WLAN無線網絡規劃及優化技術研究

摘 要： 針對WLAN無線接入網絡的規劃方法，分別從傳播預測及覆蓋設計方面研究覆蓋規劃、分析研究基于DCF協議的容量規劃以及干擾分析和信道優化配置等。其中容量規劃部分采用已有退避窗口機制（BEB）的二維馬爾可夫模型，對基于CSMA/CA協議的DCF性能進行分析并改進。提出了基于RTS/CTS機制改進的退避算法，得出了飽和條件下系統歸一化吞吐率、丟包率、網絡延時等性能，以指導實際吞吐量的估算和網絡容量規劃。經過理論分析和OPNET仿真比較，所提出的新算法降低了數據包的碰撞概率，從而降低了時延，增加了系統吞吐率，進而增加了網絡容量。

關鍵詞： WLAN網絡規劃； 覆蓋規劃； 容量規劃； 系統吞吐量

中圖分類號： TN925+.93?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0045?04

0 引 言

隨著移動通信技術的日益普及及無線局域網在技術上的成熟，產品種類不斷增加且成本下降，據統計，未來幾年內，無線局域網在全世界將有較大的發展[1]。WLAN網絡規劃對運營商的網絡建設具有重要的現實意義。近年來，一些城市的重點地區建立“熱點”區域，為用戶提供良好的無線寬帶業務，無線局域網（WLAN）成為寬帶業務最主要的承載方式[2]。對電信運營商而言，甚至成為數據業務競爭不可或缺的網絡形式，是TD?SCDMA等3G業務的有效補充，成為數據業務“最后一公里”技術的最主要無線通信實現形式。然而，WLAN建設的關鍵是WLAN網絡規劃[3]，目前無線網絡規劃方案并不是很系統，某些網絡規劃方法中覆蓋與容量估算過程考慮因素少，并且簡單粗糙。因此，成功地規劃能很好地平衡網絡覆蓋、容量、質量及建網成本，對滿足用戶移動性要求和網絡無所不在的要求起到了至關重要的作用。

1 無線局域網的覆蓋規劃

目前大多數無線局域網局限在一個很小的室內空間里，沒有普遍實現大面積的覆蓋和鏈接，WLAN無線局域網大都在使用2.4 GHz頻段，穿透性與衍射能力很差，而且現代建筑質量也對室內形成了較強的屏蔽[4]。這些都導致無線局域網覆蓋面積十分有限，因此需要多個AP進行無縫覆蓋，統一規劃。了解WLAN網絡的覆蓋方式，采用室內還是室外覆蓋，然后再根據環境參數進行鏈路預算，這樣就可以初步確定需要布放的AP數量和位置。

對于WLAN通信距離的計算，可以先根據設備的性能指標或者依據設備的測試結果確定發射機的功率輸出、接收機靈敏度和天線增益等參數。根據具體的信道環境，選擇合適的信道模型，建立信號的路徑損耗模型。根據鏈路預算方程計算通信距離。

假定使用的是全向天線，無線信號的傳播不受建筑物的影響，那么此時AP的覆蓋范圍大約是半徑為[R]的圓，半徑[R]表示接入點與站點間達到指定通信質量的最大通信距離。而AP發射基站的功率受限，也就是說單個AP的覆蓋區域有限。有必要部置若干個AP設備進行聯合覆蓋較大區域。而在一些特殊的覆蓋地域應該綜合考慮用戶特征和建筑物類型，并可以采納[Z]因子方法計算AP數目。為了方便計算，首先將圓轉變成正方形，圓的半徑為[R，]并在其內做一個內接的正方形（邊長是Z），半徑[R]與邊長[Z]和面積[S]的對應關系如表1所示（其中Z省去小數部分）。

表1 圓半徑[R]與正方形邊長[Z]及面積[S]的對應關系

[S=Z2 /m2＼R /m＼Z /m＼S=Z2 /m2＼R /m＼Z /m＼100＼7＼10＼2 000＼32＼45＼200＼10＼14＼2 500＼35＼50＼400＼14＼20＼3 000＼39＼55＼800＼20＼28＼3 500＼42＼59＼1 000＼22＼32＼4 000＼45＼63＼1 500＼27＼39＼4 500＼47＼67＼]

根據具體需求和場景選擇AP的布放位置，并要根據實地測量的結果進行調整。確保布設的AP設備能夠覆蓋到所有的區域。AP的覆蓋區域需要根據接收到的信號強度確定，首先設定好一個閾值，進一步規定信號強度不低于這個閾值的區域確定為AP的覆蓋區域，生成AP的覆蓋區域圖，可根據定位原則調整AP位置，直到滿足所設的閾值條件為止。

