WLAN無線信號室外覆蓋預測和分析

徐超

【摘 要】由于室內外的環(huán)境有差異，WLAN室外網(wǎng)絡建設不能照搬室內的建設方法。在對現(xiàn)有室外站點的覆蓋效果進行大量測試后，得到WLAN信號覆蓋電平及質量，并選取合適的傳播模型，計算WLAN室外站點的覆蓋距離。最后，針對不同室外場景提出了建設和優(yōu)化意見。

【關鍵詞】WLAN 室外覆蓋 接收電平 鏈路預算 覆蓋距離

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0097-05

1 引言

我國WLAN網(wǎng)絡的建設從2008年起迅速蔓延，目前是傳統(tǒng)電信運營商為運營主力，依托政府規(guī)劃、主導和支持，把寬帶無線接入技術與蜂窩移動通信技術以及固網(wǎng)相融合（2G+3G+Wi-Fi+LTE），統(tǒng)一提供服務、統(tǒng)一認證運營。新型運營商作為配角，致力于專業(yè)網(wǎng)、社區(qū)網(wǎng)的發(fā)展，面向不同行業(yè)差異化定制，針對不同需求制定不同的建設方案，與電信運營商形成互補局面。

之前由于自身技術不支持高速移動與終端的限制，WLAN網(wǎng)絡主要建設在室內。但隨著手機逐漸對WLAN網(wǎng)絡兼容以及帶Wi-Fi功能的平板電腦的普及，人們在室外時也產(chǎn)生了尋求無線網(wǎng)絡服務的期望。

經(jīng)過多年室內WLAN網(wǎng)絡的建設，各運營商形成了各自的建設指導意見，其中對信號覆蓋電平及質量的要求都差異不大。但建設WLAN室外網(wǎng)絡，由于室內外的環(huán)境有差異，不能照搬室內的建設方法。本文將就室外信號的接收電平、鏈路預算和覆蓋范圍進行研究分析，為WLAN室外覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 WLAN信號覆蓋電平及質量

WLAN室外規(guī)劃中，最為基本的兩項指標是接收電平和SNR（Signal to Noise Ratio，信噪比）。在過往的文獻中往往從終端或AP（Access Point，訪問接入點）的接收門限來計算接收電平，理論計算得到的覆蓋范圍往往大于實際情況。另外，有些室外區(qū)域信號強度的確有連不上的問題?；诖?，筆者對室外的部分典型WLAN覆蓋場所做了測試和分析。本次共進行17次室外站點測試，測試的項目除了包括RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信號強度）、SNR、Ping包，還從用戶的角度出發(fā)包含了協(xié)商速率和上下行速率測試等能體現(xiàn)無線網(wǎng)絡質量的指標。測試結果如表1所示。

在RSSI≥-70dBm以及后臺所測的信號強度≥20dBm情況下，與Ping包成功率和下行速率的關系如表2所示。

從以上數(shù)據(jù)初步分析可知，無線網(wǎng)絡質量及用戶體驗與AP側所取得的信號強度的關聯(lián)性較強。為了保證網(wǎng)絡質量，信號強度應至少大于20dBm。

信號強度是芯片在接收報文時能夠獲取該報文的能量。這個指標能夠體現(xiàn)終端發(fā)送報文到達AP時的能量情況，在AC側看到終端的信號強度越大越好。在AP設備芯片的定義中，信號強度、底噪及接收電平的關系如下：

信號強度=接收電平-底噪 （1）

其中，Signal Power為信號功率，值為 10^（RSST/10）；

Noise Power為噪聲功率，值為 10^（底噪/10） ，則：

SNR=RSSI-底噪 （2）

根據(jù)式（1）和（2），SNR應該等同于上述的信號強度。而之所以SNR和信號強度的值不完全相等，經(jīng)分析是因為軟件測得的SNR是個平均值、信號強度是個瞬時值，且終端測得的底噪和AP測得的底噪有些微誤差。

底噪不僅取決于所能獲得的輸入信號的大小，而且也與其內部噪聲以及外部噪聲和干擾的大小有關。噪聲積累效應直接影響AP的覆蓋和容量。不同覆蓋區(qū)域類型，底噪也不同。WLAN信號在2.4G頻段工作，這個頻段目前是完全開放的，加上現(xiàn)在多家運營商在大力發(fā)展運營級的WLAN網(wǎng)絡，使得之前還比較干凈的2.4G頻段現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪。由于室外場景的特性，同頻、鄰頻干擾更是嚴重，令AP的底噪進一步抬升。

