淺談WLAN的覆蓋設計

何嘉榮

摘 要

本文從覆蓋的角度分析WLAN設計過程中的問題。從WLAN的無線電波特性入手，論述WLAN的信道劃分，干擾協調以及鏈路損耗的問題。提出了功率控制在設計WLAN覆蓋過程中的意義。最后比較了三種典型覆蓋方案的特點，以及在不同場合下使用的優劣。

關鍵詞

802.11;覆蓋設計;頻段規劃;干擾協調

中圖分類號： TN925.93? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.049

0 概述

在IT技術飛速發展的背景下，人們上網獲取資訊的方式和行為都有了根本性的革新。從以往使用臺式計算機為主，過渡到了使用便攜式移動終端的階段;從以上網獲取資訊過渡到了全方位的應用融合時代。人們的工作與生活已經與信息技術緊密相連。作為溝通服務商與用戶之間的橋梁，通信網絡的也發生著深刻的變革，從以往的固定接入，變成了隨時隨地的移動無線接入，從低速的網絡連接，轉變為高速的寬帶通信。

移動上網的終端主要是指智能手機、平板電腦等設備。這類設備連接互聯網的方式總體上分為兩種——WLAN與移動通信網絡。WLAN即無線局域網，是有線局域網的無線延伸。WLAN在酒店、學校、家庭以及各種公共場合提供著低廉高效的互聯網接入，滲透到了生活的每一處。

本文主要從無線覆蓋設計方面闡述WLAN的設計規劃。WLAN的構建是一個系統化的工程，設計到總體規劃、覆蓋設計、接入認證等環節。論述無線覆蓋設計，到頻率規劃、覆蓋設計、功率控制、干擾控制和信道復用等問題。

1 WLAN的無線技術特性

1.1 802.11協議族

IEEE是無線局域網標準的管理機構。1997年是WLAN元年。當年6月，IEEE發布了第一個WLAN的標準——IEEE802.11，無線局域網從此進入了飛速發展的軌道。早期的WLAN速率非常低，只有1～2Mbps，因此IEEE很快又相繼推出了802.11a，802.11b標準，提高了速率。

迄今為止，IEEE推出的無線局域網標準有802.11/a/b/g/ac/ax，WLAN的性能逐步提高。

1.2 WLAN的頻段

WLAN的工作頻段位于國際電聯分配的ISM頻段，ISM（Industrial Scientific Medical），即工業科學醫學頻段。此類頻段屬于非授權頻段，只要設備發射的功率不超過一定的強度，即可不必申請授權即可使用。

WLAN使用的頻段主要有2.4G，5G，5.8G，一般把5G和5.8G頻段統稱為5G頻段。WLAN設備參數上標注的“雙頻”，指的是設備同時支持2.4G和5G頻段。

根據IEEE的技術標準，WLAN的2.4G頻段的工作范圍是2.4～2.4835GHz，5G頻段是5.030～5.835GHz。由于各個國家的情況不同，5G頻段實際的可用帶寬并沒有規劃的那么多，而2.4G頻段的范圍相對比較窄。

1.3 MIMO技

由于WLAN的頻段資源有限，研發人員想出了各種方法提高頻譜利用率。如MIMO技術就是其中行之有效的一種。

MIMO指的是多進多出技術。在收發兩端同時采用多根發射與接收天線，在同頻的情況下，通過重復使用相同的頻率，提高頻譜利用率，達到提高網絡帶寬的目的。

1.4 OFDM

OFDM即正交頻分復用技術，屬于多載波調制的一種。利用頻分復用技術，把高速的串行數據轉換為并行傳輸，能很好地消除抗多徑衰弱，同時能夠支持多用戶接入。

2 存在的問題

2.1 干擾問題

由于ISM頻段開放的特性，各種標準的設備都可以使用ISM頻段。如藍牙、Zigbee、無繩電話等，甚至微波爐的工作頻率使用了2.4G頻段;5G頻段也有無人機等工業設備在使用。因此，無線局域網的工作頻段的無線頻譜環境較為復雜。在一些居民密集的區域，大量家庭安裝了無線路由器，因此導致WLAN頻段的擁擠程度雪上加霜。

由于WLAN服務范圍并非一個理想的傳輸模型，存在不規則的平面和障礙物，因此會導致多徑效應的產生。雖然可以通過技術手段部分消除，但是難免造成性能的下降。

當信號質量降低的時候，WLAN的協調機制會自動降低OFDM的調制級別，網速會受到影響。因此維持優良的信號質量，是實現優質性能的基礎條件。

2.2 空間鏈路損耗

WLAN的通信過程是一個信號雙向收發的過程，這個過程的傳輸質量，對WLAN的性能有非常重要的影響。

在無線電波傳輸的過程中，不同材質的物體對信號的衰減是不一樣的，密度小的比密度大衰減小，木質材料比金屬材料衰減小，厚度薄的比厚的衰減少。常見的材質鏈路損耗值如表1所示。

