WLAN無線信號室外覆蓋預測和分析

徐超

【摘 要】由于室內外的環境有差異，WLAN室外網絡建設不能照搬室內的建設方法。在對現有室外站點的覆蓋效果進行大量測試后，得到WLAN信號覆蓋電平及質量，并選取合適的傳播模型，計算WLAN室外站點的覆蓋距離。最后，針對不同室外場景提出了建設和優化意見。

【關鍵詞】WLAN 室外覆蓋 接收電平 鏈路預算 覆蓋距離

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0097-05

1 引言

我國WLAN網絡的建設從2008年起迅速蔓延，目前是傳統電信運營商為運營主力，依托政府規劃、主導和支持，把寬帶無線接入技術與蜂窩移動通信技術以及固網相融合（2G+3G+Wi-Fi+LTE），統一提供服務、統一認證運營。新型運營商作為配角，致力于專業網、社區網的發展，面向不同行業差異化定制，針對不同需求制定不同的建設方案，與電信運營商形成互補局面。

之前由于自身技術不支持高速移動與終端的限制，WLAN網絡主要建設在室內。但隨著手機逐漸對WLAN網絡兼容以及帶Wi-Fi功能的平板電腦的普及，人們在室外時也產生了尋求無線網絡服務的期望。

經過多年室內WLAN網絡的建設，各運營商形成了各自的建設指導意見，其中對信號覆蓋電平及質量的要求都差異不大。但建設WLAN室外網絡，由于室內外的環境有差異，不能照搬室內的建設方法。本文將就室外信號的接收電平、鏈路預算和覆蓋范圍進行研究分析，為WLAN室外覆蓋規劃和優化提供依據。

2 WLAN信號覆蓋電平及質量

WLAN室外規劃中，最為基本的兩項指標是接收電平和SNR（Signal to Noise Ratio，信噪比）。在過往的文獻中往往從終端或AP（Access Point，訪問接入點）的接收門限來計算接收電平，理論計算得到的覆蓋范圍往往大于實際情況。另外，有些室外區域信號強度的確有連不上的問題。基于此，筆者對室外的部分典型WLAN覆蓋場所做了測試和分析。本次共進行17次室外站點測試，測試的項目除了包括RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信號強度）、SNR、Ping包，還從用戶的角度出發包含了協商速率和上下行速率測試等能體現無線網絡質量的指標。測試結果如表1所示。

在RSSI≥-70dBm以及后臺所測的信號強度≥20dBm情況下，與Ping包成功率和下行速率的關系如表2所示。

從以上數據初步分析可知，無線網絡質量及用戶體驗與AP側所取得的信號強度的關聯性較強。為了保證網絡質量，信號強度應至少大于20dBm。

信號強度是芯片在接收報文時能夠獲取該報文的能量。這個指標能夠體現終端發送報文到達AP時的能量情況，在AC側看到終端的信號強度越大越好。在AP設備芯片的定義中，信號強度、底噪及接收電平的關系如下：

信號強度=接收電平-底噪 （1）

其中，Signal Power為信號功率，值為 10^（RSST/10）；

Noise Power為噪聲功率，值為 10^（底噪/10） ，則：

SNR=RSSI-底噪 （2）

根據式（1）和（2），SNR應該等同于上述的信號強度。而之所以SNR和信號強度的值不完全相等，經分析是因為軟件測得的SNR是個平均值、信號強度是個瞬時值，且終端測得的底噪和AP測得的底噪有些微誤差。

底噪不僅取決于所能獲得的輸入信號的大小，而且也與其內部噪聲以及外部噪聲和干擾的大小有關。噪聲積累效應直接影響AP的覆蓋和容量。不同覆蓋區域類型，底噪也不同。WLAN信號在2.4G頻段工作，這個頻段目前是完全開放的，加上現在多家運營商在大力發展運營級的WLAN網絡，使得之前還比較干凈的2.4G頻段現在已經擁擠不堪。由于室外場景的特性，同頻、鄰頻干擾更是嚴重，令AP的底噪進一步抬升。

