數(shù)字無線校園網(wǎng)絡的規(guī)劃與設計

張建偉

(寶雞文理學院 物理與光電技術學院，陜西 寶雞 721016)

基金項目:寶雞市科技計劃項目資助項目(2013R1-5)；寶雞文理學院重點項目(ZK2017002)

0 引 言

數(shù)字無線校園網(wǎng)絡建設的全過程包括前期調(diào)研、網(wǎng)絡規(guī)劃與設計、工程實施和網(wǎng)絡優(yōu)化等階段，規(guī)劃是整個數(shù)字無線校園建設過程中非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡規(guī)劃基本決定了網(wǎng)絡基本架構的合理性以及網(wǎng)絡覆蓋的效果[1]。

1 總體目標

數(shù)字無線校園網(wǎng)的規(guī)劃與設計是為了解決目標區(qū)域的無線網(wǎng)絡覆蓋，需要在了解WiFi網(wǎng)絡優(yōu)缺點的基礎上，全面了解相關網(wǎng)絡設備的主要特性，在有限的資源條件下，最大限度地提高WiFi網(wǎng)絡的整體性能，給用戶(學校師生員工)提供最佳的使用體驗。

良好的用戶體驗，在數(shù)字無線校園網(wǎng)的規(guī)劃與設計時需要制訂如下目標[2]：

(1)能夠同時承載語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，并且語音業(yè)務用戶感知接近或者達到傳統(tǒng)移動通信的水平。

(2)具有管理方便，認證、計費系統(tǒng)和有線網(wǎng)絡統(tǒng)一，能夠無縫互聯(lián)。

(3)具有可擴展性，能夠根據(jù)業(yè)務需求隨時擴展，方便擴展。

(4)具有較高的安全性，能夠有效防護和對抗網(wǎng)絡的入侵。

(5)建設標準統(tǒng)一，沿用國際通用標準，設備的選型也要做到兼容、通用和性能指標一致。

2 指導原則

區(qū)域數(shù)字無線網(wǎng)絡規(guī)劃建設應該以需求為導向，分階段、有計劃、有步驟地進行。數(shù)字無線校園建設初期應該以覆蓋為主，兼顧容量。隨著市場業(yè)務的發(fā)展，對數(shù)據(jù)接入需求較為集中的區(qū)域，逐步提升覆蓋質(zhì)量和網(wǎng)絡容量，要做到網(wǎng)絡安全、可靠，能夠切實滿足用戶的使用需求。

作為數(shù)字無線校園，該數(shù)字無線網(wǎng)絡需要具備實用性、穩(wěn)定性、擴展性、移動性、安全性、可用性、易管性、標準化、先進性以及高性能這十大技術要素，各技術要素的要求如下：

實用性：實用優(yōu)先，面向應用、注重實效，時刻貼近需求，適度超前。

穩(wěn)定性：高可靠性，網(wǎng)絡架構必須合理，備份策略可靠，故障自愈能力[3]。

擴展性：系統(tǒng)結構、產(chǎn)品系統(tǒng)、系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)處理能力等方面必須具有升級換代的可能。

移動性：順利、持續(xù)地保持與高速運動用戶的連接，完成不同區(qū)域間的服務切換。

安全性：高度的保密機制，靈活的權限設定和控制機制，數(shù)據(jù)傳輸需要良好的保護機制及安全策略。

可用性：支持多種應用，提供強大的保障機制。

易管性：實施集中監(jiān)測，分權管理，統(tǒng)一分配資源，及時的故障報警和日志，設備都支持遠程管理。

標準化：支持國際通用標準，保證全網(wǎng)設備的互通性能，對網(wǎng)絡投資實現(xiàn)有效保護。

先進性：采用先進成熟的技術、方法和產(chǎn)品，能代表當前先進的技術水平，能支持未來技術升級。

高性能：企業(yè)級信息運營平臺，高性能產(chǎn)品，網(wǎng)絡帶寬足夠，結構合理，技術先進，滿足業(yè)務承載的要求。

3 網(wǎng)絡規(guī)劃

數(shù)字無線網(wǎng)絡指標是由網(wǎng)絡覆蓋、系統(tǒng)容量和信號質(zhì)量3個因素組成。對于運營商來說，網(wǎng)路覆蓋越廣，運營服務范圍也越大；系統(tǒng)容量越大，能夠承載的用戶越多，預期收益也會越大；信號質(zhì)量越好，用戶滿意度才會越高。數(shù)字無線網(wǎng)絡的規(guī)劃方案應該是從網(wǎng)絡覆蓋、系統(tǒng)容量和信號質(zhì)量這3個方面著手，在經(jīng)濟可行的基礎上做到這3個因素的平衡，才能使運營商的有限投入產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

