第9章-构建桥接无线局域网

无线局域网项目教程胡云编著,第9章构建桥接无线局域网,第2页,教学目标理解射频、微波的概念。理解频段、载波、调制、信道的概念。理解微波的反射、折射、绕射和散射。理解菲涅耳区。掌握信号强度的单位：瓦、毫瓦、dBm（分贝毫瓦）和dB（分贝）。知道引起无线信号衰减的原因。知道天线的功能、类型、连接关系及主要电气参数。理解桥接WLAN的功能作用。掌握桥接WLAN的构成和相关设备。掌握桥接WLAN的安装技术。掌握桥接WLAN的主要配置技术。,第3页,教学重点微波的反射、折射、绕射和散射；信号强度的单位：瓦、毫瓦、dBm（分贝毫瓦）和dB（分贝）；天线的功能、类型、连接关系及主要电气参数；桥接WLAN的功能作用；桥接WLAN的构成和相关设备；桥接WLAN的安装和配置技术。教学难点频段、载波、调制、信道的概念；菲涅耳区桥接WLAN的安装和配置技术。,第4页,9.1项目导引某单位有两栋楼，A楼是办公楼，有网络机房，并接入互联网；B楼是新建的职工宿舍楼。A楼与B楼相距1km，中间建筑物较低，两楼中间还有公路隔开，不方便铺设或架设光缆等有线网络，现考虑用桥接WLAN来解决，将A楼的网络无线接入到B楼，实现A、B楼网络互通。,第5页,9.2项目分析点对点型桥接WLAN可用来连接两个分别位于不同地点的有线局域网，一般由一对无线网桥设备设备和一对天线组成。A楼与B楼相距1km，因不方便架设光缆等有线网络施工，中间建筑物较低，不形成对电磁波的阻挡影响，可以采用点对点型桥接WLAN来连接A楼与B楼的网络。在点对点型无线网桥（AP）设置时，必须将其中一个无线网桥设备设置为根（Root），另一个无线网桥设备设置为非根（Non-Root），一主一从才能实现彼此之间的通信。为了集中无线信号，实现有效传输距离，点对点型桥接WLAN应当采用室外定向天线。,第6页,9.3技术准备9.3.1微波传输基础电磁波频率低于100kHz时，它只能沿地表传播，但其在沿地表传播的过程中会被地表吸收，不能形成远距离传播。当电磁波频率高于100kHz时，电磁波可以在空气中形成远距离传播。1.射频人们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频（RadioFrequency，RF）电磁波，频率范围在300kHz30GHz之间。2.微波微波是一种频率极高、波长很短的电磁波。微波所对应的频率范围大约在300MHz(0.3GHz)300GHz之间，对应的波长范围大约在1m至1mm之间。,第7页,3.频段频段也称频带。电磁波的频段通常是指一个频率范围。相应地电磁波的波段通常是指一个波长范围。例如，无线局域网使用2.4GHz频段或5GHz频段的电磁波。2.4GHz频段包含的频率范围是2.4012.488GHz；5GHz频段包含的频率范围是5.1505.825GHz。4.载波信号载波是载运源信号的电磁波。载波频率远远高于源信号的频率，这样可以防止频率混叠造成的传输信号失真。对于WLAN而言，载波使用2.4GHz频段或5GHz频段的频率。在没有加载源信号时，载波的波幅是固定的，加载之后波幅就随着信号的变化而变化。,第8页,5.调制与解调要发送信息，发射器必须调制载波信号，以独特的方式插入信息（对其进行编码），接收站必须进行相反的处理，对信号进行解调以恢复原始信息。将源信号调制为载波信号后再传输，其作用是：（1）减小传输中的噪声。（2）频分复用，即同一频率之间同一信道传输多路信号而不混叠。（3）可传播更远的距离。6.信道在WLAN中，信道（Channel）是指发送和接收载波信号的频率范围，是无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道。信道通常用数字表示和区分。WLAN信道是由当前使用的IEEE802.11标准决定的。,第9页,9.3.2微波传播路径微波传输特性近似于几何光学，通常只能直线传播。在传播中遇到障碍物、不均匀介质时，可能发生反射、散射、折射、衍射。微波在空中的传播路径，可以粗略地划分为不受阻挡的直视路径（LOS）和存在阻挡物的非直视路径（NLOS）。1反射当信号微波遇到比其波长大得多的物体时发生反射，如图9-2所示。