WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法研究

朱艷云, 杜雪濤, 何繼偉, 王麗英

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種多跳、具有自組織和自愈特點的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，正逐漸成為研究的熱點。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由的功能，設(shè)備之間以Ad hoc方式互聯(lián)，直接通信，并當(dāng)主用無線鏈路中斷后，系統(tǒng)將自動選擇備用鏈路。

采用WiFi-Mesh小規(guī)模建網(wǎng)具有快速靈活的優(yōu)點，可以作為城市熱點地區(qū)、工業(yè)園區(qū)、大型會議及活動區(qū)域、校園等地區(qū)的寬帶接入解決方案。

由于Mesh網(wǎng)所具備的多跳等技術(shù)特點，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時也會帶來規(guī)劃方法的變化。本文將針對WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程及方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

進(jìn)行WiFi-Mesh無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，首先要確定準(zhǔn)確的覆蓋目標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計容量以及網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期質(zhì)量。包括：哪些區(qū)域需要覆蓋、會有什么樣的應(yīng)用、用戶量、服務(wù)質(zhì)量要求、覆蓋區(qū)域地圖、現(xiàn)有資源、附近是否有干擾源、硬件設(shè)備選型、回傳鏈路及傳輸選擇等。

之后要進(jìn)行現(xiàn)場勘測，了解實地的情況獲得現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)、傳輸及點位等資源情況，特別是AP安裝點選擇、障礙物、干擾信號。

最后才能進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和仿真。并且在實施和校正階段，需要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整；測量實際覆蓋效果，若不滿足則進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。圖1為WiFi-Mesh無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程圖。

2 WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法

結(jié)合以往建設(shè)經(jīng)驗以及試驗網(wǎng)結(jié)果，本文對WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法中以下方面進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2.1 組網(wǎng)方式

建議采用雙載頻和多載頻技術(shù)組網(wǎng)，不采用單載頻方式。

考慮到容量和成本的均衡，建議先以802.11a/g雙頻模式進(jìn)行部署，在對帶寬有較高要求的區(qū)域采用802.11n進(jìn)行部署以提高容量。

圖1 WiFi-Mesh無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中簇的劃分

在組網(wǎng)時建議以簇為單元進(jìn)行規(guī)劃，每個簇最多不超過20個節(jié)點。另外在每個單獨的Mesh簇都有一個或多個根節(jié)點AP接入有線網(wǎng)絡(luò)，這樣每個AP節(jié)點都有主用和備份的鏈路。整個Mesh網(wǎng)絡(luò)由多個這樣的高可靠的而且保證帶寬的Mesh簇組成。

2.3 跳數(shù)選擇

多跳為無線Mesh網(wǎng)增加了靈活健壯性，但是也對網(wǎng)絡(luò)的時延以及吞吐量均產(chǎn)生影響，因此跳數(shù)的選擇需要均衡考慮。

時延是影響實際Mesh組網(wǎng)的重要因素之一，時延一方面會影響到相關(guān)業(yè)務(wù)的QoS性能，另一方面鏈路層的時延過大也會間接影響到基于TCP的業(yè)務(wù)的流量性能。

圖2為在某試驗網(wǎng)中在不同類型的組網(wǎng)條件下，通過加載不同程度的負(fù)荷以全面考查Mesh組網(wǎng)的雙向時延性能。（a）為單頻各跳各種業(yè)務(wù)的時延趨勢圖，（b）為雙頻各跳各種業(yè)務(wù)的時延趨勢圖。從圖2中可以看出，無論單頻組網(wǎng)還是多頻組網(wǎng)，跳數(shù)的增加對于Mesh網(wǎng)的時延有較大的影響，大負(fù)荷下5跳時的時延可以達(dá)到單跳時延的10余倍，即每增加一級無線回傳鏈路，時延都會較大程度的增加。

