數(shù)，允許人工調(diào)整處理。

⑹ 2D/3D可視化化

3D建筑模型和場景，預(yù)測建成后的電磁場強度信號（最佳小區(qū)，即每個天線，作為施主天線作用的范圍）分布，天線參數(shù)，預(yù)測的信噪比/帶寬等。

⑺ 性能預(yù)測與統(tǒng)計分析報表

WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方案，各項性能指標匯總報表，遞交網(wǎng)規(guī)部門審核。

⑻ 施工圖紙

導(dǎo)出規(guī)劃后的WLAN施工圖紙，交給施工人員建設(shè)。

1.2.3 監(jiān)測分析模塊

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)各項指標參數(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量，確保網(wǎng)絡(luò)運行安全可靠。

⑴ 測量WLAN網(wǎng)絡(luò)常見性能參數(shù)

AP通信通道、SSID、MAC地址、通信協(xié)議、信號強度、噪聲、加密方式、通信帶寬、吞吐率、調(diào)制模式、連接速度、漫游切換。

⑵ 測量WLAN網(wǎng)絡(luò)擴展性能參數(shù)

AP設(shè)備完好率、WLAN掉線率、上/下行速率、網(wǎng)絡(luò)ping時延。這些參數(shù)的定義如下：

（a） AP設(shè)備完好率

AP設(shè)備完好率={1-[AP非運作時間長總和/（AP總數(shù)x統(tǒng)計時長）]}x100%

（b） WLAN掉線率

掉線事件定義為用戶正常訪問網(wǎng)絡(luò)期間，異常原因?qū)е碌牡艟€。WirelessNet系統(tǒng)提供握手功能，對用戶在線情況進行實時監(jiān)測。

（c） 上/下行速率

傳輸測試用的文件應(yīng)大于5MB，平均下載速度要求達到100KB/s以上。

（d） 網(wǎng)絡(luò)ping時延

發(fā)送32bit大小的包進行測試，每個ping包的時延不大于50ms。

⑶ 顯示、分析和報表輸出性能指標

提供列表顯示、排序、查詢和報表輸出功能。

1.2.4 優(yōu)化建議模塊

可設(shè)置預(yù)警和優(yōu)化規(guī)則，當網(wǎng)絡(luò)參數(shù)符合預(yù)設(shè)規(guī)則時，觸發(fā)事件提出預(yù)警和優(yōu)化建議。

⑴ 規(guī)則編輯

用戶自定義優(yōu)化和建議規(guī)則的輸入、刪除和編輯。

⑵ 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和報警功能

根據(jù)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，提出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議或報警。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

如前所述，本系統(tǒng)劃分為四大子系統(tǒng)模塊：無線勘察模塊、無線規(guī)劃模塊、無線監(jiān)測模塊、專家優(yōu)化模塊。四大模塊的入口在系統(tǒng)各個界面均能清晰體現(xiàn)，不會讓系統(tǒng)平臺用戶在使用該業(yè)務(wù)時，選擇其他業(yè)務(wù)時不知所措，做到全方位布局，如圖2所示。

2.1 勘測模塊

⑴ 3Ds模型導(dǎo)入

系統(tǒng)首先需要用戶對場景通過3Ds建模，導(dǎo)出3Ds模型，用戶再使用系統(tǒng)導(dǎo)入3D模型，之后便可以在系統(tǒng)中看見所導(dǎo)入的3D圖形，此3D圖形支持用戶的放大縮小，遠近觀察，方便用戶對場景的了解，之后系統(tǒng)會對導(dǎo)入的3d圖形進行結(jié)構(gòu)化處理，通過3Ds import得到基礎(chǔ)的VTK Object，把VTK Object的屬性（長度，寬度，高度，材質(zhì)）存放至系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體中。3Ds模型導(dǎo)入流程如圖3所示。

⑵ 3Ds圖形處理與顯示

先取出存放在結(jié)構(gòu)體中的VTK Object，在VTK Control中顯示出來，之后便需要用戶輸入所需要切割平面的Z軸數(shù)值，對z數(shù)值我們采用正則表達式進行控制，要求只能輸入正整數(shù)。接下來使用VTK Clipping函數(shù)處理VTK Object，對其進行截面。獲取到截面后存放至新生成的bitmap中。然后在規(guī)劃模塊中將其顯示。3Ds圖形處理與顯示流程圖如圖4所示。

