大學(xué)校園無(wú)線寬帶網(wǎng)的熱點(diǎn)覆蓋

趙德才，王鳳利，李小軍，謝博陽(yáng)

（1.河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.河北北方學(xué)院第三附屬醫(yī)院，河北 張家口075000；3.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口075000）

1 引 言

網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為人們工作、生活、娛樂(lè)不可缺少的組成部分，人們使用網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)也由原來(lái)的單一化（辦公室或家里）向多元化發(fā)展，不只在辦公室需要網(wǎng)絡(luò)，在會(huì)議室、辦公區(qū)的任意地方都有可能需要網(wǎng)絡(luò)的支持，這就促使要將有限的網(wǎng)絡(luò)資源共享，以無(wú)線的形式覆蓋所有的工作區(qū).

在生活著數(shù)千人的大學(xué)校園里，這種對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需要表現(xiàn)的更為突出，但是，實(shí)現(xiàn)整個(gè)校園的無(wú)線寬帶覆蓋存在著諸多的困難，一是面積大，二是樓群多，實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要大量的設(shè)備和資金，這就使無(wú)線寬帶在大學(xué)校園的覆蓋受到了限制，通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)和理論分析，針對(duì)大學(xué)校園的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提出一種簡(jiǎn)單可行，耗資極低的設(shè)計(jì)方案.

2 無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式

工程施工通常采用的是室內(nèi)放置AP的覆蓋模式，該方式是根據(jù)WLAN的覆蓋范圍和容量需求直接在相應(yīng)的位置部署AP，提供WLAN無(wú)線覆蓋，AP與AP之間通過(guò)交換機(jī)等設(shè)備采用有線方式連接，也可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線方式連接［1］.目前WLAN室內(nèi)型AP發(fā)射功率為100 m W，覆蓋范圍很小，單個(gè)AP的覆蓋半徑一般不超過(guò)30 m，由于網(wǎng)絡(luò)是雙向通訊，電腦終端上的無(wú)線網(wǎng)卡的發(fā)射功率一般是50 m W，最大不超過(guò)100 m W，所以決定了不能單純加大AP發(fā)射功率的辦法來(lái)加大覆蓋范圍［2］.要在整個(gè)校園包括宿舍區(qū)和教學(xué)樓覆蓋WLAN信號(hào)需要布置大量的AP，造成網(wǎng)絡(luò)工程量加大，投資很高，后期維護(hù)相對(duì)復(fù)雜.一層長(zhǎng)200 m的教學(xué)樓需要布置AP至少10個(gè)，按5層樓計(jì)算，就要布置 AP 50個(gè).

3 影響無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?/h2>

3.1 環(huán)境因素

WLAN信號(hào)采用的是2.4 GHz波段，該高頻波段電磁波對(duì)于各種建筑材質(zhì)的穿透能力很弱，每穿透一層損耗很大［3］，通過(guò)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以了解信號(hào)衰減損耗的情況.

第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在沒有阻擋的空曠操場(chǎng)進(jìn)行，無(wú)線AP固定在操場(chǎng)一點(diǎn)不動(dòng)，手持筆記本電腦，邊走邊進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)，直到信號(hào)減弱到一個(gè)信號(hào)格時(shí)停止移動(dòng)，測(cè)量此時(shí)AP和筆記本之間的距離，大約在200 m.

第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是把AP放到教學(xué)樓的教室里，手持筆記本電腦在操場(chǎng)移動(dòng)，直到信號(hào)衰減到一格信號(hào)為止，再次測(cè)試AP和筆記本電腦的距離，大約只有100 m.

第三四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是把AP放置在5樓的教室里，在教學(xué)樓里移動(dòng)筆記本電腦，當(dāng)移動(dòng)到2樓時(shí)信號(hào)已經(jīng)降為1個(gè)信號(hào)格，移動(dòng)到1樓時(shí)，信號(hào)已經(jīng)忽有忽無(wú)很不穩(wěn)定，按照教室的高度，每屋4 m計(jì)算，AP和筆記本電腦有效距離也就10 m左右.

