（电磁场与微波技术专业论文）wlan无线接入网络规划.pdf

| 1 1 1 11 1 1t iii i ii rll lli il y 17 5 8 7 8 8 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 塞蕴受军 日期： | f ( 21 互! 哮 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 冽旦：；：! 生一 日期：边：兰：丝 ， 北京邮电大学硕士学位论文 w l a n 无线接入网络规划 摘要 w l a n 最初是作为有线局域网的补充手段引入的，然而，无线 局域网的在移动性、可扩展性、安全性以及传输速度方面的进展，已 使其可以满足大容量、多用户、广覆盖的可管理无线网络的要求。无 线局域网正从有线局域网的补充手段向可运营的公众无线局域网演 变，覆盖区域的扩大、用户数量的增加以及网络容量的增大，使得无 线网络规划成为公共无线局域网建设的突出问题。 w l a n 无线网络规划是根据覆盖需求、容量需求以及其他特殊 需求，结合覆盖区域的地形地貌特征，设计合理可行的无线网络布局， 以最小的投资满足当前需求，并保证网络易于未来扩展的过程。 本课题主要研究w l a n 无线接入网络规划方法，明晰网络规划 流程，针对初步调研及勘察、干扰探测、覆盖规划、容量规划、频率 规划、实地测试与调整优化等各步骤提出相应解决方案。其中，第四 章对室内、室外无线传播环境，w l a n 信道及其特性，w l a n 网络 覆盖方式，w l a n 网络链路预算方法进行深入研究，解决覆盖规划 中各关键问题( 例如：w l a n 通信距离与覆盖范围的关系) 。为了 准确评估其数据业务支持能力，在第五章中，利用已有的退避窗口机 制的二维马尔可夫模型，从成帧效率和d c f 协议效率两个方面对 i e e e8 0 2 1 1 a 无线局域网的性能进行了分析，得出饱和条件下系统归 一化吞吐率。然后根据计算出的最大理论吞吐量，综合考虑网络流量 特性，研究单a p 可接入的用户数，以指导实际吞吐量的估算和网络 容量规划。第六章对i e e e8 0 2 1 1 x 各标准可用频段和频点划分进行研 究，提出二维、三维频点分配以及混合式信道配置方案，以指导w l a n 频率规划。 关键词：w l a n ，无线网络规划，覆盖规划，容量规划，实际吞吐量， 频率规划 产 北京邮电大学硕士学位论文 w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gf o r 几a n a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) w a si n i t i a l l yi n t r o d u c e da sa c o m p l e m e n t a r ym e a no fw i r e dl a n ；h o w e v e r , i ti so p e r a t e db yt h e e v o l u t i o no fp u b l i cw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kw i t hi t sp r o g r e s si nt h e m o b i l i t y , s c a l a b i l i t y ，s e c u r i t y , a n ds p e e d w i t ht h ee x p a n s i o no fc o v e r a g e a r e a , t h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro f u s e r sa n dt h en e t w o r kc a p a c i t y ，t h e m ，a nw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gh a sb e e np l a y i n gak e yr o l ei nt h e p r o c e s so fm 。a n c o n s t r u c t i o n w l a nw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n gi sap r o c e s sw h i c hd e s i g n st h e l a y o u to ft h ew i r e l e s sn e t w o r kr e a s o n a b l ya n dp r a c t i c a b l y ，w i t hm i n i m u m i n v e s t m e n tt om e e tc u r r e n tn e e d sa n dt oe n s u r et h a tt h en