WLAN農(nóng)村室外回傳覆蓋系統(tǒng)方案

沈國峰

（南京東曉通信科技有限公司，南京 210006）

近年來我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)民生活水平的不斷提高，農(nóng)村數(shù)字化應(yīng)用的需求也在不斷提高。利用WLAN技術(shù)打造農(nóng)村信息網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)農(nóng)村無線寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有著無可比擬的優(yōu)勢：建網(wǎng)成本低、一次性投入資金少、運(yùn)營與維護(hù)成本低、建網(wǎng)速度快、高可靠性與超強(qiáng)的可擴(kuò)展性，不僅可以為農(nóng)民提供方便、快捷、費(fèi)用低廉的寬帶入戶方式，也非常適應(yīng)農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐步發(fā)展的需求。

WLAN信號傳輸通常采用2.4GHz頻段進(jìn)行，但2.4GHz頻段信號室外直接覆蓋距離較短，一般不能滿足農(nóng)村覆蓋需求，本文探討采用5.8GHz頻段室外回傳方案進(jìn)行信號傳輸，可很好的解決覆蓋距離短的問題。

1 農(nóng)村數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)

1.1 農(nóng)村環(huán)境特點(diǎn)分析

農(nóng)村環(huán)境主要分為重要鄉(xiāng)村及一般鄉(xiāng)村，各場景業(yè)務(wù)特點(diǎn)如下：

1.1.1 重要鄉(xiāng)村

結(jié)構(gòu)：人口較多，建筑分布比較均勻；建筑面積一般較大，一般有街道及農(nóng)貿(mào)市場；建筑層數(shù)較低，一般不高于3層；樹木較多，信號直射損耗一般；

樓間距：5～8m；

建筑材料：鋼筋混凝土框架、磚混；業(yè)務(wù)需求：經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，需求較高。

1.1.2 一般鄉(xiāng)村

結(jié)構(gòu)：面積一般不是很大，人口較少；林木較多，阻擋嚴(yán)重，信號直射損耗嚴(yán)重；建筑樓層一般不高于2層；建筑分布不太規(guī)則；

樓間距：6～10m；

建筑材料：鋼筋混凝土框架、磚混；

業(yè)務(wù)需求：經(jīng)濟(jì)一般，需求一般。

由上述分析得出，重要鄉(xiāng)村人口較多，樓間距要高于一般鄉(xiāng)村，信號直射損耗低于一般鄉(xiāng)村，業(yè)務(wù)需求較高。因此重要鄉(xiāng)村是農(nóng)村數(shù)據(jù)需求的重點(diǎn)區(qū)域，在該區(qū)域部署WLAN同時采取有效的市場營銷方法可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 農(nóng)村業(yè)務(wù)特點(diǎn)

農(nóng)村用戶大多以使用臺式電腦為主、手機(jī)使用為輔，主要是進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽、即時消息、在線游戲、視頻下載等，如表1所示。

表1 農(nóng)村業(yè)務(wù)特點(diǎn)

2 室外回傳覆蓋系統(tǒng)方案

2.1 覆蓋模型

室外回傳的系統(tǒng)覆蓋模型如圖1所示，中心點(diǎn)AP采用5.8GHz頻段回傳至中繼點(diǎn)AP，中繼點(diǎn)AP接收信號后通過2.4GHz頻段覆蓋用戶，用戶采用CPE方式接收信號。

圖1 回傳覆蓋模型

2.2 組網(wǎng)方案

根據(jù)中心點(diǎn)AP和中繼點(diǎn)AP的對應(yīng)關(guān)系，可以有單點(diǎn)回傳、點(diǎn)對多點(diǎn)回傳、點(diǎn)對點(diǎn)回傳3種組網(wǎng)方式。

2.2.1 單點(diǎn)回傳

對某個距離較遠(yuǎn)的村莊覆蓋，可采用單點(diǎn)回傳覆蓋較遠(yuǎn)的村莊，中心點(diǎn)自身可直接采用2.4GHz頻段覆蓋，如圖2所示。

2.2.2 點(diǎn)對多點(diǎn)回傳

1個中心點(diǎn)可以對多個中繼點(diǎn)進(jìn)行回傳，實(shí)現(xiàn)信號的接力傳播，適合中心點(diǎn)資源緊缺的場景。

圖2 單點(diǎn)回傳

圖3 點(diǎn)對多點(diǎn)回傳

2.2.3 點(diǎn)對點(diǎn)回傳

中心點(diǎn)和中繼點(diǎn)一一對應(yīng)進(jìn)行覆蓋，適合中心點(diǎn)資源豐富的場景。

圖4 點(diǎn)對點(diǎn)回傳

2.3 供電方式

室外AP通常采用POE供電方式，也可采用交流直接供電方式。

2.3.1 POE供電

POE供電距離不超過100m，一般控制在80m以內(nèi)。POE供電可分為POE供電模塊和POE交換機(jī)兩種方式。使用POE交換機(jī)供電時應(yīng)注意核算POE供電交換機(jī)總輸出功率是否滿足所連接多個AP的總功率要求，并預(yù)留一定余量；且要求POE交換機(jī)接地良好。