四次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)參見表1，數(shù)據(jù)雖然不是用專業(yè)的場(chǎng)強(qiáng)儀器所測(cè)，但實(shí)驗(yàn)完全是在相同條件下的真實(shí)驗(yàn)證，通過(guò)表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土樓板和墻壁對(duì)2.4 GHz的高頻信號(hào)衰減很嚴(yán)重，所以給出建議是，在WLAN信號(hào)覆蓋時(shí)，盡量讓信號(hào)無(wú)阻擋直射覆蓋.

表1 不同環(huán)境下信號(hào)延展情況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 天線因素

AP的天線增益常見的有3 d B，5 d B，7 d B，9 d B，理論計(jì)算最大不超過(guò)10 d B，分貝越大相應(yīng)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)［4］.（參見表2）

表2 AP使用不同增益的天線對(duì)信號(hào)影響情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 干擾因素

多AP情況下的相互干擾肯定存在，必須想辦法來(lái)規(guī)避，把干擾降到最低.以802.11 b／g而言，理論上工作頻率從2400 MHz到2483.5 MHz，帶寬為83.5 MHz，劃分為14個(gè)子頻道，每個(gè)子頻道帶寬為22 MHz.（見封三彩圖1）.互不干擾的子信道有1，6，11或2，7，12或3，8，13等.從圖1（見封三彩圖1）可以看到，例如信道1在頻譜上和信道2、3、4、5都有交疊的地方，這就意味著：如果有兩個(gè)無(wú)線設(shè)備同時(shí)工作，且它們工作的信道分別在這幾個(gè)頻道上，如1和3，或1和4或者2和5等，則它們發(fā)送出來(lái)的信號(hào)會(huì)互相影響.導(dǎo)致同頻干擾，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男Ч?］.

如果相鄰的AP使用的是互不干擾的信道，如1.6.11或2.7.12三個(gè)子信道等，且AP工作在不重疊覆蓋時(shí) （見封三彩圖2），每個(gè)AP可以達(dá)到各自的最高傳輸速率，11 b為5 M bps左右，11 g為20 Mbps左右；而當(dāng)重疊覆蓋時(shí)候 （見封三彩圖3），盡管AP所使用的信道互不干擾，但由于WLAN的雜散發(fā)射為－9.6 d Bm／22 MHz，相互間也存在一定的影響.通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如果2個(gè)分別使用1.6兩個(gè)子信道的11 g的AP重疊覆蓋，每個(gè)AP可以最高傳輸速率只能達(dá)到13 M bps左右，總速率只有26 Mbps，比非重疊覆蓋的總速率40 Mbps下降了很多［4］.

經(jīng)常采用的比較理想的覆蓋方式是蜂窩覆蓋方式 （見封三彩圖4）.在這種覆蓋方式中既要考慮信道問(wèn)題，還要考慮功率和AP之間的距離問(wèn)題，盡量讓相鄰AP無(wú)重疊區(qū)域，避免重疊干擾和跨區(qū)域同頻干擾［5］.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了影響WLAN信號(hào)的幾項(xiàng)主要因素：

1）AP和電腦用戶無(wú)線終端之間的障礙越少越好，障礙越多信號(hào)衰減越嚴(yán)重，尤其樓房的混凝土地板和墻壁，對(duì)信號(hào)衰減很嚴(yán)重.因?yàn)閃LAN信號(hào)的中心頻率是2.4 GHz，這種高頻信號(hào)的傳播類似于光波，繞射能力很差，主要靠直線傳播，每穿透一層墻壁或樓板信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)大大衰減；

2）天線的增益越大傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；

3）相鄰AP之間的頻率干擾問(wèn)題不容忽視.任意相鄰區(qū)域使用無(wú)頻率交叉的頻道，如1、6、11頻道；適當(dāng)調(diào)整發(fā)射功率，避免跨區(qū)域同頻干擾；蜂窩式無(wú)線覆蓋實(shí)現(xiàn)無(wú)交叉頻率重復(fù)使用.多AP情況下，首先相鄰AP所使用的信道要相隔5個(gè)以上，保證中心頻率相隔25 MHz.同時(shí)，相鄰AP的覆蓋重疊要較少，避免總體容量的下降.