e t w o r ki se a s y f o rf u t u r ee x p a n s i o n t h ep l a n n i n gi sb a s e do nc o v e r a g er e q u i r e m e n t s ， c a p a c i t yr e q u i r e m e n t sa n do t h e rs p e c i a ln e e d s ，c o m b i n e dw i t hc o v e r a g e a r e ao ft h el a n d s c a p ef e a t u r e s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ew i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n go fw l a n a t h o ts p o t s ，i n c l u d i n gi n t e r f e r e n c ea v o i d a n c e ，c o v e r a g ep l a n n i n g , c a p a c i t y p l a n n i n g ，f r e q u e n c yp l a n n i n ga n d c e l lm u l t i p l e x i n g t h ep a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s c h a p t e r4i n t r o d u c e si n d o o ra n d o u t d o o rp r o p a g a t i o nm o d e l ，w l a nc o v e r a g em o d e ，l i n kb u d g e t m e t h o d o l o g yt os o l v et h ek e yi s s u e si nc o v e r a g ep l a n n i n g ，s u c ha s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m m u n i c a t i o n d i s t a n c ea n dt h ec o v e r a g e i no r d e rt oa c c u r a t e l ya s s e s si t sa b i l i t yo fs u p p o r t i n gd a t as e r v i c e s ，i n c h a p t e r5 ，w ea p p l yt h ee x i s t i n gt w o d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i nm o d e l s o ft h eb a c k o f fw i n d o ws c h e m e ，a n da n a l y z et h es a t u r a t i o nn o r m a l i z e d s y s t e mt h r o u g h p u to fi e e e8 0 2 1lao nt w or e s p e c t so f t h ef r a m ef o r m i n g e f f i c i e n c ya n dt h em a cl a y e rc h a n n e lt r a n s p o r te f f i c i e n c y a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t e dt h e o r e t i c a lm a x i m u mt h r o u g h p u t ，w es t u d yt h en u m b e ro f u s e r st h a tas i n g l ea pc a na c c e s s ，c o n s i d e r i n gt h en e t w o r kt r a 伍c i l 北京邮电大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c s t h i sm e t h o dw i l lb eu s e f u lf o r t h ee s t i m a t i o no ft h ea c t u a l t h r o u g h p u ta n dn e t w o r kc a p a c i t yp l a n n i n g c h a p t e r6i n t r o d u c e s t h ea v a i l a b l ef r e q u e n c yb a n d sa n dt h e f r e q u