2 無線局域網的容量規劃

本文重點研究應用于WLAN中基于競爭的MAC協議，特別是IEEE 802.11DCF。如果WLAN內站點的數量增多，那么站點發出的數據包與數據包之間碰撞的概率將會升高，從而大幅度降低了系統的吞吐率，延遲時間也會增大。為了改善系統性能，競爭周期中產生的空閑信道浪費問題以及數據幀在傳輸過程中發生的碰撞問題都亟待解決[5]。

MACAW協議中介紹了一種新的退避算法MILD算法，但是當單元內某一節點離線，容易增大接入點的退避值，從而導致空閑信道浪費和增大延遲。基于BEB算法改進的EIED算法，在吞吐量和延時方面優于BEB算法，但當節點數大于60時，MILD比EIED的吞吐量大。本文提出了基于RTS/CTS機制改進的退避算法，由于BEB算法中，上一次成功傳輸的節點比其他節點更容易獲得信道。該算法中讓發送成功的節點與發送失敗的節點的退避窗口改變的慢一些，非發送站點的競爭窗根據上次數據包的傳輸結果而改變。為了大大降低數據包的碰撞概率，改變了RTS，CTS，ACK包的幀格式，增加退避值與退避窗等字段，使得要競爭信道的節點能夠根據偵聽到的其他站點的退避值與退避窗信息選擇合適的退避值。從而增加系統吞吐量、減小網絡延時。

為了解決上述BEB算法存在的問題，使節點成功發送后競爭窗縮減為[12，]以防止因節點每次成功發送后都將CW重置為CWmin，引起更多的數據沖突，碰撞增加。鑒于在MACAW協議中，每個站點的退避時間量將反映對應站點周圍的碰撞情況，一個成功傳輸的節點的退避值與本地爭奪層次相關，此值能正確反映此時信道中的競爭狀況。因此使其他偵聽到成功傳輸的節點將當前退避值設置為自己的競爭窗，從而可以更好地接入信道。

3 無線局域網的頻率規劃

用2.4 GHz的ISM頻段應用于IEEE 802.11b/g設備，其工作頻率是2 400～2 483.5 MHz頻段，可使用帶寬為83.5 MHz，分13個信道，每個信道帶寬[6]為22 MHz。該設備使用的13個信道的中心頻率均以5 MHz間隔進行分布，其使用的頻段中具有3個互不交迭的信道。單AP設備性能由于同頻干擾而下降，為了確保在增加網絡覆蓋的同時增加AP能同比的增加網絡容量。因此在規劃時，盡量把頻率不相交迭的信道設置為兩個相鄰AP的頻點。當室內有分布不規則的隔斷時，那么覆蓋區域的劃分應依靠隔斷物，可以通過合理地規劃頻率減少同頻干擾。

在2.4 GHz信道帶寬下，WLAN主要使用1，6，11三個信道，因為這三個信道互不交迭。為了擴大網絡的覆蓋范圍同時降低干擾，使用信道復用技術。可以采用以下原則選擇可用頻點。

（1） 一般以1，6與11號頻點進行信道復用，若設備AP雜散指標不佳時，也可使用1，7和13頻點進行信道復用；

（2） 網絡容量需求高，頻率復用難度高時，也可以采用1，5，9和13頻點進行信道的復用；

（3） 某些特定應用場合中，AP設備都配置在同一頻點，因而把設備當做無線中繼應用時，覆蓋范圍可以擴大。

對于中小型無遮擋的開闊空間，在滿足需求時最多布放3個AP，每個AP可以配置1，6，11之中的任意一個頻點。對于超大型無遮擋的開闊空間，需使用3個以上的AP。為了避免同頻干擾現象，必須嚴格控制好AP的信號覆蓋[7]；在IEEE 802.11b/g中，可以通過交替使用不同的信道，并規劃地排列蜂窩。為了擴大覆蓋范圍并減小干擾，可以使用互不交迭的信道1，6和11信道有規劃地排列蜂窩，提升覆蓋范圍和系統容量，如圖1所示。圖中顯示使用信道1的客戶移動時，必須從一個信道切換到另一個信道。交替使用信道從而避免干擾，這就是常說的信道復用，重復使用如圖1所示的信道復用模式，可以實現更大區域的覆蓋，如圖2所示。