校園數(shù)字無線校園網(wǎng)應該是在規(guī)劃方案指導下進行網(wǎng)絡建設，圍繞數(shù)字無線網(wǎng)絡的覆蓋、系統(tǒng)容量和信號質(zhì)量進行規(guī)劃。文獻[4]25-52中提到的開展數(shù)字無線網(wǎng)絡的方案規(guī)劃，其中包括覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、頻率規(guī)劃。

3.1 覆蓋規(guī)劃

無線電波在自由空間傳播時，有路徑損耗、快衰落損耗和慢衰落損耗，也有陰影效益和遠近效益。路徑損耗服從自由空間傳播模型，快衰落遵從瑞利分布，慢衰落服從正態(tài)分布。

室外場景，采用自由空間傳播模型[5]，計算點對點、點對多點、多點對點或者混合型結構網(wǎng)絡的鏈路損耗。自由空間的傳播損耗可定義為發(fā)射點的有效發(fā)射功率和接收點的接收功率比值，表達式如下：

(1)

式中：L為自由空間傳播損耗，dB；Pt為發(fā)射點的有效發(fā)射功率；Pr為接收點的接收功率。

根據(jù)電磁場理論計算得出自由空間傳播損耗只受傳播距離和工作頻率影響，具體公式如下：

L=32.45+20lgd+20lgf

(2)

式中：d為自傳播距離，m；f為工作頻率，Hz。

對于室內(nèi)場景，存在直射、反射、繞射和散射4種方式。室內(nèi)環(huán)境影響電磁波傳播的因素更多，如傳播空間的開闊程度、障礙物的結構尺寸和材料的不同，對電磁波的傳播損耗數(shù)值也有很大的差異。

對于室內(nèi)場景中電磁波的傳輸損耗，通常采用經(jīng)驗公式法。依據(jù)測試數(shù)據(jù)對傳播模型進行修正，得出最切合室內(nèi)實際使用環(huán)境的信道模型，修正后的室內(nèi)傳播模型如下：

(3)

式中：R為發(fā)射點和接收點之間的距離，m；nf為發(fā)射點和接收點之間電磁波所穿透的樓層數(shù)。

對比可知，室內(nèi)環(huán)境下，由于空間障礙物較多，導致室內(nèi)空間的鏈路損耗要大于室外自由空間的傳播損耗。

3.2 容量規(guī)劃

數(shù)字無線校園網(wǎng)的網(wǎng)絡容量測算需要依據(jù)熱點區(qū)域的人口總數(shù)、各運營商移動用戶滲透率、WiFi網(wǎng)絡的使用率、用戶數(shù)據(jù)需求的并發(fā)率以及單用戶數(shù)據(jù)需求帶寬加權得來，通常WiFi網(wǎng)絡容量按照以下算法[6]進行測算：

WiFi網(wǎng)絡容量=熱點區(qū)域人口總數(shù)×用戶滲透率×WiFi使用率×并發(fā)率×帶寬

得出WiFi網(wǎng)絡容量之后，可以測算出該場景所需的WiFi網(wǎng)絡設備數(shù)量。根據(jù)WiFi網(wǎng)絡中的覆蓋場景以及該場景中采用的AP型號、單個AP數(shù)據(jù)承載能力(吞吐量)，得出該區(qū)域所需的AP設備數(shù)。根據(jù)AP分布情況，可得出擬選用合適交換機的型號和數(shù)量以及對傳輸帶寬需求。