e n c yd i v i s i o no f l e e e8 0 2 1lxs t a n d a r d s ，i nw h i c ht w o d i m e n s i o n a l ， t h r e e d i m e n s i o n a l f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o na n d h y b r i d c h a n n e l c o n f i g u r a t i o na r ep r o p o s e d i k e yw o r d s ：v v 3 _ , a n ，w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g ，c o v e r a g e p l a n n i n g ， c a p a c i t yp l a n n i n g ，t h e a c t u a l t h r o u g h p u t ，f r e q u e n c y p l a n n i n g i i i ， ， _ 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题研究的背景与意义l 1 2 主要的研究内容2 1 3 论文的组织3 第二章w l a n 无线网络规划概述。 4 2 1w l a n 的组成原理4 2 1 1w l a n 的组成结构4 2 2w l a n 技术的演进6 2 3w l a n 的信道特性7 2 3 1 无线信道特性8 2 3 2w l a n 室外信道及其特征1 1 2 3 3w l a n 室内信道及其特征1 3 2 4w l a n 网络建设原则1 5 2 5w l a n 无线网络规划总体流程15 第三章初步勘察及干扰分析1 8 3 1 初步勘察1 8 3 1 1 用户的需求1 8 3 1 2 环境因素的考虑1 9 3 1 3w l a n 无线接入勘察要求一1 9 3 2 干扰分析。2 0 3 2 1 无线通信中的干扰类型2 0 3 2 22 4 g h zi s m 频段干扰2 3 第四章覆盖规划2 5 4 1w l a n 网络覆盖方式。2 5 4 1 1 室内单独建设方式2 5 4 1 2w l a n 共用室内分布系统建设方式。2 6 4 1 3 室内混合覆盖方式3 2 4 1 4 不同室内覆盖方式对比3 2 4 1 5 室外型a p 覆盖方式3 2 4 1 6m e s h 型网络覆盖方式。3 3 4 2 通信距离与覆盖范围3 3 4 2 1 影响w l a n 通信距离的因素3 3 i v 北京邮电大学硕士学位论文 4 2 2 计算w l a n 通信距离的步骤3 4 4 2 3w l a n 通信距离3 5 4 3 覆盖区域内a p 数目确定3 6 第五章容量规划。 5 1 系统吞吐量分析。4 0 5 1 1 归一化系统吞吐率的定义4 0 5 1 2i e e e8 0 2 1ld c f 4 1 5 1 3i e e e8 0 2 1 la 吞吐量分析4 2 5 1 4i e e e8 0 2 1 la 饱和吞吐率4 9 5 2 单a p 可接入的用户数5 0 第六章频率规划。5 2 6 12 4 g h z 频段频率规划5 2 6 1 1 工作频率范围5 2 6 1 2 信道划分5 2 6 1 3 不交迭信道。5 3 6 1 4w l a n 频率干扰分析5 4 6 1 52 4 g h z 频段频率规划5 4 6 25 8 g i - i z 频段频率规划5 8 6 2 1 工作频率范围。5 8 6 2 2 信道划分。5 8 6 2 35 8 g h z 频段频率规划。5 9 6 3 混合式信道规划( 2 4 g h z 和5 8 g h z ) 6 0 第七章规划的修正与测试 第八章结束语 6 2 6 3 8 1 论文工作总结6 3 8 2 进一步的研究工作一6 3 攻读硕士学位期间发表论文“ 参考文献。6 5 致谢 v 6 7 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 无线局域网( w i a n ) 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络， 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介， 提供传统有线局域网( u ) 的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的 宽带网络接入。 w l a n 最初是作为有线局域网的补充手段引入的，在一个很小的区域内为 便携或固定终端提供无线接入网络服务，用户数量和接入点( a p ) 数量都很少， 网络结构也很简单，基本不需要额外的网络规划。然而，无线局域网的在移动性、 可扩展性、安全性以及传输速度方面的进展，已使其可以满足大容量、多用户、 广覆盖的可管理无线网络的要求。 