表1是特指2.4G頻段的鏈路障礙物損耗值。在無線電的頻譜中，頻段越高，障礙物的衰減值就越大，因此WLAN的5G頻段的穿透損耗比2.4G頻段要大得多。

在WLAN的覆蓋設計過程中，需要充分考慮這種情況造成的損耗。一般的初學者以為，可以加大無線發射功率以抵消這種損耗，所謂的“穿墻路由”就是這種例子。其實這種做法并不可取，因為通信是雙向的過程，空間鏈路損耗對通信雙方來說條件是一樣的。單純加大無線路由端的發射功率，而用戶端的手機發射功率是有限的，因此會導致單通的現象，實際體驗非常差，徒增電磁污染而已。

3 WLAN的覆蓋設計

3.1 AP的數量

由于干擾的普遍存在，標稱300M的2.4G無線設備實際的帶寬為40Mbps左右，這是設計WLAN過程中的一個非常重要的經驗值。

在設計WLAN覆蓋方案的過程中，首先要征詢用戶對終端帶寬的期望值，在計算出需要的AP數量，最后再確定AP的布放位置。所需AP的數量可以用一個簡單的公式計算，AP數=用戶總數*單用戶設計帶寬*復用比/AP帶寬。其中復用比指的是統計復用，因為一般情況下，同時上網的用戶比例不會是100%，因此復用比可以設置為50%到80%。

AP數量并不是無限制的增加的，要考慮可用信道的干擾問題。如無法滿足設計需要，則可以考慮采用功率控制和增加5G頻段覆蓋的手段達到設計目的。

3.2 信道的選擇

WLAN目前最主流的頻段是ISM的2.4G頻段，頻率信道分配如圖1所示。

從圖1的信道劃分可以看出，只有不相交的信道才不存在干擾，因此，在WLAN的覆蓋設計過程中，同一覆蓋區域和存在相互干擾的覆蓋區域，須采用互不干擾的信道，否則會因為干擾而影響空中接口的性能。

一般設計是使用1、6、11;2、7、12;3、8，13三組互相不干擾的信道來進行無線覆蓋，14信道是日本專用的信道，一般不會使用。在一些信道緊張的用戶密集區，可以采用有較小干擾的分組方式，如使用1、5、9、13四個信道進行無線覆蓋，增加一個可用的信道。還可以采用5G疊加覆蓋。因為5G頻段穿透力弱的特性，反而導致5G頻段的干擾遠沒有2.4G頻段嚴重。

3.3 發射功率的選擇

發射功率問題是WLAN覆蓋設計里面經常被忽視的環節。WLAN的信號收接靈敏度和最大接收電平的制約。WLAN的發射功率必須控制在一個合理的范圍內。一般要求接收端的信號強度在-40dbm與-85dbm之間，如遇到外部干擾較大的情形，可稍稍提高發射功率。

鏈路總增益的計算公式為Gl=Pt-Prs+Gt+Gr，其中Pt為設備射頻發射功率，Prs為接收端增益，Gt為AP的天線增益，Gr為用戶端的天線增益。例如設備發送功率為20dBm，接收端接收靈敏度為-75dBm，收發天線增益為Gt=Gr=12dBi，可以計算出鏈路總增益為：Gl=20-（-75）+12+12=119dB。

國標規定AP的最大發射功率為500mW，換算后即27dBm，主要用于室內分布系統的天線。實際應用中一般不能超過100 mW，網絡設備有發射功率協商機制，會根據接收信號強度，自動調節發射功率。[1]

3.4 天線的選擇

無線通信技術中的天線種類繁多，而用于一般環境的WLAN覆蓋的天線，使用較多的有桿式天線，吸頂式全向天線，平板天線。

桿式天線和吸頂天線的覆蓋范圍都是全向的，一般增益為2～8dB;平板天線的覆蓋形狀是扇形的，增益為6～12dB。在應用的過程中，要根據需求選用適當的天線。如沒有明顯指向性的覆蓋區域，可以使用全向類型的天線進行覆蓋設計，如果需要躲避干擾，或者防止信號外泄的應用場合，則可以使用平板天線。另外，在某些無法安裝天線的弱覆蓋區域，可在臨近區域使用有方向性的高增益平板天線進行覆蓋。