圖3為某試驗網(wǎng)中單雙頻組網(wǎng)條件下不同跳數(shù)吞吐量對比表，從以上測試結(jié)果中可以看出，當(dāng)單鏈情況下時，3跳50m是單跳50m處的吞吐量的1/5，性能下降較為明顯。

因此綜合考慮多跳的傳輸帶寬和時延，建議Mesh組網(wǎng)時通常單條鏈路3跳為宜。最多不超過5跳。

2.4 頻點選擇及規(guī)劃

圖2 （a）單頻組網(wǎng)各跳各種業(yè)務(wù)時延趨勢圖

圖2 （b）雙頻組網(wǎng)各跳各種業(yè)務(wù)時延趨勢圖

802.11a工作在5.8GHz頻段，802.11b/g工作在2.4GHz頻段，全部采用非授權(quán)許可頻段，無須向國家相關(guān)管理部門申請頻段使用。

圖3 單雙頻組網(wǎng)條件下不同跳數(shù)吞吐量對比表

建議最好采用5.8GHz頻段做無線回傳，2.4GHz做無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這是因為目前絕大多數(shù)無線終端均工作在2.4GHz頻段，5.8GHz的終端設(shè)備相對較少。回傳由于需要更可靠的保證，采用頻譜相對純凈的5.8GHz頻段。但由于5.8GHz頻段較高，傳輸距離較短，因此5.8GHz覆蓋面積需要在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃給予充分考慮。

對于2.4GHz頻段，存在3個非重疊的信道；對于5.8GHz頻段，存在5個非重疊的信道，如圖4所示。

圖4 （a）2.4Ghz頻段存在的信道

圖4 （b）5.8Ghz頻段存在的信道

在進(jìn)行頻點規(guī)劃時，非重疊信道可以進(jìn)行復(fù)用，但確保使用同一信道的AP之間有足夠遠(yuǎn)的距離，相鄰節(jié)點不要采用同樣的信道。圖5（a）為802.11a頻點規(guī)劃示意圖，圖5 （b）802.11b/g的頻點規(guī)劃示意圖。

圖5 （a）802.11a頻點規(guī)劃示意圖

圖5 （b）802.11b/g頻點規(guī)劃示意圖

2.5 站址選擇與安裝

在進(jìn)行站址選擇時，盡量遵循以下的原則。

（1） 站址盡量選擇在交通便利、供電可靠、資源豐富的地方；

（2） 盡量使無線接入信號視距傳播，避開密集樹林、高樓等遮擋。對于回程無線信號要求保證直線可視傳輸；

（3） 根節(jié)點要求確認(rèn)傳輸條件，回傳節(jié)點要求確認(rèn)供電條件；

（4） 對于街道，可以選擇在道路的交通信號燈或者路燈燈桿上。取電則使用各類燈桿上的220V交流電，但需要確定是否能夠提供24h持續(xù)供電的電源，以及能否從燈桿頂端穿引電源線；

（5） 對于沿道路部署，可采用鏈狀組網(wǎng)。并且在十字路口四角的燈桿中選擇視野最好的位置，便于與來自道路上不同方向的設(shè)備建立無線回程；道路過長、無法形成Mesh拓?fù)鋾r，可以選擇周邊具有一定高度且具有良好視距的建筑物，保證同鏈型拓?fù)涞脑O(shè)備建立冗余的無線回程。在占據(jù)路口和占據(jù)好的商業(yè)覆蓋位置間進(jìn)行合理的選取，保持相互間的平衡；

抓執(zhí)行落實。強(qiáng)化制度日常監(jiān)督，不定期督查制度的學(xué)習(xí)、執(zhí)行，將物資采購銷售、工程招投標(biāo)等列為重點，以全方位監(jiān)督體系，架起紀(jì)律“高壓線”。運用督查結(jié)果，對制度學(xué)習(xí)不實、執(zhí)行不力的給予通報、約談，彰顯制度的生命力。

（6） 設(shè)備安裝時，對于街道，為了減少樹木的衰減，盡量在路的兩側(cè)交替的放置Mesh AP節(jié)點設(shè)備，這有利于在樹木茂密的區(qū)域保證視距條件；