随着w l a n 技术的日益普及和市场的不断发展，运营商的w l a n 网络将与 企业相结合，热点将不断扩展，用户将不断增多，且在局部地区将出现用户大量 集中的现象，如大型写字楼、会议室等；另外，多个运营商可能在同一地区共同 部署网络。若w l a n 网络规划不合理，则容易造成网络之间的相互干扰，进而 降低用户体验。其热点地区覆盖的扩大、网络结构的日益复杂，加上目前w l a n 主设备所使用的2 4 g h zi s m 频段的开放性，要求可运营无线局域网的应用中必 须进行科学的无线网络规划。 w l a n 无线网络规划是根据覆盖需求、容量需求以及其他特殊需求，结合 覆盖区域的地形地貌特征，设计合理可行的无线网络布局，以最小的投资满足当 前需求，并保证网络易于未来扩展的过程。 完整的无线网络建设过程包括前期调研、网络规划、工程实施和网络优化等 阶段。网络规划是整个建设过程中的关键阶段，决定了系统的投资规模；规划结 果确立了网络的基本架构，基本决定了网络的覆盖效果。但目前由于缺少系统化 的无线网络规划方法，现有热点区域的网络建设方案覆盖与容量估算过程简单粗 糙，且缺乏理论依据。实际网络建设效果与期望值存在较大差距。 网络规划的目标就是在一定的成本下，在满足网络服务质量的前提下，建设 一个容量和覆盖范围都尽可能大的无线网络，并能适应未来网络的发展和扩容需 求。 对于运营商来说，w l a n 系统所能提供的服务质量是其最关心的问题，其 中，覆盖范围是服务质量的重要方面。同时，在无线频谱资源一定的情况下，如 何增加网络容量、如何满足网络未来发展的需求，也是规划时需要考虑的。这些 北京邮电大学硕士学位论文 问题都需要通过网络规划来解决，通过网络规划可以使无线通信网络在覆盖、容 量、质量和成本等方面达到良好的平衡。因而系统研究w l a n 无线网络规划技 术对运营商合理规划网络，节省投资成本以及降低网络建成后的运营维护费用， 提高网络的服务等级，提升用户满意度有重要意义。 1 2 主要的研究内容 本课题主要研究w l a n 无线接入网络规划方法，明晰网络规划流程，并对 w l a n 无线网络规划流程中各环节中的关键部分( 如：w l a n 网络中无线链路 预算、w l a n 网络无线覆盖方式选择、各i e e e8 0 2 1 1 x 标准最大理论吞吐量等 问题) 进行深入研究。研究的主要内容包括： 1 w l a n 无线网络规划总体流程 确定w l a n 无线网络规划流程，分为以下几个步骤：初步调研及勘察、干 扰探测、覆盖设计、容量规划、频率规划、实地测试与调整优化。 2 覆盖规划 针对室内和室外无线传播环境、w l a n 信道及其特性、w l a n 网络覆盖方 式以及w l a n 网络无线链路预算方法进行深入研究，解决覆盖规划中各关键问 题。主要包括以下内容： 将w l a n 网络划分为室内和室外两种覆盖场景，并对两种场景所对应的五 种覆盖方式进行研究。室内覆盖场景主要有单独建设、共用室内分布系统建设以 及混合建设三种不同的覆盖方式；室外覆盖场景主要有室外型a p 覆盖方式和 m e s h 型网络覆盖方式。 分析无线信道特性，并对w l a n 室外信道及其特征和w l a n 室内信道及其 特征进行研究。确定计算w l a n 通信距离的步骤，将其分为系统参数与变量定 义、信号路径损耗模型建立和w l a n 无线链路距离计算三个步骤。并对影响 w l a n 通信距离的因素进行分析，着重讨论w l a n 覆盖范围与传输速率的关系。 提出z 因子方法，综合考虑建筑物类型和用户特征，计算目标区域内满足信 号覆盖要求所需的a p 数量和部署位置。 3 容量规划 为了准确评估w l a n 网络的数据业务支持能力，本文利用已有的退避窗口 机制的二维马尔可夫模型，从成帧效率和d c f 协议效率两方面对i e e e8 0 2 1 l x 各协议系统吞吐量进行分析。然后根据计算出的最大理论吞吐量，综合考虑网络 流量特性，研究单a p 可接入的用户数。结合调研和勘察阶段收集和预测的用户 需求，初步确定目标区域内满足容量要求所需的a p 数量。 4 频率规划 2 北京邮电大学硕士学位论文 对i e e e8 0 2 1 l x 各标准可用频段和频点划分进行研究，提出二维、三维频 点分配以及混合式信道配置方案，以指导w l a n 频率规划。 1 3 论文的组织 论文结构如下： 第一章简要介绍了本课题的研究背景和选题意义，并简述作者在该课题中 的主要研究内容。 第二章从无线局域网组网的相关技术入手，对w l a n 的组成原理和信道特 性两方面进行介绍，并简要概述了w l a n 无线接入网络规划流程。 第三章至第七章分别对w l a n 无线网络规划流程中各环节进行深入研究。 针对初步调研及勘察、干扰探测、覆盖规划、容量规划、频率规划、实地测试与 调整优化等各步骤提出相应解决方案。 其中，第四章针对室内、室外无线传播环境，w l a n 信道及其特性，w l a n 网络覆盖方式，w l a n 网络链路预算方法进行深入研究，解决覆盖规划中各关 键问题。