在室内环境中的许多物体的尺度都超过波长，都能形成对微波的反射。在室外环境中，如地表面、建筑物、山丘等，也能形成对微波的反射。,第10页,2.折射信号微波在两种密度不同的介质之间的边界上，可能发生折射。反射是信号微波遇到物体表面后返回入射介质的现象，而折射是信号微波由一种介质进入另一种介质，并在穿过界面时发生的方向改变的现象，如图9-3所示。,第11页,图9-2信号微波的反射图9-3信号微波的折射,3.散射信号微波遇到粗糙、不均匀的材质或由非常小的颗粒组成的材质时，可能向很多不同的方向散射，这是因为材质中不规则的细微表面将反射信号，如图9-4所示。例如，信号微波穿过充满灰尘或砂粒的环境时将发生散射。4.衍射衍射（Diffraction）又称为绕射。衍射是指波遇到障碍物后绕过障碍物继续传播的现象。信号微波通常会绕过障碍物继续前行，但在障碍物的背后将出现一个阴影（没有信号）区域，如图9-5所示。衍射导致信号微波能够绕过物体，并完成自我修复，继续传播。,第12页,第13页,图9-4信号微波的散射图9-5信号微波的衍射,5.菲涅耳区1）直视路径在狭窄的视线（Line-of-sight）无线传输中，信号微波是聚焦成束定向传输。要形成如图9-7所示的不受阻挡的直视路径，在发送方与接收方的天线之间，信号不能受任何障碍物的影响。在城市大楼之间的路径中，通常存在其他大楼、树木或其他可能阻断信号的物体。在这种情况下，必须升高天线，使其高于障碍物，以获得没有障碍的直视路径。2）菲涅耳区信号微波的直视路径实际并非为直线束，而是一个称为菲涅耳区的椭球体，如图9-8所示。如果菲涅耳区内有障碍物，部分信号微波被阻挡，可能发生衍射，导致延迟或改变，从而影响接收到的信号。,第14页,第15页,图9-6障碍物导致的信号衍射图9-7沿直视路径的信号微波,图9-8菲涅耳区,3）菲涅耳区半径对于信号微波的直视路径，在发射点和接收点两点连线的任何位置，都可以计算出对应的菲涅耳区半径。在实践中，要求物体必须离菲涅耳区的下边缘有一定的距离，一般建议为半径的60%。,第16页,图9-9菲涅耳区的障碍物导致信号减弱,菲涅耳区的半径可以使用一个复杂的公式来计算。表9-1列出了无线传输使用2.4GHz频段时，一些不同距离直视路径中点处的菲涅耳区半径值。,第17页,表9-1菲涅耳区半径值,3）网站提供了一个计算菲涅耳区半径的计算器可以登录,第18页,图9-10菲涅耳区半径计算器,计算的菲涅耳半径为13.9621049630777英尺，如图9-11所示。注意，传输路径非常长时，弯曲的地球表面也将进入菲涅耳区影响信号的传播。,第19页,图9-11菲涅耳区半径计算,9.3.3RF信号强度与衰减1无线通信中信号强度的单位1）瓦（W）和毫瓦（mW）无线通信中通常使用功率的单位瓦（W）和毫瓦（mW）表示信号强度。1W=1000mW。美国联邦通信委员会（FCC）允许在未管制的2.4GHz频段的点对多点WLAN中最大发射功率为4W。单个WLAN设备的功率很少高于100mW，因为这个功率已经足够以最优性能在0.75km范围内进行通信。根据厂商而定，室内接入点（AP）的发射功率通常在30100mW之间。只有室外建筑物之间的传输应用才需要使用功率大于100mW的设备。,第20页,2）dBm（分贝毫瓦）和dB（分贝）dBm是一个表征功率绝对值的单位，计算公式为10lgP（功率值/1mW）。【例1】如果发射功率P为1mw，换算为dBm后为0dBm。【例2】对于40W的功率，按dBm单位进行换算后为：10lg（40W/1mw）=10lg（40000）=46dBm。dB（分贝）是功率增益的单位，是一个功率的相对值。当计算A的功率（如输出功率）相比于B（如输入功率）大或小N（N=1，2，3，）个dB时，可按公式10lgA/B计算。,第21页,【例3】如果A功率是B功率的2倍，那么10lgA/B=10lg2=3dB。也就是说，A的功率比B的功率大3dB。【例4】如果A的功率为46dBm，B的功率为40dBm，则可以说，A比B大6dB。以下是dB和功率之间的一些近似关系：（1）增加3dB，相当于功率增加2倍。（2）减少3dB，相当于减少一半功率。