2.3.2 電源保障

建議重要熱點(diǎn)及電力無法保障熱點(diǎn)的AP供電需配備后備電源。

2.4 鏈路預(yù)算

WLAN室外覆蓋開放空間可以采用自由空間傳播模型，2.4GHz自由空間電磁波的傳播路徑損耗符合：

其中Ls為自由空間損耗；D為傳輸距離，單位是km；F為工作頻率，單位是GHz。

接收靈敏度公式估算如下：

Pr為接收端靈敏度；Pt為設(shè)備射頻輸出功率；Gt為發(fā)射端的天線增益；Ls為收、發(fā)端之間的自由空間損耗；Lf為路徑損耗。表2為接收端接收靈敏度為-75dBm時不同天線增益下傳播小區(qū)半徑范圍。

表2 WLAN室外回傳鏈路預(yù)算表

2.5 帶寬需求

單用戶速率＝（單AP連接速率×傳輸效率）/（用戶數(shù)量×用戶同時使用率），802.11g AP最大連接速率為54Mbit/s，除去協(xié)議開銷，每AP最大數(shù)據(jù)傳輸速率約為22Mbit/s。

假設(shè)某村莊布置一個AP，按每個AP發(fā)展15個有效用戶計(jì)算，并假設(shè)所有用戶并發(fā)使用，此時每用戶帶寬可以保證1Mbit/s的傳輸速率，基本達(dá)到ADSL寬帶接入的速率。

總帶寬＝AP數(shù)量×單AP平均傳輸速率。

在此帶寬計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以預(yù)留一定的余量。

2.6 容量測算

WLAN農(nóng)村室外回傳系統(tǒng)按照下列原則計(jì)算容量：

2.6.1 參數(shù)

業(yè)務(wù)模型所涉及的相關(guān)參數(shù)包括：

覆蓋區(qū)域內(nèi)的人數(shù)；

業(yè)務(wù)滲透率：即使用WLAN相關(guān)業(yè)務(wù)的人數(shù)的比例；有時該參數(shù)可用WLAN的終端滲透率代替；

市場占有率：即不同運(yùn)營商在相關(guān)業(yè)務(wù)中的市場份額；

在線率：由于終端并非一直開機(jī)或在線，有時還需要考慮終端的在線率；

并發(fā)率：即產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)流量的用戶占在線用戶的比例；單用戶速率：即并發(fā)用戶的平均傳輸速率。

2.6.2 用戶數(shù)計(jì)算

用戶數(shù)可以用下面的公式計(jì)算得到：

總用戶數(shù)＝人數(shù)×業(yè)務(wù)滲透率×市場占有率。并發(fā)用戶數(shù)＝總用戶數(shù)×在線率×并發(fā)率。最終的用戶規(guī)模建議在滿足規(guī)劃期需求基礎(chǔ)上按70%預(yù)留余量，即：

設(shè)計(jì)容量＝規(guī)劃期內(nèi)需求/70%。

結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，但需計(jì)算得到最終并發(fā)用戶數(shù)，作為網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 防雷接地

在室外AP安裝中，接地是一個非常重要的環(huán)節(jié)，接地目的主要有3個：

（1）防止AP帶感應(yīng)電，導(dǎo)致AP出現(xiàn)工作異常；

（2）提高AP抗環(huán)境電磁干擾的能力；

（3）提高AP的抗雷擊能力。

根據(jù)中華人民共和國原信息產(chǎn)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD5040-2005，通信局（站）應(yīng)采用聯(lián)合接地方式,即通信設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地（包括柜蔽接地和建筑防雷接地）共同合用一組接地體。

按照上述規(guī)范，系統(tǒng)聯(lián)合接地電阻應(yīng)小于5Ω；如果接地電阻不能達(dá)到要求，需采取相應(yīng)措施以滿足接地要求。

4 地磁輻射防護(hù)

為防止電磁輻射污染、保護(hù)環(huán)境、保障公眾健康、促進(jìn)伴有電磁輻射的正當(dāng)實(shí)踐的發(fā)展，國家環(huán)境保護(hù)總局于1988年公布并實(shí)施了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》，其中對移動通信基站系統(tǒng)所使用頻段內(nèi)的電磁輻射防護(hù)導(dǎo)出限值的規(guī)定如下。