4 具體實(shí)施方案

針對(duì)上述影響WLAN信號(hào)的因素，結(jié)合河北北方學(xué)院校園建筑結(jié)構(gòu)和布局特點(diǎn)，制定切實(shí)可行的覆蓋方案.該學(xué)院東校區(qū)的3棟宿舍樓，長(zhǎng)約150 m，高六層，樓間距約50 m，在這個(gè)建筑群體中覆蓋無(wú)線WLAN信號(hào)，只需要6個(gè)AP（見圖5）.從北向南依次為AP1，AP2，AP3，AP4，AP5，AP6.AP1使用信道1，安放在北邊宿舍樓北的電桿上，電桿位于宿舍樓150 m長(zhǎng)度的中間部位，AP1放置高度大約在3～4層樓高度，電桿距樓房30～50 m，采用幾乎直射的方式覆蓋1號(hào)宿舍樓的陰面所有宿舍；AP2使用信道6，安放在1號(hào)樓陽(yáng)面的中間部位 （高度在3～4層，左右距離在75 m處）一個(gè)宿舍的外墻上，采用直射的方式覆蓋2號(hào)宿舍樓陰面的所有宿舍；AP3使用信道11，安放在2號(hào)樓陰面的中間部位一個(gè)宿舍的外墻上，采用直射的方式覆蓋1號(hào)宿舍樓陽(yáng)面的所有宿舍；依次類推AP4使用1信道，AP5使用6信道，AP6使用11信道.這種覆蓋方式施工簡(jiǎn)單，有4個(gè)AP只需要安置在樓房墻體即可，不需另立電桿和拉線，但存在著一個(gè)弊病，相互照射的2個(gè)AP屬于重疊覆蓋，雖然工作于互不干擾的信道，但由于重疊覆蓋，每個(gè)AP可以最高傳輸速率只能達(dá)到13 M bps左右，總速率只有26 Mbps，比非重疊覆蓋的總速率40 Mbps下降了很多.這種施工方式適合容量較低的情況.

如果要最優(yōu)覆蓋宿舍區(qū)，只需要4個(gè)AP，需要在3個(gè)宿舍樓之間另立2根電桿，分別安放一個(gè)AP，負(fù)責(zé)直接照射2個(gè)宿舍樓的陰陽(yáng)2面，這樣就不會(huì)出現(xiàn)重疊覆蓋的情況.對(duì)于教學(xué)樓的覆蓋情況和宿舍樓道理相同，不再累贅.

圖5 三棟宿舍樓側(cè)面圖 （長(zhǎng)約150 m，AP放置示意圖）

5 結(jié)束語(yǔ)

WLAN信號(hào)熱點(diǎn)覆蓋是IT界的一個(gè)技術(shù)難題，存在著諸多變數(shù)因素，受建筑布局、無(wú)線干擾情況和使用環(huán)境影響很大，信號(hào)的覆蓋只能因地制宜，找出最適合的覆蓋方案，不能照搬其它任何地方的方案，只能借鑒.無(wú)論怎么設(shè)計(jì)，必須注意的解決好三大問(wèn)題，通俗的表達(dá)如下：

1）2.4 GHz的頻率繞射和穿透能力很差，盡量讓AP直線輻射狀覆蓋終端用戶；

2）使用全向高增益天線，提高信號(hào)發(fā)射效率和接收靈敏度；

3）解決好同頻干擾和鄰頻重疊覆蓋干擾.

［1］ 段水福，歷曉華，段煉.無(wú)線局域網(wǎng) （WLAN）設(shè)計(jì)與實(shí)踐 ［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，2007：108－216

［2］ 劉宴兵，唐紅.寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ［M］.北京：科學(xué)出版社，2008：15－60

［3］ 高澤華，趙國(guó)安，寧帆.寬帶無(wú)線城域網(wǎng)——Wi MAX技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京：人民郵電出版社，2008：1－23

［4］ （美）多布金著，李晉文譯.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)射頻工程：硬件、天線和電波傳播 ［M］.北京：人民郵電出版社，2008：6－38

［5］ （美）普賴斯 （Price，R.）.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：123－131