（3）增加10dB，相当于功率增加10倍。（4）减少10dB，相当于功率减少为原先的1/10。,第22页,2信号衰减1）信号衰减的因素信号从发射器传送到接收器的过程中遇到各种各样的衰减，导致信号强度逐渐减弱。导致信号衰减的主要因素如下：（1）发射器和发射天线之间的电缆产生衰减。（2）信号在空气中传输时，空间距离产生衰减。（3）外界的障碍物产生衰减。（4）外部的噪音或干扰产生衰减。（5）接收器和接收天线之间的电缆产生衰减。,第23页,2）路径衰减端到端的总衰减称为路径衰减。RF信号的功率与传输距离的平方呈反比，这意味着随着接收器越远离发射器，接收的信号强度将急剧降低。如果接收器离发射器太远，就不能接收到能够识别的信号。3）吸收衰减信号微波通过能够吸收其能量的物质时，信号将衰减。最常见的吸收情形是信号微波穿过水面或含水物体（如树叶、人体等）。即使是普通的建筑材料，如砖墙或水泥墙等都会导致信号衰减。因此，必须对实际环境中使用WLAN信号传输路径进行现场勘察，估算衰减情况。,第24页,9.3.4WLAN设备的天线WLAN设备的天线，有的是内置的，外观上不可见；有的是外置的，直观可见。外置天线通过连接电缆与无线设备相连接。1无线天线的功能电磁波在空间传播时，如果遇到导体，会使导体产生感应电流，感应电流的频率与跟激起它的电磁波的频率相同。因此利用放在电磁波传播空间的导体（天线），就可以接收到电磁波了。无线电发射机输出的射频信号，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来（仅仅接收很小部分功率的信号），并通过馈线送到无线电接收机。,第25页,2无线天线类型天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求的使用。图9-12所示是一些WLAN常用的天线。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的。（1）按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等。（2）按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等。（3）按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等。（4）按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。,第26页,第27页,3.天线的参数1）天线的工作频带无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，如24002483MHz。天线的频带宽度有两种不同的定义：一是指在驻波比SWR1.5条件下，天线的工作频带宽度；一是指天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的。,第28页,2）天线的增益天线本身不能提高发射信号的功率。为有效提高通信效果，减少天线输入功率，天线会做成各种辐射方向性的结构以集中辐射功率，由此引申出“天线增益”的概念。增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与各向同性天线在空间同一点处所产生信号的功率密度之比。天线的功率增益用dBi做单位。dBi的计算方法与dBm相似（dBm计算方法：10lgP（功率值/1mW），唯一的差别是参考功率为各向同性天线发射的信号功率。,第29页,天线的增益值越大，辐射的RF能量越集中，如图9-13所示。简单地说，天线的增益定量地描述一个天线将输入的射频功率集中辐射的程度。,第30页,图9-13天线的增益值越大，辐射的RF能量越集中,3）天线的方向图天线方向性是指天线发射的电磁波向周围空间辐射的取向。天线的方向图可以反映天线的辐射方向特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布状况。天线方向图常用极坐标绘制，如图9-14所示。