第五章从成帧效率和d c f 协议效率两方面对i e e e8 0 2 1 1 x 各协议系统 吞吐量进行分析。根据计算出的最大理论吞吐量，综合考虑网络流量特性，研究 单a p 可接入的用户数。第六章对i e e e8 0 2 1l x 各标准可用频段和频点划分进行 研究，提出二维、三维频点分配以及混合式信道配置方案，以指导w l a n 频率 规划。 3 北京邮电大学硕士学位论文 第二章w l a n 无线网络规划概述 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网) 技术于2 0 世纪9 0 年代 逐步成熟并投入商用，其最初定位为传统有线网络的延伸，在某些不易布线的环 境下也可以替代传统有线网络，使人们摆脱线缆的桎梏，使用户真正实现随时、 随地、随意的宽带网络接入。对比传统的有线传输解决方案，使用w l a n 网络 实现数据传输具有以下显著特点： 1 ) 简易性：w l a n 网络传输系统的安装快速简单，可极大地减少敷设管道 及布线等繁琐工作； 2 ) 灵活性：无线技术使得w l a n 设备可以灵活地进行安装并调整位置，使 无线网络容易部署在有线网络不易覆盖的区域； 3 ) 综合成本较低：一方面w l a n 网络减少了布线的费用，另一方面在需要 频繁移动和变化的动态环境中，w l a n 技术可以更好地保护已有投资。同时， 由于w l a n 技术本身就是面向数据通信领域的i p 传输技术，因此可直接通过百 兆自适应网口和企业内部网( i n t r a n e t ) 相连，从体系结构上节省了协议转换器等 相关设备； 4 ) 扩展能力强：w l a n 网络系统支持多种拓扑结构及平滑扩容，可以十分 容易地从小容量传输系统平滑扩展为中等容量传输系统。 2 1w l a n 的组成原理 2 1 1w l a n 的组成结构 i e e e8 0 2 1 1 标准w l a n 组成结构如图2 - 1 所示【1 1 ，包括：站点( s t a t i o n ， s t a ) 、无线介质( w i r e l e s sm e d i u m ，w m ) 、接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 和 分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 。 分 布 式 系 统 图2 - 1w l a n 的组成结构 4 站印 _ 北京邮电大学硕士学位论文 ( 1 ) 站点( s t a ) 和有线网络相对应，站点在w l a n 中通常用作客户端，它是具有无线网络 接口的计算设备( 接入点是一种特殊的站) ，通常被称为网络适配器或者网络接 口卡。s t a 可以是移动的，也可以是固定的。每个s t a 都支持鉴权、取消鉴权、 加密和数据传输等功能，是w l a n 的最基本组成单元。 一个s t a 是信息的一个目的接收站点( 即代表一个信息的目的接收地址) 。 由于s t a 通常是可以移动的，常常在改变自己的空间所处位置，所以一般情况 下，一个s t a 不代表某个固定的空间物理位置。因此，s t a 的目的地址和物理 位置是两个不同的概念。 还有一个基本概念，就是基本服务集( 或者叫基本业务组) ( b a s i cs e r v i c es e t ， b s s ) 。b s s 是i e e e8 0 2 1 1 b 局域网的基本构成单元，其中可以包含多个s t a 。 b s s 都有一个覆盖范围，在该覆盖范围内b s s 的成员s t a 可以保持相互通信， 每个b s s 有一个基本服务集识别码b s s i d 。 独立的基本服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) 是最基本的i e e e8 0 2 1 l b 局 域网类型，如图2 - 2 所示。一个最小的i e e e8 0 2 1 1 b 局域网可以仅仅包含两个 s t a 。在这种模式下，s t a 能够直接通信。因为这种类型的i e e e8 0 2 1 1 b 局域 网通常在需要的时候才安排，所以这种网络工作模式通常被称为a dh o e 模式。 图2 - 2 独立的基本服务集( i b s s ) ( 2 ) 无线介质( w m ) 无线介质是w l a n 中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。此处 指的是空气，它是无线电波和红外线传播的良好介质。w l a n 中的无线介质由 无线局域网物理层标准定义。 ( 3 ) 接入点( a p ) a p 类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。它是一种特殊 的站点。