針對上述問題，筆者對現(xiàn)網(wǎng)室外AP的底噪值做了采樣，室外AP的平均底噪在-86dBm左右，如圖1所示。

根據(jù)目前室外場點底噪的采樣值，筆者推論室外底噪的經(jīng)驗值為-90dBm，下面的鏈路預算和覆蓋范圍均在這個值下討論。

綜上所述，建議將室外站點的接收電平和SNR值進行如下取定：

室外信號接收電平≥-70dBm，SNR≥20dB。

3 WLAN室外鏈路預算及覆蓋距離分析

WLAN無線鏈路預算是在保證覆蓋質量的前提下，確定AP和終端之間的無線鏈路所能允許的最大路徑損耗。

設發(fā)射機的輸出功率為Pt，空間最大允許路徑衰耗為L（d），發(fā)射天線增益為Gt，接收天線增益為Gr，饋線及插損為Ls，衰落余量為R，干擾余量為I，則接收機接收的功率電平Pr可表示為：

Pr=Pt+Gt+Gr-L（d）-R-Ls-I （3）

利用公式（3）可以計算得到最大允許路徑損耗，進而確認AP覆蓋范圍，如表3所示。

當WLAN室外信號允許的最大路徑損耗為73dB或82dB時，所覆蓋的范圍需要結合空間信號的傳播模型來分析。無線信號在自由空間中傳播的路徑損耗可表示為：

Lfs=32.4+20lgf+20lgd （4）

式（4）只能應用于自由空間或者無線環(huán)境很好，無反射、無散射、無衍射的條件下，對于有密集建筑物的中心城區(qū)，其計算出的路徑損耗大大偏小。在無線通信領域，目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型等。前者在基站密集的地區(qū)使用會出現(xiàn)預測值明顯偏高的問題；后者適用于半徑為1～20km的密集市區(qū)。

在實際的工程中，WLAN室外站主要位于密集市區(qū)，站距只有數(shù)百米，WLAN信號的強度和質量會受到樹木或建筑物阻擋的影響，適合在視距范圍內傳播。以上兩種模型均不太合適，在此可采用歐洲研究委員會以COST-231傳播模式提出的另一種建議：COST231 Walfish-Ikegami模型，主要用于針對密集住宅區(qū)區(qū)域內現(xiàn)網(wǎng)基站平均站距小于1km且建筑物高度近似一致的情況。COST231 Walfish-Ikegami模型區(qū)分視距（LOS）和非視距（NLOS）兩種，即無線信號的傳播路徑是直射還是通過繞射、反射等。endprint

采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據(jù)COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規(guī)劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區(qū)域類型，不同的室外場景有不同的環(huán)境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數(shù)據(jù)，如有連續(xù)覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區(qū)域應有小部分重疊，兩個小區(qū)的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

參考文獻：

[1] IEEE Std 802.11g. High-speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band[S]. 1999.

[2] IEEE Std 802.11g. Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S]. 2003.

[3] IEEE Std 802.11n. Enhancements for Higher Throughput

[S]. 2009.

[4] 高峰，高澤華，文柳，等. 無線城市電信級Wi-Fi網(wǎng)絡建設與運營[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2011.

[5] 侯群，高立. 無線局域網(wǎng)室外覆蓋路徑損耗計算分析及規(guī)劃布局建議[J]. 電訊技術， 2011，51（8）： 101-104.★endprint

采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據(jù)COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規(guī)劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區(qū)域類型，不同的室外場景有不同的環(huán)境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數(shù)據(jù)，如有連續(xù)覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區(qū)域應有小部分重疊，兩個小區(qū)的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

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[3] IEEE Std 802.11n. Enhancements for Higher Throughput

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采用COST231 Walfish-Ikegami視距情況下的模型可表示為：

LLOS=Lfs+10.19+6lgd=42.6+26lgd+20lgf （5）

其中，Lfs為自由空間傳播損耗。

根據(jù)COST231 Walfish-Ikegami模型算出的WLAN信號路徑損耗如圖2所示：

WLAN空間路徑損耗在40m時達到73dB、90m時達到82dB，計算得到室外AP定向天線的覆蓋距離為90m左右、室外AP全向天線的覆蓋距離為40m左右。

4 總結

在規(guī)劃室外站點時，需劃分不同的覆蓋區(qū)域類型，不同的室外場景有不同的環(huán)境噪聲，底噪情況確定了覆蓋距離，確定天線掛高、站高不能過高。WLAN信號的室外傳播較易受到干擾，如廣場、綠地的樹木遮擋，在道路、電話亭場景下的過往車輛影響，造成信號嚴重衰減，適合在視距情況下傳播。

對新建站點，一般覆蓋場景可劃分為道路、廣場、綠地和電話亭等。如表4所示：

以上覆蓋距離取定均為單站情況下的數(shù)據(jù)，如有連續(xù)覆蓋及慢速切換需求的場景，為保證用戶在低速移動中AP間的順利切換，兩個站點的站距需適當降低，覆蓋區(qū)域應有小部分重疊，兩個小區(qū)的邊緣信號強度相差控制在4dB之內，如圖3所示：

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