數(shù)字無線校園建設中的覆蓋方案研究

張建偉

(寶雞文理學院 物理與光電技術學院， 寶雞 721016)

0 引言

數(shù)字無線校園的建設，通常是高校牽頭，移動通信運營商實施建設，各行業(yè)參與合作的共用項目，是充分融合了移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，面向企業(yè)(高校)和個人(師生員工)的綜合性校園信息化應用。

本文以寶雞文理學院數(shù)字無線局域網(wǎng)規(guī)劃為案例作進一步分析，重點研究網(wǎng)絡建設中的覆蓋問題。寶雞文理學院是我國西部中等城市陜西寶雞。學?，F(xiàn)有新老兩個校區(qū)，占地面積1100多畝，擁有全日制在校生近2萬名，教職工1300名。寶雞文理學院校區(qū)擁有國內(nèi)絕大多數(shù)校園所具有的各類場景，因此研究寶雞文理學院“數(shù)字無線校園”的規(guī)劃和部署方案，對其他校園數(shù)字無線網(wǎng)絡的規(guī)劃建設具有重要的參考意義和價值。

1 覆蓋場景

數(shù)字無線校園網(wǎng)絡的覆蓋場景，應包含多個宿舍生活區(qū)、教學區(qū)、體育場館、綠化園林等代表性區(qū)域。

這些區(qū)域為數(shù)據(jù)需求量大的熱點區(qū)域，以上區(qū)域覆蓋需求，需根據(jù)這些區(qū)域的特點，進行分類，根據(jù)不同場景類型采用合理的覆蓋方式進行有效覆蓋，數(shù)字無線校園覆蓋場景類型匯總表如表1所示。

根據(jù)校區(qū)多種覆蓋場景進行覆蓋方式分類，主要可以分為室外覆蓋、室外覆蓋室內(nèi)、室內(nèi)覆蓋三類[1]。

以下根據(jù)這三類場景對覆蓋目標進行分析、歸類，最終確定各種場景采用的建設解決方案：

(1) 室外覆蓋場景：該場景為開放式，采用室外型或者室外基站型AP覆蓋。

(2) 室外覆蓋室內(nèi)場景：樓宇相對密集，室內(nèi)信號較差，采用室外型AP覆蓋室內(nèi)。

(3) 室內(nèi)覆蓋場景：室內(nèi)需求量較大的區(qū)域，采用室內(nèi)覆蓋方式滿足室內(nèi)覆蓋需求。

另外，校園數(shù)字無線網(wǎng)絡建設初期，暫不考慮快速移動的覆蓋需求，快速移動終端的接入以及頻繁切換導致網(wǎng)絡負荷較大，網(wǎng)絡接入指標下降。

表1 數(shù)字無線校園覆蓋場景類型匯總表

2 覆蓋方式

數(shù)字無線網(wǎng)絡能夠在覆蓋目標區(qū)域提供數(shù)字無線寬帶接入服務。根據(jù)覆蓋目標的特點、數(shù)字無線網(wǎng)絡的性能以及無線移動現(xiàn)有網(wǎng)絡資源基本情況，可將數(shù)字無線網(wǎng)絡覆蓋方式分為獨立放裝式、饋入分布式、混合覆蓋式和Mesh型網(wǎng)絡四種主要方式[2]。其中室內(nèi)覆蓋方式主要包括獨立放裝式、饋入分布系統(tǒng)方式以及混合覆蓋方式，室外覆蓋方式主要包含獨立放裝式和Mesh型網(wǎng)絡覆蓋方式。

2.1 獨立放裝式

獨立放裝式建設方式是指AP直接覆蓋方式，是在熱點區(qū)域或者熱點附近安裝AP設備，可通過自帶天線進行覆蓋，也可以通過外接不復雜的天饋系統(tǒng)進行覆蓋的方式，其中不復雜的天饋系統(tǒng)僅限于距離不長的饋線和天線以及少量的功分器和耦合器。獨立放裝式的覆蓋方式，依據(jù)數(shù)字無線網(wǎng)絡的覆蓋和容量需求，在合適的位置布放熱點AP設備，五類線長度應在規(guī)定長度范圍內(nèi)，鏈路預算只需要計算AP之后的空間損耗。