熱點區(qū)域AP設備的型號和需求數(shù)量需要綜合考慮網(wǎng)絡覆蓋和網(wǎng)絡容量需求，要在經(jīng)濟可行的前提下滿足這兩方面的需求。從覆蓋上考慮，該區(qū)域AP數(shù)量是該區(qū)域面積和單AP有效覆蓋面積的比值；從容量上考慮，熱點區(qū)域的AP數(shù)量是熱點網(wǎng)絡容量和單AP實際吞吐量的比值。

當前基于IEEE802.11b技術的單個AP吞吐量工程值為6 Mbps，IEEE802.11a/g標準下吞吐量為30 Mbps，IEEE802.11n標準下吞吐量為90 Mbps[7]。通常單用戶帶寬設定在512 kbps到1 Mbps之間,這樣即不會浪費資源也不影響用戶感知，據(jù)此可以推算單AP承載用戶數(shù)。

在實際工程中，對于單AP承載用戶數(shù)的估算，一般經(jīng)驗值為：基于IEEE802.11g標準AP設備，可按照單戶帶寬1 Mbps速率，每個AP設備能同時支持10～15個用戶同時接入。基于IEEE802.11n標準AP，每個AP設備能同時支持20～25個用戶同時接入。

3.3 頻率規(guī)劃

數(shù)字無線校園網(wǎng)和移動通信網(wǎng)一樣，在有限的頻譜資源下，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，也要采用蜂窩結構進行組網(wǎng)，采取有效的頻率復用方式提高無線網(wǎng)絡的容量。因此，合理的頻率規(guī)劃是降低頻率干擾，提升AP性能指標的重要措施。

1)2.4 G頻段頻率規(guī)劃

IEEE802.11g兼容了IEEE802.11b的標準，工作在2.4～2.483 GHz頻段，帶寬為83.5 MHz，按照各信道中心頻率以5 MHz的間隔分布，可劃分為13個信道[8]，每個信道帶寬為22 MHz，信道的標號及所用中心頻率情況如表1所示。

頻率規(guī)劃時需要注意，相鄰小區(qū)的AP使用的頻率設定在不重疊的信道上。實際工程中，為保證各AP使用的頻道互不干擾，要求頻道之間中心頻率間隔不能低于25 MHz，按照這一要求推算，在一個覆蓋區(qū)域內(nèi)，采用直序擴頻技術，2.4 GHz頻段中最多可容許3個不重疊的頻道同時工作。

無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段頻道劃分圖如圖1所示。

表1 無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段信道分配表

圖1 無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段信道劃分圖

在實際工程規(guī)劃建設中，各AP使用的頻點設定原則[9]如下。

優(yōu)先建議使用1、6、11頻點進行蜂窩組網(wǎng)，若AP設備雜散干擾指標較差，可采用頻點間隔相對較大的1、7、13頻點進行組網(wǎng)。如果目標區(qū)域容量需求很高，可采用1、5、9、13四個頻點進行復用。在容量極高區(qū)域，可采用1、3、6、8、11、13頻點的緊湊復用，提高區(qū)域內(nèi)的承載容量。

在一些有特殊要求的場合，也可以將所有AP配置為相同頻點，各AP既是熱點又是中繼路由器，也能簡單擴大覆蓋范圍。

由于2.4 GHz頻段屬于公共頻段，工作在該頻段的熱點AP首先需要面對的就是干擾問題，其中:來自于相鄰小區(qū)間的鄰道干擾和相隔小區(qū)間的干擾稱之為同頻干擾；來自于其他運營商的WiFi網(wǎng)絡間的干擾稱之為系統(tǒng)間干擾；來自藍牙技術、無線電話、無線USB等其他工作于2.4 GHz頻段設備的干擾稱之為其他系統(tǒng)間的干擾。

系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾都是WiFi技術體制內(nèi)的干擾，因此合并為同一類型干擾，也即WiFi系統(tǒng)內(nèi)干擾?；谔炀€的波束形成技術是一種新開發(fā)的技術，也稱之為自適應天線陣列技術，能根據(jù)無線終端的需求，改變由AP發(fā)出的射頻能量的形態(tài)和方向，干擾出現(xiàn)時，動態(tài)波束自動繞過周圍的干擾。

IEEE802.11n標準在物理層綜合采用了OFDM+MIMO技術和智能天線技術。在MAC層采用了優(yōu)化技術，較好地解決了多徑衰落問題，不僅提高了信道容量，減少了噪聲干擾，還增加了WiFi的覆蓋范圍。