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。天线方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，主瓣越窄、副瓣越小的天线其增益就越高，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力也越强。对于不同结构的天线，其方向图的差别是很大的。,第31页,第32页,图9-14天线的方向图,天线束宽是方向图中辐射功率比波瓣中心降低3dB（半功率）处的主辐射波瓣的宽度（用度数表示），有时也称为半功率束宽，如图9-15所示。,第33页,图9-15半功率束宽,4）天线的极化方式电磁波的极化是指电磁波的电场强度矢量尖端随着时间变化在空间的运动轨迹。电磁波有线极化波（常用垂直极化波、水平极化波）、圆极化波和椭圆极化波之分。不同极化方式天线发射的电磁波具有相应的极化方式。当电磁波的电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电磁波的电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波；另外还有+45极化波与-45极化波，如图9-16所示。,第34页,把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者把+45极化和负45极化的天线组合，就构成双极化天线。不同极化的电磁波有区别。接收天线必须和发射天线有同样的极化方式，否则将导致信号不能正常接收。通常在安装天线期间或过后，可以调整极化方向。,第35页,图9-16单极化电磁波,5）天线的输入阻抗天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关。半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Zin=73.1j42.5。当把其长度缩短35时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Zin=73.1，标称75。半波折合振子天线的输入阻抗为半波对称振子天线输入阻抗的4倍，即Zin=280，标称300。,第36页,4.传输线连接天线和发射机输出端或接收机输入端的电缆称为传输线或馈线。它能将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号，这样，就要求传输线必须屏蔽。微波波段的传输线有同轴电缆传输线、波导和微带。图9-17所示是天线连接电缆和连接器。同轴电缆工作频率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用，但对磁场的干扰却无能为力。使用时切忌与有强电流的线路并行走向，也不能靠近低频信号线路。,第37页,第38页,5.反射损耗当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，天线负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波，从而产生反射损耗。例如，当天线输入阻抗为50时，与特性阻抗50的电缆是匹配的；而当天线阻抗为75时，与特性阻抗50的电缆是不匹配的。由于天线与馈线的阻抗不匹配，存在反射损耗，如图9-18所示。,第39页,在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。为了使馈线与天线良好匹配，在架设天线时还需要通过测量，适当地调整天线的局部结构，或加装匹配装置。,第40页,图9-18天线与馈线不匹配存在反射损耗,6.放大器AP系列放大器是专为扩展工作在2.4GHzISM频段WLAN设备的工作范围而设计的双向功率放大器，包括一个低噪声接收放大器和一个发射功率放大器，合理使用可以在原有的收发基础上增加数千米的收发距离。如图9-19所示的功率放大器是大功率、高增益、噪声指数极低、性能很高的无线局域网放大器；防水设计，供电由直流馈电盒输入，适合室外使用，安装方便。