⑶ 無線信號的獲取

在3D模型中得到路測方案，然后進行現(xiàn)場勘測，在系統(tǒng)標注的記錄點記錄相應(yīng)的無線信息數(shù)據(jù)，取得無線信息后對其中的數(shù)據(jù)（SSID，MAC地址，通信協(xié)議，加密方式，信號通道…）進行結(jié)構(gòu)化處理， 把數(shù)據(jù)存放至數(shù)據(jù)庫存儲。無線信號的獲取流程如圖5所示。

⑷ 路測結(jié)果的顯示

從數(shù)據(jù)庫獲得實際勘測到的無線數(shù)據(jù)信息，提取信息中的無線強度信息，通過計算墻兩側(cè)的無線信息得到該墻體的衰減場強和自然衰減場強，描述記錄點周圍的信號場強分布，給不同的AP設(shè)置不同的色彩，相同AP的不同強度設(shè)置顏色深淺的標準，繪制出bitmap圖形，把圖形記錄至數(shù)據(jù)庫。

2.2 規(guī)劃模塊

⑴ 人工天線規(guī)劃

規(guī)劃者在該模塊首先需要創(chuàng)建AP，設(shè)置AP的屬性（發(fā)射噪聲，發(fā)射功率，仰角，信號通道等），把規(guī)劃者輸入的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，根據(jù)圖形繪制準則在原有的2D圖形中進行圖形的繪制，顯示覆蓋最好的小區(qū)，傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

⑵ 軟件算法規(guī)劃

在數(shù)據(jù)庫中獲取AP數(shù)據(jù)，規(guī)劃者選擇所需要的傳播模型（多強模型，光線發(fā)射模型，光線追蹤模型），選者最小的信號強度值，選擇AP的最小發(fā)射值，云服務(wù)器通過算法計算出最佳的AP位置并返回該算法所獲得的場強分布信息在二維圖形中顯示。軟件算法規(guī)劃流程如圖6所示。

2.3 監(jiān)測模塊

⑴ 天線信息監(jiān)測

在檢測模塊中客戶端收集該點可以搜索到的無線信息，其中包括：SSID，MAC地址，通信協(xié)議，加密方式，信號通道等，并且實時更新該點的無線信息。

⑵ 天線信息分析

如圖7所示，通過搜集到的無線信息，把數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器分析，以場強、加密方式等判斷是否在標準范圍，如果不在標準值范圍，系統(tǒng)將以警鈴方式進行警告，并給與規(guī)劃者警告信息。通過多強模型，光線發(fā)射模型，光線追蹤模型算法計算出周圍點的場強覆蓋，同樣定義要求標準，不符合標準的范圍，或者在信號強度過高的范圍給出警告。

2.4 優(yōu)化模塊

優(yōu)化模塊中系統(tǒng)提供了兩大方向，一個是系統(tǒng)經(jīng)過服務(wù)器給出算法優(yōu)化后的推薦方案供規(guī)劃者選擇，一個是通過專業(yè)的規(guī)劃人士對無線信息分析給出較好的規(guī)劃方案，如圖8所示。

3 結(jié)束語

本文主要論述基于C#和3D建模WLAN規(guī)劃監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)的分析及設(shè)計實現(xiàn)過程。重點介紹了無線勘察、規(guī)劃、監(jiān)測、專家優(yōu)化四個模塊。系統(tǒng)能根據(jù)場景的建筑結(jié)構(gòu)和固定的電磁場環(huán)境，進行WLAN規(guī)劃方案的智能化推薦；產(chǎn)品能避免同類軟件功能單一的缺陷，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和優(yōu)化功能的有機融合；系統(tǒng)支持3Ds建筑模型、AutoCAD圖紙的導(dǎo)入與呈現(xiàn)，小區(qū)的可視仿真規(guī)劃設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的信號覆蓋性能最佳，達到3D可視化呈現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計效果。

但是由于優(yōu)化系統(tǒng)牽涉較多因素，對于一些較為復(fù)雜的電磁場環(huán)境，系統(tǒng)有時會無法正確判斷和合理分析，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果的偏差，對此仍需要做進一步的改進。

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