獨立放裝式網(wǎng)絡結構，如圖1所示：

圖1 獨立放裝式網(wǎng)絡結構圖

獨立放裝式系統(tǒng)要求系統(tǒng)中所有熱點AP支持遠端管理和遠端供電功能，所有熱點AP的頻點規(guī)劃，需要避免系統(tǒng)內(nèi)的干擾。獨立放裝式系統(tǒng)中的熱點AP具有布放位置靈活、安裝簡單的優(yōu)點，能安裝在最佳規(guī)劃位置，也能滿足熱點區(qū)域的容量和覆蓋需求。

2.2 饋入分布式

對于已有室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋目標，根據(jù)擬覆蓋目標區(qū)域的覆蓋需求和現(xiàn)有室內(nèi)分布系統(tǒng)資源的現(xiàn)狀，優(yōu)先考慮采用饋入分布系統(tǒng)的方式對目標區(qū)域進行覆蓋。根據(jù)擬覆蓋點當前的網(wǎng)絡現(xiàn)狀，可以分為饋入新建分布系統(tǒng)方式和饋入已有分布系統(tǒng)方式[3]。饋入分布式網(wǎng)絡結構，如圖2所示：

圖2 饋入分布式網(wǎng)絡結構圖

對于新建樓宇，尚無運營商分布系統(tǒng)的建筑物，需要新建分布系統(tǒng)，并要充分考慮發(fā)展的需求。對于存在需求的分站點，需對WiFi系統(tǒng)組網(wǎng)、系統(tǒng)容量及天線出口功率進行設計，建議采用二級合路方式進行設計。建網(wǎng)初期可根據(jù)樓宇的性質(zhì)及重要性進行組網(wǎng)。WiFi全覆蓋預計投資將增加30%，但避免了二次進場施工。而對于已有分布系統(tǒng)的覆蓋點，將WiFi合路進現(xiàn)有室分系統(tǒng)不僅可以節(jié)約投資，而且利用現(xiàn)有傳輸?shù)荣Y源大大縮短了建網(wǎng)周期，是一種比較理想的建設思路。

2.3 混合覆蓋方式

混合覆蓋方式的使用場景，是在傳統(tǒng)饋入式分布系統(tǒng)僅能滿足覆蓋目標常規(guī)區(qū)域覆蓋需求，對于室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋區(qū)域之外的局部盲區(qū)，或者是需求容量不能滿足需求的區(qū)域，采用獨立放裝式AP補充覆蓋的建設方式。

混合覆蓋方式網(wǎng)絡結構，如圖3所示：

圖3 混合覆蓋式網(wǎng)絡結構圖

混合覆蓋方式對熱點容量不足的區(qū)域，采取適度空間交疊的覆蓋方式，滿足覆蓋目標的覆蓋需求。通常饋入式分布系統(tǒng)受限于分布系統(tǒng)器件帶寬限制，系統(tǒng)只能提供2.4GHz頻段的接入服務，對于干擾大或者容量需求不滿足的區(qū)域，可以采用局部獨立放裝式5.8GHz頻段分布系統(tǒng)補充覆蓋的方式。

2.4 Mesh網(wǎng)絡覆蓋

Mesh型網(wǎng)絡也叫無線網(wǎng)狀網(wǎng)或者無線網(wǎng)格網(wǎng)，是一種多跳網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，系統(tǒng)中無線AP呈網(wǎng)狀分布，各AP之間通過無線中繼鏈路進行點對點互聯(lián)。Mesh型網(wǎng)絡由若干無線接入點相互協(xié)作、相互協(xié)同的組網(wǎng)方式，具有自動動態(tài)組織、自動配置、自動維護的特點，相比傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)，該網(wǎng)絡具有寬帶高速、高頻效率的優(yōu)勢，結構靈活，可快速部署。Mesh型網(wǎng)絡中各熱點AP網(wǎng)狀互聯(lián)，能滿足較大面積、線纜布放不便的大中型熱點區(qū)域，可用于校園或者大型場館、廣場等場景的熱點覆蓋。

但是，當前的Mesh網(wǎng)絡也有一些不完善的問題，如產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的技術標準，用戶選擇產(chǎn)品時必須考慮兼容性問題。由于Mesh網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸時，中間節(jié)點較多，將會存在一定的時延，如果跳數(shù)很多，時延就會比較大。同時在多個節(jié)點之間傳輸過程中，也使數(shù)據(jù)的傳輸裸露于公共自由空間，數(shù)據(jù)被竊取的幾率將進一步增大。