在室内安装无线设备时，通常安装一个额外的AP比安装一个功率放大器的覆盖效果会更好。在使用放大器时，还应该避免干扰附近的无线频谱用户。,第41页,第42页,图9-19功率放大器,7.避雷器避雷器用于防止WLAN设备遭致静电电击和天线电缆传输线路上的雷涌。图9-20所示是一种避雷器。避雷器主要有两个用途：（1）释放天线上聚集的静电电荷，有助于防止天线和连接的WLAN设备遭受电击。（2）消除和散去天线或遭受雷击区域附近的同轴电缆上聚集的能量。安装避雷器时，最重要的是要安装适当的接地线，通过它可以散去过多的能量。,第43页,第44页,图9-20避雷器,第45页,表9-2HRDIR-2400/2483-60/9-17X扇面天线参数,8.天线参数举例,9.3.5无线网桥无线网桥用无线连接的方式在两个或多个有线网络之间搭起通信的桥梁，起到光缆连接传输的作用。无线网桥连接的网络通常位于不同的建筑内，它们之间有障碍物（如高速公路、铁路、河流、水面、山坡）阻隔，相距几百米到几十千米不等，通过铺设或架设光缆连接这些网络存在有一定的难度。无线网桥配合高增益定向天线可以提供长达30km的传输距离。使用支持IEEE802.11g的无线网桥设备可以提供54Mb/s的数据传输速率。无线网桥之间的高速链接使得用户能够以较小成本获得比E1/TI专线线路更快的传输速度。,第46页,1.无线网桥设备无线网桥所用的设备是无线AP的一种分支。安装于室外的无线AP通常也称为无线网桥。无线网桥设备是为使用无线（微波）进行远距离点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现有线局域网络无线互联的存储转发设备，可用于固定数字设备之间的远距离、高速无线组网。表9-3所示是无线网桥设备。,第47页,第48页,表9-3室外加固接入点/无线网桥,2.无线网桥的连接模式无线网桥的连接主要有点对点、点对多点及中继三种模式。1）点对点连接模式点对点型（PTP），即“直接传输”，如图9-21所示。利用点对点型无线网桥设备可用来连接分别位于不同建筑物的两个有线局域网，通常使用定向天线技术和放大器，这样传输距离可以达到几千米至几十千米。点对点型无线网桥它们一般由一对桥接器和一对定向天线组成。两个天线必须相对定向放置，如图9-22所示。室外的天线与室内的桥接器之间用电缆相连，而桥接器与有线网络之间则用对绞电缆连接。,第49页,第50页,图9-21点对点型桥接,图9-22点对点连接的定向天线,2）点对多点连接模式点对多点无线桥接模式，一般用于建筑群之间的各个局域网之间的连接。在建筑群的中心建筑物顶上安装一个全向天线，连接网桥设备；在其他建筑物顶安装定向天线，连接各自的网桥设备，这样就可以使在中心建筑物的全向天线与其他建筑的天线形成无线传输，从而建立起中心建筑物与各建筑物的局域网互联。图9-23所示是点对多点无线网桥的连接关系。3）中继模式中继模式即“间接传输”。B、C两点之间不可视，但两者均与A点可视。并且A、C两点，B、A两点之间满足网桥设备通信的要求。可采用中继模式，A点作为中继点，B、C点各放置网桥设备和安装定向天线。,第51页,第52页,图9-23点对多点连接,3无线网桥的应用环境（1）如果建筑物和建筑物之间的距离比较远，当超过100m时，一般都需要铺设光缆来进行连接，对于一些已经建成的网络环境来说，开挖道路或铺设线路都是费钱费力的事情，采用无线网桥来实现网络互联，实施起来既简单、方便，又经济。（2）在一些临时场所进行的临时网络传输中也会用到无线网桥。例如，常见的新闻网络直播，由于场所的临时性和不固定性，若采用传统有线的方式在直播现场布置网线，不仅布线、维护很困难，而且会给现场网络管理带来很多的麻烦，这时无线网桥就派上了用场。,第53页,4AP的连接模式WLAN可以根据用户的不同网络环境的需求，实现不同的组网方式。AP可支持以下6种组网连接模式：（1）AP模式。（2）点对点桥接模式。（3）点对多点桥接模式。（4）AP客户端模式。（5）无线中继模式。（6）无线混合模式。,第54页,9.4项目实施9.4.1项目设备无线网桥、PoE供电器、高增益室外定向或者全向天线、避雷器、功率放大器、室外机箱。