其基本功能有： 作为a p ，完成其他非a p 的站点对分布式系统的接入访问和同一b s s 中的不同站点问的通信连接； 北京邮电大学硕士学位论文 作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线网络与分布式系统间的桥 接功能； 作为b s s 的控制中心完成对其他非a p 的站点的控制和管理。 ( 4 ) 分布式系统( d s ) 物理层覆盖范围的限制决定了所能支持的s t a 与s t a 之间的直接通信距 离。对有些网络，该距离足够；而对另一些网络，则可能需要增加其物理层的覆 盖范围。为了解决覆盖范围的问题，b s s 可以不以单个的形式出现，而是由多个 b s s 构成一个扩展的网络。连接多个b s s 的这个网络构件被称为分布式系统 ( d s ) 。 分布式系统介质( d i s t r i b u t i o ns y s t e mm e d i u m ，d s m ) 可以是有线介质，也 可以是无线介质。这样，在组织w l a n 时就有了足够的灵活性。在多数情况下， 有线d s 系统与骨干网都采用有线局域网( 如i e e e8 0 2 3 ) 。而无线d s 可通过 a p 间的无线通信( 通常为无线网桥) 取代有线电缆来实现不同b s s 的连接。 分布式系统通过入口( p o r t a l ) 与骨干网相连。从w l a n 发往骨干网( 通常 是有线局域网) 的数据都必须经过入口；反之亦然。这样，通过p o r t a l 就把w l a n 和骨干网连接起来了。p o r t a l 是一个逻辑点，它既可以是一个单一的设备( 如网 桥、路由器或网关等) ，也可以和a p 共存于同一设备中。在目前的设计中，p o r t a l 和a p 大都集成在一起，而d s 与骨干网一般是同一个有线局域网。 有了d s ，就又引入了一个概念扩展服务集( 或扩展业务组) ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ，e s s ) ，如图2 3 所示。把多个b s s 通过d s 连接起来，构成一个 任意大小和复杂度的网络，这种网络称为扩展服务集网络。同样，e s s 也有一个 标识的名称，即e s s i d 。 图2 3 扩展服务集( e s s ) 2 2w l a n 技术的演进 6 北京邮电大学硕士学位论文 经过十几年的发展，w l a n 技术目前已经历了三代技术和产品的更迭。 第一代w l a n 主要是采用f a ta p ( 即“胖”a p ) ，每一台接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 都要单独进行配置，费时、费力且成本较高； 第二代w i 删融入了无线网关功能，但还是不能集中进行管理和配置。其 管理能力、安全性以及对有线网络的依赖成为了第一代和第二代w l a n 产品发 展的瓶颈，由于这一代技术的a p 储存了大量的网络和安全的配置，而a p 又是 分散在建筑物中的各个位置，一旦a p 的配置被盗取读出并修改，其无线网络系 统就失去了安全性。在这样的背景下，基于无线网络控制器技术的第三代w l a n 产品应运而生。 第三代w l a n 采用无线网络控制器和f i ta p ( 即“瘦 a p ) 的架构，对传 统w l a n 设备的功能做了重新划分，将密集型的无线网络的安全处理功能转移 到集中的w l a n 网络控制器中实现，同时加入了许多重要的新功能，诸如无线 网管、a p 问自适应、射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 监测、无缝漫游以及q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ，服务质量) 控制，使得w l a n 的网络性能、网络管理和安全管理能 力得以大幅提高。f a ta p 与f i ta p 两种组网方案性能对比如表2 1 所示。 j 表2 - 1f a t a p 与f r r a p 两种组网方案对比 f a t a l p 方案l ；i t a p 方案 技术模式传统主流新生方式，增强管理 安全性传统加密、认证方式，普通安全增加射频环境监控，基于用户位置安 性全策略，高安全性 网络管理无线控制器上配置好文件，a p 本身 对每a p 下发配置文件 零配置，自动下载配置文件 用户管理类似有线，根据a p 接入的有线端虚拟专用组方式，根据用户名区分权 口区分权限 限 w l a n 组网规模l 2 、”漫游，拓扑无关性，适合大 l 2 漫游，适合小规模组网 规模组网 增值业务能力实现简单数据接入可扩展语音等丰富业务 2 3w l a n 的信道特性 研究w l a n 信道特性和信道模型对其规划、设计与部署有着十分重要的意 义。根据信道特性和信道模型，可以确定a p 的覆盖范围，规划a p 的位置( 即 小区位置) ，尽量降低小区之间的干扰。 