針對上述問題，筆者對現網室外AP的底噪值做了采樣，室外AP的平均底噪在-86dBm左右，如圖1所示。

根據目前室外場點底噪的采樣值，筆者推論室外底噪的經驗值為-90dBm，下面的鏈路預算和覆蓋范圍均在這個值下討論。

綜上所述，建議將室外站點的接收電平和SNR值進行如下取定：

室外信號接收電平≥-70dBm，SNR≥20dB。

3 WLAN室外鏈路預算及覆蓋距離分析

WLAN無線鏈路預算是在保證覆蓋質量的前提下，確定AP和終端之間的無線鏈路所能允許的最大路徑損耗。

設發射機的輸出功率為Pt，空間最大允許路徑衰耗為L（d），發射天線增益為Gt，接收天線增益為Gr，饋線及插損為Ls，衰落余量為R，干擾余量為I，則接收機接收的功率電平Pr可表示為：

Pr=Pt+Gt+Gr-L（d）-R-Ls-I （3）

利用公式（3）可以計算得到最大允許路徑損耗，進而確認AP覆蓋范圍，如表3所示。

當WLAN室外信號允許的最大路徑損耗為73dB或82dB時，所覆蓋的范圍需要結合空間信號的傳播模型來分析。無線信號在自由空間中傳播的路徑損耗可表示為：

Lfs=32.4+20lgf+20lgd （4）

式（4）只能應用于自由空間或者無線環境很好，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，其計算出的路徑損耗大大偏小。在無線通信領域，目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型等。前者在基站密集的地區使用會出現預測值明顯偏高的問題；后者適用于半徑為1～20km的密集市區。

在實際的工程中，WLAN室外站主要位于密集市區，站距只有數百米，WLAN信號的強度和質量會受到樹木或建筑物阻擋的影響，適合在視距范圍內傳播。以上兩種模型均不太合適，在此可采用歐洲研究委員會以COST-231傳播模式提出的另一種建議：COST231 Walfish-Ikegami模型，主要用于針對密集住宅區區域內現網基站平均站距小于1km且建筑物高度近似一致的情況。COST231 Walfish-Ikegami模型區分視距（LOS）和非視距（NLOS）兩種，即無線信號的傳播路徑是直射還是通過繞射、反射等。endprint

采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區域類型，不同的室外場景有不同的環境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數據，如有連續覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區域應有小部分重疊，兩個小區的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

參考文獻：

[1] IEEE Std 802.11g. High-speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band[S]. 1999.

[2] IEEE Std 802.11g. Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S]. 2003.

[3] IEEE Std 802.11n. Enhancements for Higher Throughput

[S]. 2009.

[4] 高峰，高澤華，文柳，等. 無線城市電信級Wi-Fi網絡建設與運營[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

[5] 侯群，高立. 無線局域網室外覆蓋路徑損耗計算分析及規劃布局建議[J]. 電訊技術， 2011，51（8）： 101-104.★endprint

采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區域類型，不同的室外場景有不同的環境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數據，如有連續覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區域應有小部分重疊，兩個小區的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

參考文獻：

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[2] IEEE Std 802.11g. Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S]. 2003.

[3] IEEE Std 802.11n. Enhancements for Higher Throughput

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[4] 高峰，高澤華，文柳，等. 無線城市電信級Wi-Fi網絡建設與運營[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

[5] 侯群，高立. 無線局域網室外覆蓋路徑損耗計算分析及規劃布局建議[J]. 電訊技術， 2011，51（8）： 101-104.★endprint

采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區域類型，不同的室外場景有不同的環境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數據，如有連續覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區域應有小部分重疊，兩個小區的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

參考文獻：

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[2] IEEE Std 802.11g. Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S]. 2003.

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[5] 侯群，高立. 無線局域網室外覆蓋路徑損耗計算分析及規劃布局建議[J]. 電訊技術， 2011，51（8）： 101-104.★endprint