目前多數(shù)廠家已經(jīng)能夠大批量的提供基于IEEE802.11n的無線產(chǎn)品，這也為我國數(shù)字無線校園的建設提供了有益的支撐。

IEEE802.11ac技術基于IEEE802.11n標準發(fā)展而來，使用2.4 GHz頻段。在該頻段工作時，由于采用了40 MHz的信道帶寬，數(shù)據(jù)速率可以提高兩倍以上，但是干擾也增加了，可規(guī)劃的信道也相對減少[10]。

2)5.8 G頻段頻率規(guī)劃

在我國IEEE802.11a技術標準使用5.8 GHz頻點，工作頻率范圍為5 725～5 850 MHz，總計帶寬為125 MHz，可以劃分為5個信道，每個信道帶寬為20 MHz。

5.8 GHz頻段的信道標號和所使用中心頻率如表2所示。

表2 無線校園網(wǎng)5.8 GHz頻段信道分配表

以上5個信道都是可用信道，但是當前大多數(shù)設備只支持在149、153、157、161這4個信道上工作。

5.8 GHz頻段信道劃分及配置如圖2所示。

圖2 無線校園網(wǎng)5.8GHz頻段信道劃分圖

IEEE802.11n以及基于該標準發(fā)展而來的IEEE802.11ac也可以使用5.8 GHz頻段。相比2.4 GHz頻段，該頻段相對純凈，干擾源少，但由于該頻段使用較高頻率，空間鏈路損耗也相對較大[11]。因此，該頻段的覆蓋范圍比使用2.4 GHz頻段要小。

3)2.4 G和5.8 G頻段混合式頻率規(guī)劃

當前很多設備能夠同時支持IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g標準(IEEE802.11n以及IEEE802.11ac標準同樣兼容IEEE802.11a/b/g)。因此，在容量需求較大、干擾也較多的熱點區(qū)域，在頻段規(guī)劃時，可同時使用2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段混合式覆蓋，以滿足用戶接入的質(zhì)量和網(wǎng)絡速率的需求。

在實際工程中，無線校園網(wǎng)在2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段混合組網(wǎng)時，蜂窩網(wǎng)的信道配置建議如圖3所示。

圖3 無線校園網(wǎng)2.4 GHz和5.8 GHz頻段混合組網(wǎng)頻點配置示意圖

由于2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段使用的頻點不同，實際組網(wǎng)中，根據(jù)兩個頻段的不同特性，可采用兩個頻段獨立分區(qū)域部署的方式。其方案是利用5.8 GHz頻段的熱點AP集中部署，以解決容量需求，利用2.4 GHz頻段的熱點AP分散部署的方式解決覆蓋需求[12]。

4 結束語

本文從覆蓋、容量、頻率3個角度對網(wǎng)絡規(guī)劃進行了分析，給出了具體的部署方案，對實際網(wǎng)絡搭建具有一定的指導意義。此外，由于WiFi特殊的網(wǎng)絡特性，在安全保護的內(nèi)容上也有其特殊性。在區(qū)域數(shù)字無線網(wǎng)絡的建設時，必須提前考慮到網(wǎng)絡安全問題，網(wǎng)絡安全是網(wǎng)絡所有應用開展的基礎，更是重要保障。主要包括4個核心方面內(nèi)容：機密性、完整性、認證性和可用性。WiFi網(wǎng)絡的機密性是要求網(wǎng)絡具有識別通信實體合法性的功能，只有合法的實體才能獲得有效的數(shù)據(jù)，才能確保敏感信息傳輸?shù)谋Ｃ?。WiFi網(wǎng)絡的完整性要求數(shù)據(jù)在傳輸過程中保持數(shù)據(jù)完整，且不被非法篡改。WiFi網(wǎng)絡的可認證性包括實體認證和數(shù)據(jù)源認證，實體認證確定通信實體的合法身份，數(shù)據(jù)源認證確保接收方能驗證數(shù)據(jù)來自合法的實體，接收消息的可信。WiFi網(wǎng)絡的可用性是系統(tǒng)應該能具備阻止攻擊的能力，能確保合法用戶正常使用整個系統(tǒng)。