數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園建設(shè)中的覆蓋方案研究

張建偉

(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院， 寶雞 721016)

0 引言

數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園的建設(shè)，通常是高校牽頭，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商實(shí)施建設(shè)，各行業(yè)參與合作的共用項(xiàng)目，是充分融合了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，面向企業(yè)(高校)和個(gè)人(師生員工)的綜合性校園信息化應(yīng)用。

本文以寶雞文理學(xué)院數(shù)字無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)規(guī)劃為案例作進(jìn)一步分析，重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的覆蓋問(wèn)題。寶雞文理學(xué)院是我國(guó)西部中等城市陜西寶雞。學(xué)校現(xiàn)有新老兩個(gè)校區(qū)，占地面積1100多畝，擁有全日制在校生近2萬(wàn)名，教職工1300名。寶雞文理學(xué)院校區(qū)擁有國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)校園所具有的各類(lèi)場(chǎng)景，因此研究寶雞文理學(xué)院“數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園”的規(guī)劃和部署方案，對(duì)其他校園數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)具有重要的參考意義和價(jià)值。

1 覆蓋場(chǎng)景

數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園網(wǎng)絡(luò)的覆蓋場(chǎng)景，應(yīng)包含多個(gè)宿舍生活區(qū)、教學(xué)區(qū)、體育場(chǎng)館、綠化園林等代表性區(qū)域。

這些區(qū)域?yàn)閿?shù)據(jù)需求量大的熱點(diǎn)區(qū)域，以上區(qū)域覆蓋需求，需根據(jù)這些區(qū)域的特點(diǎn)，進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)不同場(chǎng)景類(lèi)型采用合理的覆蓋方式進(jìn)行有效覆蓋，數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園覆蓋場(chǎng)景類(lèi)型匯總表如表1所示。

根據(jù)校區(qū)多種覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行覆蓋方式分類(lèi)，主要可以分為室外覆蓋、室外覆蓋室內(nèi)、室內(nèi)覆蓋三類(lèi)[1]。

以下根據(jù)這三類(lèi)場(chǎng)景對(duì)覆蓋目標(biāo)進(jìn)行分析、歸類(lèi)，最終確定各種場(chǎng)景采用的建設(shè)解決方案：

(1) 室外覆蓋場(chǎng)景：該場(chǎng)景為開(kāi)放式，采用室外型或者室外基站型AP覆蓋。

(2) 室外覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景：樓宇相對(duì)密集，室內(nèi)信號(hào)較差，采用室外型AP覆蓋室內(nèi)。

(3) 室內(nèi)覆蓋場(chǎng)景：室內(nèi)需求量較大的區(qū)域，采用室內(nèi)覆蓋方式滿(mǎn)足室內(nèi)覆蓋需求。

另外，校園數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，暫不考慮快速移動(dòng)的覆蓋需求，快速移動(dòng)終端的接入以及頻繁切換導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大，網(wǎng)絡(luò)接入指標(biāo)下降。

表1 數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園覆蓋場(chǎng)景類(lèi)型匯總表

2 覆蓋方式

數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能夠在覆蓋目標(biāo)區(qū)域提供數(shù)字無(wú)線(xiàn)寬帶接入服務(wù)。根據(jù)覆蓋目標(biāo)的特點(diǎn)、數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的性能以及無(wú)線(xiàn)移動(dòng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源基本情況，可將數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式分為獨(dú)立放裝式、饋入分布式、混合覆蓋式和Mesh型網(wǎng)絡(luò)四種主要方式[2]。其中室內(nèi)覆蓋方式主要包括獨(dú)立放裝式、饋入分布系統(tǒng)方式以及混合覆蓋方式，室外覆蓋方式主要包含獨(dú)立放裝式和Mesh型網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式。

2.1 獨(dú)立放裝式

獨(dú)立放裝式建設(shè)方式是指AP直接覆蓋方式，是在熱點(diǎn)區(qū)域或者熱點(diǎn)附近安裝AP設(shè)備，可通過(guò)自帶天線(xiàn)進(jìn)行覆蓋，也可以通過(guò)外接不復(fù)雜的天饋系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋的方式，其中不復(fù)雜的天饋系統(tǒng)僅限于距離不長(zhǎng)的饋線(xiàn)和天線(xiàn)以及少量的功分器和耦合器。獨(dú)立放裝式的覆蓋方式，依據(jù)數(shù)字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量需求，在合適的位置布放熱點(diǎn)AP設(shè)備，五類(lèi)線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)在規(guī)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，鏈路預(yù)算只需要計(jì)算AP之后的空間損耗。

獨(dú)立放裝式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 獨(dú)立放裝式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