7 北京邮电大学硕士学位论文 2 3 1 无线信道特性 在无线信道中，发射机和接收机之间的传播路径可能是两点之间的直视射 线，也可能存在山脉、建筑物和各种植被等多种障碍物。在实际环境中，对电波 传播起主要作用的各种反射、衍射和散射体可能是不断运动的，因而这类无线信 道与固定信道有着非常显著的差别，它是随机而不可预测的。无线信道对于系统 性能有非常重要的影响，无线电在信道中的传播特性直接影响着物理层和协议层 的设计，以及对接收信号的处理方法。 2 3 1 1 无线电波传播方式 无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：自由空间波、地波、 对流层反射波和电离层反射波。 就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空 间指该区域是各向同性( 沿各个轴特性一样) 且同类( 均匀结构) 。 第二种方式是地波。陆地无线通信系统中，无线电波主要是以地波的形式传 播。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。从发射天 线发出的一些能量通过直射路径直接到达接收机，另外一些能量经从地球表面反 射后到达接收机，还有部分能量通过表面波方式到达接收机。表面波在地表面上 传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。由于表面波随着频率的升高 衰减增大，传播距离很有限，所以在分析无线通信信道时，在距离较远时主要考 虑直达波和反射波的影响。而在距离较近时，如室内场景，就要考虑表面波。 第三种方式是对流层反射波。对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介 质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。 第四种方式是电离层反射波。对于波长小于l m ( 频率大于3 0 0 m h z ) 的电 磁波，电离层可看作反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃。这种 传播用于长距离通信。 2 312 电波传播机制 电磁波的传输机制非常复杂，通常有直射传播、反射传播、绕射传播、散射 传播和透射传播等几种【2 1 。 ( 1 ) 直射传播 直射传播又称视线( l i n eo fs i g h t ，l o s ) 传播，是指在视距范围内无遮挡 的传播。它是超短波和微波的主要传播方式。由于直射波是无遮挡的传播，因此 该方式传播的信号强度最强。 ( 2 ) 反射传播 北京邮电大学硕士学位论文 电磁波在传播过程中如果遇到比波长大得多的障碍物时，就会发生反射。反 射通常发生在地球表面、墙面、天花板和地板以及其他物体的表面。 反射是产生多径效应的重要原因。在室外应用中，经过多次反射后，信号强 度已经减弱了很多，有时甚至可以忽略。而在室内，由于距离较短，反射物较多， 因此要特别重视。 ( 3 ) 绕射传播 移动信道中，电磁波在传播时，如果遇到的障碍物有比较尖锐的断面，那么 电磁波还会发生衍射。由于衍射，电磁波会越过障碍物到达接收天线，即便在收 发天线之间没有视线路径存在，接收天线仍然可以接收到电磁信号。这是因为， 电磁波在障碍物的表面产生了二次波，其效果仿佛电磁波绕过了障碍物；障碍物 前方的各点可以作为新的波源产生球面波次级波，次级波在障碍物的后方形成了 绕射场强，从而向后逐级传播。 在移动信道中( 频率较高) ，衍射的物理性质取决于障碍物的几何形状、衍 射点电磁波的振幅、相位以及极化状态。通常当障碍物大小与波长处于同一数量 级时发生衍射，在该种情况下所引起的损耗称为绕射损耗。 ( 4 ) 散射传播 在实际的移动通信中，传播介质中包含有大量几何尺寸远小于无线电波波长 或者表面粗糙的颗粒，这些颗粒将会反射能量而使其散布于各个方向，即发生散 射。散射的结果是造成接收信号的能量比上述反射模型和绕射模型预测的场强要 大。 在实际环境中，移动信道中不光滑的物体表面、树叶、街头的各种标志以及 电线杆等都可以发生散射。 ( 5 ) 透射传播 当电磁波射向障碍物时可能发生透射。透射产生的损耗与物体的厚薄和材质 有关。电磁波的频率也影响信号的穿透能力。 采用i e e e8 0 2 1l b g 标准对目标区域进行w l a n 网络覆盖时，工作频段为 2 4 g h z 。a p 发射的信号在遇到障碍物时，会产生穿透损耗。在w l a n 设计和 建设过程中尤其需要对r f 信号的穿透能力有充分的认识和估计。结合工程经验 和实际测试数据，总结了w l a n 建设过程中常见的障碍场景下的穿透衰减情况， 如表2 2 所示。 