在有遮擋物的熱點區域中，應該利用熱點區域的阻擋物達到重復使用信道的目的。對于多層大樓的覆蓋區域，環境相對封閉，為了使WLAN頻率合理地復用，可以通過利用樓層的墻體損耗和其他阻擋損耗實現。對于全向天線，RF信號的輻射圖是一個以天線為中心的圓環。RF信號也會向下和向上傳播，這樣相鄰樓層中的無線信號傳播也會受到影響。如圖3所示的二維信道布局應用在兩層樓中的其中一層，但是需要交替地使用信道頻段在建筑物樓層的平面內和樓層之間。

規劃WLAN網絡需要將AP蜂窩區域的大小，天線的發射功率以及使用的頻點進行合理的協調。對于部分地點容量需求較大的情況，為了避免樓道內的天線密度過高，盡量采用天線進入房間的方式。AP密度過高，可以采用降低AP發射功率和使用定向吸頂天線取代全向天線的方式控制AP的覆蓋范圍。

4 試驗檢測結果與分析

通過對網絡吞吐量、平均時延、重傳次數和丟包率性能進行OPNET仿真，對所提新算法與傳統DCF算法進行分析比較。主要針對10，20，30，40，50節點的場景進行仿真。對改進的CSMA/CA方案進行仿真平臺的建立，主要對網絡層、節點層和進程層三層進行仿真模型的建立，網絡層主要通過子網、節點、鏈路和地理信息描述網絡拓撲，在網絡層中共配置了30個節點。因為搭建的網絡是無中心節點的，所以網內的站點在通信過程中基于DCF競爭信道。節點層模型用來定義各個網絡對象（節點）的行為。節點模型由多個模塊和連接線組成，本文主要分析MAC接入的性能。

為了進行比較全面的分析，針對不同網絡負載條件，分別仿真吞吐量、延時性能等。仿真中所用參數如表2所示。

如圖4所示給出了在飽和狀態下，仿真場景分別是20，30，40，50節點的包重傳次數，可以看出：隨著站點數的增加，包重傳次數增加，這是因為更多的站點競爭信道試圖發送導致更多的碰撞，從而使包重傳；改進算法的包重傳次數明顯小于傳統算法，表明了改進算法的先進性。

圖5給出了站點數分別為10，20，30不同場景下，歸一化吞吐率隨網絡負載的變化情況。可以看出：站點數多的網絡，隨著負載的增加，相對于站點數少的網絡吞吐率更易趨向飽和；網絡負載較輕時，站點數的多少對吞吐量影響不大，但是當網絡負載達到一定程度時，站點越多，吞吐量越小。如圖5所示，站點數為20，30時，當網絡負載<0.6時，吞吐率基本沒有差別，但是當網絡負載超過此值時，30個站點的吞吐率明顯小于網絡場景為20個站點的吞吐率。這是因為更多的站點競爭信道試圖發送導致更多的碰撞，從而使吞吐率下降。

通過仿真低負載和高負載的不同網絡場景下，網絡平均延時隨站點數的變化情況。仿真結果如圖6所示，可以看出：無論算法有無改進，站點數越多，延時就越大。這是因為有更多的站點競爭信道從而引起更多沖突，新算法的延時比原有算法小。當站點較多或網絡負載較大時，時延有較大的改善；但是當站點數小或是負載較輕時，新算法改進的并不明顯。這也說明了在網絡競爭激烈時，此算法可以在很大程度上減小碰撞。

對在網絡負載為0.8，站點數分別為40，50時的丟包率進行仿真，從圖7中可以看出文中提出的新算法在丟包率方面明顯小于原算法。這也是因為新算法可以大大降低數據包的碰撞概率，從而減小了由于數據包達到重傳極限而引起的丟包情況。

5 結 論

本文在對室內和室外無線傳播環境和WLAN無線鏈路預算方法進行深入研究的基礎上，設計了合理可行的無線網絡布局，使成本最小化且保證了WLAN網絡的可擴展性。對IEEE 802.11系統吞吐量、延時等性能進行分析及OPNET仿真研究，實現了既定規模下網絡容量的最大化。有效地防止了接入用戶過多以及數據傳輸量超過設備AP最大承載這種情況的發生。對可用頻段2.4 GHz和頻點劃分進行研究，提出了二維信道配置方案，完成了WLAN頻率規劃。在課題研究過程中，覆蓋規劃中考慮的因素有限，下一步將針對具體情況進行實地勘察并深入論證。

參考文獻

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