獨(dú)立放裝式系統(tǒng)要求系統(tǒng)中所有熱點(diǎn)AP支持遠(yuǎn)端管理和遠(yuǎn)端供電功能，所有熱點(diǎn)AP的頻點(diǎn)規(guī)劃，需要避免系統(tǒng)內(nèi)的干擾。獨(dú)立放裝式系統(tǒng)中的熱點(diǎn)AP具有布放位置靈活、安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，能安裝在最佳規(guī)劃位置，也能滿(mǎn)足熱點(diǎn)區(qū)域的容量和覆蓋需求。

2.2 饋入分布式

對(duì)于已有室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋目標(biāo)，根據(jù)擬覆蓋目標(biāo)區(qū)域的覆蓋需求和現(xiàn)有室內(nèi)分布系統(tǒng)資源的現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮采用饋入分布系統(tǒng)的方式對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行覆蓋。根據(jù)擬覆蓋點(diǎn)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，可以分為饋入新建分布系統(tǒng)方式和饋入已有分布系統(tǒng)方式[3]。饋入分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 饋入分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于新建樓宇，尚無(wú)運(yùn)營(yíng)商分布系統(tǒng)的建筑物，需要新建分布系統(tǒng)，并要充分考慮發(fā)展的需求。對(duì)于存在需求的分站點(diǎn)，需對(duì)WiFi系統(tǒng)組網(wǎng)、系統(tǒng)容量及天線(xiàn)出口功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，建議采用二級(jí)合路方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。建網(wǎng)初期可根據(jù)樓宇的性質(zhì)及重要性進(jìn)行組網(wǎng)。WiFi全覆蓋預(yù)計(jì)投資將增加30%，但避免了二次進(jìn)場(chǎng)施工。而對(duì)于已有分布系統(tǒng)的覆蓋點(diǎn)，將WiFi合路進(jìn)現(xiàn)有室分系統(tǒng)不僅可以節(jié)約投資，而且利用現(xiàn)有傳輸?shù)荣Y源大大縮短了建網(wǎng)周期，是一種比較理想的建設(shè)思路。

2.3 混合覆蓋方式

混合覆蓋方式的使用場(chǎng)景，是在傳統(tǒng)饋入式分布系統(tǒng)僅能滿(mǎn)足覆蓋目標(biāo)常規(guī)區(qū)域覆蓋需求，對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋區(qū)域之外的局部盲區(qū)，或者是需求容量不能滿(mǎn)足需求的區(qū)域，采用獨(dú)立放裝式AP補(bǔ)充覆蓋的建設(shè)方式。

混合覆蓋方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

圖3 混合覆蓋式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

混合覆蓋方式對(duì)熱點(diǎn)容量不足的區(qū)域，采取適度空間交疊的覆蓋方式，滿(mǎn)足覆蓋目標(biāo)的覆蓋需求。通常饋入式分布系統(tǒng)受限于分布系統(tǒng)器件帶寬限制，系統(tǒng)只能提供2.4GHz頻段的接入服務(wù)，對(duì)于干擾大或者容量需求不滿(mǎn)足的區(qū)域，可以采用局部獨(dú)立放裝式5.8GHz頻段分布系統(tǒng)補(bǔ)充覆蓋的方式。

2.4 Mesh網(wǎng)絡(luò)覆蓋

Mesh型網(wǎng)絡(luò)也叫無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)，是一種多跳網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)AP呈網(wǎng)狀分布，各AP之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)中繼鏈路進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互聯(lián)。Mesh型網(wǎng)絡(luò)由若干無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)相互協(xié)作、相互協(xié)同的組網(wǎng)方式，具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組織、自動(dòng)配置、自動(dòng)維護(hù)的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)具有寬帶高速、高頻效率的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)靈活，可快速部署。Mesh型網(wǎng)絡(luò)中各熱點(diǎn)AP網(wǎng)狀互聯(lián)，能滿(mǎn)足較大面積、線(xiàn)纜布放不便的大中型熱點(diǎn)區(qū)域，可用于校園或者大型場(chǎng)館、廣場(chǎng)等場(chǎng)景的熱點(diǎn)覆蓋。

但是，當(dāng)前的Mesh網(wǎng)絡(luò)也有一些不完善的問(wèn)題，如產(chǎn)品沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用戶(hù)選擇產(chǎn)品時(shí)必須考慮兼容性問(wèn)題。由于Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)較多，將會(huì)存在一定的時(shí)延，如果跳數(shù)很多，時(shí)延就會(huì)比較大。同時(shí)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸過(guò)程中，也使數(shù)據(jù)的傳輸裸露于公共自由空間，數(shù)據(jù)被竊取的幾率將進(jìn)一步增大。

3 熱點(diǎn)覆蓋方案

數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園室外熱點(diǎn)覆蓋方案包含室外定向天線(xiàn)覆蓋方案和室外全向天線(xiàn)覆蓋方案，以下是對(duì)這兩種建設(shè)方案進(jìn)行論述。