3.5 覆蓋設計

為了提高性能，在WLAN工程的建設中，會使用各種方式提高信道的復用率，重復使用相同的信道。如利用建筑物混凝土層的阻隔，在不同的樓層和房間使用相同的信道。也可以使用蜂窩狀的組網形式，在不相鄰的區域使用重復的信道，以提高信道的利用率。如圖2所示。需要注意的是，為了避免干擾，使用復用信道的時候需要嚴格控制AP的發射功率，避免越區干擾。[2]

4 應用方案及場

主流的WLAN建設方案主要可以分為室內分布系統、WoC以及AC+瘦AP架構三種。根據應用場合不用，各有優勢。另外在設計過程中，可以利用建筑物的阻隔，降低鄰近AP的同頻干擾。

4.1 室內分布系統

室內分布系統屬于無源分配系統，AP的信號通過饋線，傳輸到發射天線，供用戶接收。簡單地說，就是一個無源的信號分配系統，天線直接安裝在房間內部，傳輸的路徑沒有障礙物，因此可以用比較小的功率發射，見圖3。室內分布系統不僅僅可以用于WLAN，還廣泛地用于移動通信行業。

室分方案的優點是成本低廉，可以與移動通信信號共用一路線路傳輸。適用于間隔多，但是用戶數量不多的情況，如小型公寓，賓館等。

由于此系統只是單純的信號無源分配，信號都是從單一AP發射出來，所以容量取決于AP的數量，用戶容量有限。室分系統支持2.6G以內的頻段，因此WLAN的室分系統只支持傳送2.4G頻段的WLAN信號。這種設計方案還需要考慮的是分組AP間的信道選擇，以避免干擾，而同一AP下的天線不存在同頻干擾問題。

4.2 WoC

WoC方案是一種使用有線電視同軸電纜傳輸的一種WLAN覆蓋方案。有線電視所使用的是75歐姆的同軸電纜，WLAN工作的2.4G頻段的信號遠高于有線電視的47～860MHz頻段，線路損耗較大，因此只能在短傳輸距離的范圍內使用。

采用WoC方案的WLAN容量和室分差不多，并不屬于常規的WLAN覆蓋方案，通常是舊有建筑沒有沒有預留網絡布線的補救措施。利用存量的同軸電纜，在不破壞建筑裝修的情況下，把WLAN信號覆蓋到客房內。本地某著名酒店就使用了這種方案加裝了WLAN覆蓋。WoC的覆蓋原理圖如圖4所示。

4.3 AC+瘦AP架構

傳統的WLAN設計方案由于存在著各種局限性，如不支持5G頻段，用戶在不同的AP間移動時，需要斷開重連新的AP，不支持STA，容量有限等，已經不能滿足高密度高網速的應用場景。對于高度依賴無線業務的用戶，傳統架構已經無法滿足這部分用戶的需求，因此新一代的無線網絡的提出，從技術上解決了這部分需求。[3]

這種架構區別于傳統無線路由的架構，它把傳統無線路由的認證管理與無線功能分離，把無線管理功能集中到AC控制器中，而無線部分則交給功能簡化后的AP——瘦AP去處理。這樣做的好處是AP統一由一臺AC管理，能支持STA自動漫游功能，用戶在不同AP間移動時能無感知切換，全程不斷網;配置工作全在AC完成，瘦AP能做到零配置，大大降低了維護工作量;增加空中接口帶寬最直接的方式是增加AP的數量，由于這種架構增加AP非常方便，因此容量大，并且兼容5G頻段。

采用AC+瘦AP架構網絡主要增加的成本在于瘦AP，這種方案是各種WLAN覆蓋方案中成本最高的，但由于其諸多優點，現在被眾多的用戶采用。

在實際工程方案中，一般采用面板式一體化AP，直接安裝到房間內，可以有效地隔絕同頻干擾信號，同時發射功率可以控制在比較低的水平，符合當今社會對環保的要求。這種方案的原理圖如圖5所示。

4.4 其他架構

除了上述組網方式，還有用于一般點對點連接的WDS橋接方式;結構復雜，但可靠性高造價高昂的MESH方案;電力網橋拓展的無線方案，電力線的干擾比較大，不適合大規模的應用場景。這些方案的使用面相對不廣。

5 總結

WLAN的建設是一個系統化的工程，一個良好覆蓋設計的系統是實現高性能接入的前提條件。WLAN設計的過程中需要從無線信號的本質著手，讀懂WLAN工作頻段無線電波的工作特性，在設計過程中采用頻率復用技術，并妥善安排無線設備的功率和工作頻段，從而實現WLAN的高性能設計目標。

參考文獻

[1]廣州杰賽通信規劃設計院.無線局域網設計與優化[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[2]李國慶，汪雙頂，張迎春.無線局域網項目化教程[M].北京：電子工業出版社，2018.

[3]汪雙頂，黃君羨，梁廣民.無線局域網技術與實踐[M].北京：高等教育出版社，2018.