職業(yè)照射：在一天8h工作時內(nèi)，電磁輻射場的功率密度在任意連續(xù)6min內(nèi)的平均值應(yīng)小于2W/m2（頻率為 30～3000MHz）。

公眾照射：在一天24h內(nèi)，環(huán)境電磁輻射場的功率密度在任意連續(xù)6min內(nèi)的平均值應(yīng)小于0.4W/m2（頻率為 30～3000MHz）。

對于移動通信基站，以單個系統(tǒng)計(jì)，按公眾照射功率通量密度限值的1/5，即0.08W/m2作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)WLAN室外系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，可使用如下公式來進(jìn)行功率通量密度的計(jì)算：

Pt為通道發(fā)射總功率；Lc為元器件及接頭損耗；Lk為饋線損耗；Gt為天線基本增益；r為計(jì)算點(diǎn)與天線的距離。根據(jù)以上設(shè)定可以計(jì)算出WLAN系統(tǒng)功率通量密度達(dá)到國家規(guī)范時的安全距離，詳見表3（注：由于表3參數(shù)為假定值，供參考，不作為現(xiàn)場判斷標(biāo)準(zhǔn)）。

表3 不同型號AP產(chǎn)品安全距離

AP天線可以采用全向或定向，表3針對定向天線作出的計(jì)算（全向天線增益一般在8～12dBi，可參照計(jì)算）。由上表看出，WLAN室外回傳覆蓋對電磁輻射安全距離要求不高，一般而言，要求站點(diǎn)周圍60m范圍內(nèi)無常住人員存在即可。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇江蘇蘇北某地市農(nóng)村，該村莊東西距離約1050m，南北距離約960m，屬于典型的重要農(nóng)村覆蓋場景。村民渴望得到互聯(lián)網(wǎng)信息化服務(wù)，由于有線寬帶很難接入，因此考慮WLAN無線接入。

設(shè)計(jì)方案使用位于該村南側(cè)邊緣的基站作為中心點(diǎn)，位于基站北側(cè)約550m的1根高度為12m的水泥桿作為至高點(diǎn)，亦即中繼點(diǎn)。中心點(diǎn)和中繼點(diǎn)之間無阻擋，信號視距傳播。中繼點(diǎn)周圍用戶使用網(wǎng)線通過CPE信號接入WLAN網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)方案采用單點(diǎn)回傳，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)方案平面示意

單用戶采用CPE客戶端，測試點(diǎn)距離中繼點(diǎn)AP距離約460m，信號也同為視距傳播。CPE安裝在用戶屋檐下，用戶通過網(wǎng)線使用計(jì)算機(jī)連接至CPE，測得AP信號強(qiáng)度為-74dBm，鏈路質(zhì)量大于90%，如圖6所示。

測得單用戶平均下載速率達(dá)到221kbit/s，相應(yīng)帶寬則接近2Mbit/s，達(dá)到了ADSL用戶寬帶接入的速率。

圖6 AP測試指標(biāo)

通過采用5.8GHz頻段回傳技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)方案得出如下結(jié)論：

（1）在室外安裝CPE客戶端，在AP可視范圍內(nèi)，信號覆蓋距離接近500m；

（2）室外CPE通過網(wǎng)線與PC有線相連，可以避免室內(nèi)覆蓋引發(fā)的穿透損耗；

（3）采用CPE情況下，信號-75dBm以上可得到較高的下載速率，能滿足農(nóng)村用戶寬帶接入的需求。

6 結(jié)束語

文中通過對農(nóng)村數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)的分析，提出WLAN農(nóng)村室外回傳覆蓋系統(tǒng)方案?；貍鞲采w方案以其技術(shù)先進(jìn)、帶寬高而穩(wěn)定、靈活的拓展性、相對有線網(wǎng)絡(luò)低廉的一次性費(fèi)用投入、以及施工周期短、維護(hù)方便、低廉的運(yùn)行費(fèi)用等多項(xiàng)優(yōu)勢，成為農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首選。

[1] 中國移動集團(tuán)公司. 中國移動無線局域網(wǎng) (WLAN) 工程設(shè)計(jì)要求[S]. 2011.

[2] 國家環(huán)境保護(hù)局.GB8702－88, 電磁輻射防護(hù)規(guī)定[S]. 1988.

[3] 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部. YD/T 5040-2005, 通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2006.

[4] 侯群, 高立. 無線局域網(wǎng)(WLAN)室外覆蓋無線鏈路預(yù)算分析[J].廣東通信技術(shù), 2011.33(5):24-27.