3.1 定向天線(xiàn)覆蓋方案

采用定向天線(xiàn)的室外AP設(shè)備的布放可以采用如圖4所示的方案。AP沿道路兩邊交錯(cuò)布放，每個(gè)站點(diǎn)采用兩副定向天線(xiàn)分別朝向道路對(duì)面的覆蓋區(qū)。

在這種布點(diǎn)方案中，假設(shè)道路寬度H1，覆蓋區(qū)深度H2，天線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度α，天線(xiàn)水平半功率角β，AP最大需覆蓋距離R，站間距D之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 采用定向天線(xiàn)的室外型AP布放方案站間距的取定

從圖4中可得到以下關(guān)系[4]如式(1)、(2)。

D=H1×tan(2α)

(1)

(2)

可以看到，站間距D值的取定主要取決于AP的覆蓋最遠(yuǎn)距離R。按道路寬度H1為30米，室內(nèi)覆蓋深度H2為10米，取不同的R值，可得到表2所示結(jié)果：

表2 室外AP天線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度與站間距

需要注意的是，此時(shí)的最遠(yuǎn)覆蓋距離R并不是在天線(xiàn)的主瓣方向上，而是偏移了α度，相對(duì)天線(xiàn)主瓣方向上的增益會(huì)有所衰減。因此，在街道覆蓋中，需要注意：AP定向天線(xiàn)的天線(xiàn)增益并不是越大越好。

隨著天線(xiàn)增益的增加，天線(xiàn)的水平半功率角越來(lái)越小，雖然主瓣方向上的覆蓋深度增加，但在偏離主瓣方向的區(qū)域，信號(hào)質(zhì)量就會(huì)迅速下降，為了達(dá)到良好的覆蓋，需要減小站間距，增加AP的布放數(shù)量。因此，如果采用天線(xiàn)增益14 dB，水平半功率角為30°的定向天線(xiàn)，考慮10 dB穿透損耗和6 dB主瓣偏移衰減，經(jīng)鏈路預(yù)算可得：R=191.8 m，此時(shí)站間距取為140.7 m，天線(xiàn)偏轉(zhuǎn)39°[5]。

在道路覆蓋中，同樣要考慮垂直波瓣角寬度γ與街面寬度H1、天線(xiàn)掛高h(yuǎn)的關(guān)系。不考慮天線(xiàn)下傾的因素，垂直面的覆蓋距離Rv為式(3)。

(3)

當(dāng)Rv等于h時(shí)，剛能覆蓋到街沿；當(dāng)Rv大于h時(shí)，能覆蓋到街面，“塔下黑”的范圍越小，因此Rv越大越好。當(dāng)街面寬度一定時(shí)，選擇垂直波瓣寬度大的較好。

在實(shí)際環(huán)境中，店鋪的外墻的反射信號(hào)和街道的波導(dǎo)效應(yīng)等會(huì)增強(qiáng)AP的覆蓋效果，因此，采用定向天線(xiàn)的AP站間距建議不超過(guò)200 m，且當(dāng)街道寬度一定時(shí)，站間距越大定向天線(xiàn)的水平波瓣寬度也越大。在大面積覆蓋中(除特殊的定向應(yīng)用外)定向天線(xiàn)的水平波瓣寬度以大于40°為好。

3.2 全向天線(xiàn)覆蓋方案

在容量需求較小的地區(qū)，也可以采用全向天線(xiàn)進(jìn)行覆蓋。如圖4.7所示。在這種布點(diǎn)方案中，假設(shè)街道寬度H1，覆蓋區(qū)深度H2，AP覆蓋半徑R，站間距D之間的關(guān)系如圖5所示[6]。

圖5 采用全向天線(xiàn)的室外型AP布放方案站間距的取定

由圖5可得式(4)。

(4)

與定向天線(xiàn)方案不同的是，這里的R就是AP的覆蓋半徑，按照全向天線(xiàn)增益8 dB，預(yù)留10 dB的穿透損耗，根據(jù)鏈路預(yù)算可得：R=191.8 m。在道路寬度30 m，室內(nèi)覆蓋深度10 m的情況下，站間距：D=379.1 m。在實(shí)際環(huán)境中，采用全向天線(xiàn)的AP布放方案，建議站間距不超過(guò)400 m。

4 總結(jié)

由于篇幅所限，本文只是從網(wǎng)絡(luò)覆蓋的角度分析了數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園網(wǎng)建設(shè)中的技術(shù)問(wèn)題，提出了具體的覆蓋方案和技術(shù)指標(biāo)，在規(guī)劃和建成合理、高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)字無(wú)線(xiàn)校園網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具有一定參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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