圖6 街道兩旁交替放置Mesh AP節(jié)點

（7） 相鄰站點的天線高度盡量保證一致；

（8） 當(dāng)AP天線置于樓頂或燈桿時，同時要考慮AP的防雷。

2.6 天線的選擇

對于天線的選擇，主要分為室外天線的選擇和室內(nèi)天線的選擇。

對于室外天線，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期和發(fā)展期更多地考慮無線覆蓋面積，所以無線回傳鏈路要采用大增益的天線擴(kuò)大覆蓋面積。由于天線的水平波束寬度變窄以及室外空曠環(huán)境的反射較少，所以要求天線的極化方向和高度盡量一致。

對于室內(nèi)天線選擇，要根據(jù)不同的環(huán)境選擇不同的天線，一般全向天線用于典型的辦公室和商務(wù)樓的無線覆蓋，扇區(qū)天線比較多地用于室內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜的環(huán)境，如超市，通常有一排一排高大貨架，選用定向天線互相對打，就可以在貨架之間獲得很好的覆蓋效果。如圖7所示。

圖7 定向天線互相對打方式

2.7 AP站間距

AP的站間距和物理地形密切相關(guān)。根據(jù)實際測試結(jié)果，通常站點間距保持在300m左右。但用戶密度也決定了站點密度，如果某一區(qū)域的用戶密度較高，那么設(shè)計時就要首先考慮節(jié)點密度，適當(dāng)增加站點數(shù)量，縮小站間距。因此一般對于密集城區(qū)考慮AP間距在150～200m之間。

2.8 AP接入用戶數(shù)

由于WLAN采用CSMA/CA機(jī)制，如果接入用戶過多，那么同一時刻發(fā)生沖突的概率明顯增大，也必定會延長每個用戶等待的時間，而使得系統(tǒng)帶寬閑置；如果用戶超過一定的限度，會導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。工程設(shè)計上一般每AP接入用戶數(shù)在20～30臺左右應(yīng)該比較合適。

2.9 干擾的規(guī)避

由于WiFi-Mesh的頻譜資源不受管制，不可避免的會在同一地區(qū)存在大量同頻干擾。因此需要盡量采用一些手段進(jìn)行干擾的規(guī)避。

（1） 合理的頻點規(guī)劃：建議以手動規(guī)劃為主，建立可配置網(wǎng)絡(luò)，在干擾非常嚴(yán)重的密集城區(qū)，可有選擇的考慮開啟AP的動態(tài)頻點調(diào)整功能；

（2） 定向天線使用：可以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段，采用定向天線進(jìn)行有針對性的覆蓋，防止對同頻其它AP的干擾，并同時避免來自某個方向的干擾。

3 關(guān)于室內(nèi)覆蓋

室內(nèi)覆蓋方式分為單獨覆蓋和與現(xiàn)有的2G、2.5G或PHS共用分布式系統(tǒng)，除一些特殊的場所也可以通過室外AP布放實現(xiàn)室內(nèi)的無線覆蓋外，不建議用室外Mesh來覆蓋室內(nèi)。

如果采用室外覆蓋室內(nèi)的方式，通常使用高增益的定向天線，這種辦法適用走廊在樓層一邊的結(jié)構(gòu)。

其它室內(nèi)覆蓋方式應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)容量出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，所以不建議采用大增益的天線。

室內(nèi)單AP覆蓋范圍為30～50m，由于室內(nèi)障礙物穿透損耗不同，要根據(jù)實際情況確定AP數(shù)量。

隨著Mesh技術(shù)的不斷成熟和普及，將有越來越多的WiFi-Mesh無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在各大城市展開，WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要性也日益突出。總體來說，WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與WiFi網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有類似但也有本質(zhì)的區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不是一勞永逸的，WiFi-Mesh無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法仍需要在實際的規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)運營當(dāng)中不斷總結(jié)和完善。