表2 - 2w l a n 的r f 信号穿透衰减一览表 序号 r f 障碍物 相对衰减度示例穿透损耗 l 木材低办公室分区约3 6 d b 2 塑料 低内墙约3 - 6 d b 9 北京邮电大学硕士学位论文 3 合成材料低办公室分区约3 - 6 r i b 4 石棉低天花板约3 - 6 d b 5 玻璃低窗户 约8 d b 左右 6 水中湿木、养鱼池约8 1 0 d b 7 砖中 内墙和外墙约8 1 2 d b p 8 大理石中内墙约1 0 1 2 d b 9 纸 高壁纸约1 2 1 5 d b 1 0 混凝土高 楼板和外墙约1 2 2 0 ( m 1 1 承重墙 高 浇筑水泥墙约2 0 d b 1 2 防弹玻璃高 安全隔间约2 0 d b 以上 1 3 混凝土楼板高楼层约3 0 d b 以上 根据上述各种障碍场景的不同情况，在网络设计过程中需要做出合理的穿透 损耗估计，以保证覆盖区域能有良好的覆盖。 在衡量墙壁等对于a p 信号的穿透损耗时，需考虑a p 信号入射角度。一面 0 5 m 厚的墙壁，当a p 信号和墙壁之间直线连接呈4 5 。角入射时，相当于l m 厚 的墙壁；在2 。时相当于超过1 4 m 厚的墙壁。所以要获取更好的接收效果应尽量 使a p 信号能够垂直地( 9 0 。) 穿过墙壁或天花板【6 】。 2 3 1 3 无线信道的传播损耗和效应 无线信道的随机性与不确定性及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将 会产生如下三类不同的损耗和两种效应： 路径传播损耗 指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了在宏观大范围空间内传播的接收 信号电平平均值的变化趋势。它是距离和障碍物的函数。自由空间的传播损耗为： l p = 3 2 4 + 2 0 1 0 9 f ( m h z ) + 2 0 1 0 9 d ( k m ) ( 2 - 1 ) 其中，厂为频率( m h z ) ，d 为距离( k m ) 。可以通过增大发射和接收天 线的增益来补偿这些损耗。与自由空间的路径损耗相比平坦地面传播的路径损耗 为： l p = l o y l o g d 一2 0 l o g h 。一2 0 l o g k ( 2 - 2 ) 式中y = 4 。 慢衰落损耗 典型的慢衰落即阴影衰落，是指由于电波传播路径上受到建筑物及山丘等的 阻挡而产生的阴影效应所造成的损耗。它反映了中等范围内( 数百波长量级) 的 接收电平的均值起伏变化的趋势，一般遵从对数正态分布。 l o 北京邮电大学硕士学位论文 快衰落损耗 大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移 动台的运动产生很大的起伏变化，从而造成快衰落损耗。它反映了微观小范围内 ( 数十波长以下量级) 接收电平的均值起伏变化的趋势，一般遵从瑞利分布或莱 斯分布。 慢衰落与快衰落的比较，如图2 4 所示。 之o - 4 0 图2 _ 4 快衰落和慢衰落 阴影效应 当用户在覆盖区内移动，可能会经过建筑物或其它阻挡物的后面，这就会导 致信号恶化后又变好的现象。 远近效应 即使各用户站发射功率相同，到达相同基站的信号强弱也可能不同，离基站 近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重它们的强弱关系， 出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象。 2 3 2w l a n 室外信道及其特征 室外部署w l a n 网络，服务于室内外用户，无线连接通过空气传输数据， 避免了道路使用权问题。而且，w l a n 网络的扩容性很好，不易受到地理位置 的限制。由于无线传输提供的仅仅是一个完全透明的链路( 符合i e e e8 0 2 1 1 ) ， 所以符合并支持所有的网络协议( 如t c p i p ) ，兼容各种网络接口标准，满足 了各种操作系统的需要。 设立室外w l a n 需要考虑很多因素：需要连接的建筑物必须要能保持明确 的视线，像高大的树木和建筑物等障碍物都会直接影响无线电波的传输。在降低 标称速率的情况下，可以增加建筑物之间的传输距离，进行远距离传输。由于 w l a n 连网设备大都要求“视距 传输，因此天线高度的设定很重要。如果天 北京邮电大学硕士学位论文 线的高度不够，靠增加功率放大或增大天线增益的方法得到的效果将非常有限。 在无线覆盖区域内，要规划并选择一个不会与其他无线通信干扰的信道。通过 w l a n 跨路连接建筑物时，天线可以安装在屋顶上，利用小型天线保持电波的 集中，并避免来自其他企业的干扰。尽管无线网络利用了跳频技术，使得频率载 波很难被检测到，但是，还可以在a p 设置网络i d 号，这样只有当双方设置了 同样的i d 号，用户才能和a p 同步并接到网络中。此外，将传输的数据进行加 密是进一步提高安全性的手段。 对于室外环境，因为一般w l a n 小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间 传播模型。 自由空间是指一种充满均匀且各向同性的理想介质的无限大的空间。自由空 间传播则是指电磁波在该种环境中的传播，这是一种理想的传播条件。当电磁波 在自由空间中进行传播时，其能量没有介质损耗，也不会发生反射、