3 熱點覆蓋方案

數(shù)字無線校園室外熱點覆蓋方案包含室外定向天線覆蓋方案和室外全向天線覆蓋方案，以下是對這兩種建設方案進行論述。

3.1 定向天線覆蓋方案

采用定向天線的室外AP設備的布放可以采用如圖4所示的方案。AP沿道路兩邊交錯布放，每個站點采用兩副定向天線分別朝向道路對面的覆蓋區(qū)。

在這種布點方案中，假設道路寬度H1，覆蓋區(qū)深度H2，天線偏轉角度α，天線水平半功率角β，AP最大需覆蓋距離R，站間距D之間的關系如圖4所示。

圖4 采用定向天線的室外型AP布放方案站間距的取定

從圖4中可得到以下關系[4]如式(1)、(2)。

D=H1×tan(2α)

(1)

(2)

可以看到，站間距D值的取定主要取決于AP的覆蓋最遠距離R。按道路寬度H1為30米，室內(nèi)覆蓋深度H2為10米，取不同的R值，可得到表2所示結果：

表2 室外AP天線偏轉角度與站間距

需要注意的是，此時的最遠覆蓋距離R并不是在天線的主瓣方向上，而是偏移了α度，相對天線主瓣方向上的增益會有所衰減。因此，在街道覆蓋中，需要注意：AP定向天線的天線增益并不是越大越好。

隨著天線增益的增加，天線的水平半功率角越來越小，雖然主瓣方向上的覆蓋深度增加，但在偏離主瓣方向的區(qū)域，信號質(zhì)量就會迅速下降，為了達到良好的覆蓋，需要減小站間距，增加AP的布放數(shù)量。因此，如果采用天線增益14 dB，水平半功率角為30°的定向天線，考慮10 dB穿透損耗和6 dB主瓣偏移衰減，經(jīng)鏈路預算可得：R=191.8 m，此時站間距取為140.7 m，天線偏轉39°[5]。

在道路覆蓋中，同樣要考慮垂直波瓣角寬度γ與街面寬度H1、天線掛高h的關系。不考慮天線下傾的因素，垂直面的覆蓋距離Rv為式(3)。

(3)

當Rv等于h時，剛能覆蓋到街沿；當Rv大于h時，能覆蓋到街面，“塔下黑”的范圍越小，因此Rv越大越好。當街面寬度一定時，選擇垂直波瓣寬度大的較好。

在實際環(huán)境中，店鋪的外墻的反射信號和街道的波導效應等會增強AP的覆蓋效果，因此，采用定向天線的AP站間距建議不超過200 m，且當街道寬度一定時，站間距越大定向天線的水平波瓣寬度也越大。在大面積覆蓋中(除特殊的定向應用外)定向天線的水平波瓣寬度以大于40°為好。

3.2 全向天線覆蓋方案

在容量需求較小的地區(qū)，也可以采用全向天線進行覆蓋。如圖4.7所示。在這種布點方案中，假設街道寬度H1，覆蓋區(qū)深度H2，AP覆蓋半徑R，站間距D之間的關系如圖5所示[6]。

圖5 采用全向天線的室外型AP布放方案站間距的取定

由圖5可得式(4)。

(4)

與定向天線方案不同的是，這里的R就是AP的覆蓋半徑，按照全向天線增益8 dB，預留10 dB的穿透損耗，根據(jù)鏈路預算可得：R=191.8 m。在道路寬度30 m，室內(nèi)覆蓋深度10 m的情況下，站間距：D=379.1 m。在實際環(huán)境中，采用全向天線的AP布放方案，建議站間距不超過400 m。

4 總結

由于篇幅所限，本文只是從網(wǎng)絡覆蓋的角度分析了數(shù)字無線校園網(wǎng)建設中的技術問題，提出了具體的覆蓋方案和技術指標，在規(guī)劃和建成合理、高效、經(jīng)濟的數(shù)字無線校園網(wǎng)絡時，具有一定參考價值和指導意義。

[1] 李崇鞅.無線城市發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)分析[J].湖南郵電職業(yè)技術學院學報,2014,13(1):9-11.

[2] 王鋼飛.MIMO-OFDM信道估計算法研究[D].太原:太原科技大學,2011.

[3] 孫志浩.基于WIFI網(wǎng)絡通信遠程控制下位機控制電路設計[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學,2011.

[4] 李宗白.移動網(wǎng)絡規(guī)劃軟件中的地理信息系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].北京:北京郵電大學,2010.

[5] 文柳.WLAN無線接入網(wǎng)絡規(guī)劃[D].北京:北京郵電大學,2010.

[6] 張繼成.無線MESH網(wǎng)絡信道分配策略研究[D].南寧:廣西大學,2010.