安装有WindowsXP系统的计算机、足量的天线馈线和网线等。9.4.2项目拓扑项目拓扑如图9-24所示。,第55页,第56页,图9-24项目实施拓扑图,9.4.3项目任务1安装无线网桥为减少系统的增益损耗和降低用户的前期投资，无线网桥设备采用室外安装型，可完全免除馈线的使用。为了减少无线信号的衰减，延长有效传输距离，点对点无线网桥应当采用室外定向天线。1）天线安装（1）使用固定支架用以固定安装室外定向天线或室外全向天线及室外机箱。天线安装须离开支架1.5m左右，并保证在其通信方向上不会受到支架的遮挡。天线的高度要保证能和对方天线在通信方向上直视，避开障碍物对传输信号的阻挡。,第57页,（2）有些情况下需安装更大直径的栅格抛物面天线，根据现场情况确定安装支架的具体要求。（3）有些情况下需在支架顶端焊接一根避雷针，其高度高于全向天线顶部0.5m左右。2.）设备安装（1）室内部分。室内部分的计算机、PoE供电器、路由器或交换机连接并接通交流稳压电源或不间断电源（UPS）。（2）室外部分。室外部分都安装在室外的固定支架上，天线安装在上部，无线网桥设备安装在室外防水机箱里。,第58页,（3）连接室外部分和室内部分的RJ-45线。这根RJ-45线为标准8芯直通线，在安装时应该用PVC管或其他符合室外安装标准的材料加以保护。该RJ-45线的1、2、3、6芯用来传送数据，7、8芯用来给设备供电。PoE供电器的in接口通过直通RJ-45网线接入路由器或交换机，PoE供电器的out接口通过直通RJ-45网线接到室外的无线网桥上。（4）防雷系统的要求。安装扩频通信设备的站点，应有完善的防雷接地系统。防雷接地标准应符合YD5004-94数字微波接力通信工程设计规范、YD2011微波站防雷与接地设计规范和YD26通信局（站）接地设计暂行技术规定，接地电阻应小于5。所有天线位置应在避雷针的保护角以内。架装天线的支架或铁塔应与楼顶接地系统良好连接。,第59页,2配置无线网桥配置和管理无线网桥通常会使用控制台（Console）、远程终端（Telnet）、文件传输协议（FTP）、简单网络管理协议（SNMP）和浏览器图形用户界面（GUI）。在对设备设置时，必须将其中一个无线网桥设置为根（Root），另一个无线网桥设置为非根（Non-Root），一主一从才能实现彼此之间的通信，如图9-25所示。1）配置根网桥（1）使用Web浏览器访问无线AP的管理IP地址，显示如图9-26所示的Web配置主页面。,第60页,第61页,图9-25无线网桥的Root与Non-Root,第62页,（2）在左侧栏中选择EXPRESSSET-UP选项，显示如图9-27所示EXPRESSSET-UP页面，配置无线AP的一些基本参数，如主机名称、IP地址信息、SNMP字符串、无线AP接入模式等。（3）在HostName文本框中输入该无线网桥的名称，用于与其他无线AP相区别，便于日后的维护和管理。（4）选中StaticIP单选按钮，为该无线网桥指定静态指定方式。并在IPAddress、IPSubnetMask和DefaultGateway文本框分别设置无线网桥的IP地址、子网掩码和默认网关。,第63页,图9-27EXPRESSSET-UP页面,第64页,（5）在SNMPCommunity选项组中指定SNMP字符串，便于实现对无线网桥和其他设备的远程统一管理。Read-Only为只读方式，Read-Write为读写方式。建议选择读写方式，以实现对无线AP配置的远程修改。（6）选择Root选项，将该无线网桥设置为根网桥模式。（7）在OptimizeRadioNetworkfor选项中，选择Default单选按钮，采用默认的传输速率。（8）在左侧栏中选择ExpressSecurity选项，显示如图9-28所示的ExpressSecuritySet-Up页面，配置无线网桥的安全属性。,第65页,图9-28ExpressSecuritySet-Up页面,第66页,（9）在SSID文本框输入该无线AP所属无线网络的SSID。根网桥和非根网桥的SSID应当完全相同。选择BroadcastSSIDinBeacon复选框，广播该