无线局域网的路径损耗分析

1、无线局域网的路径损耗分析 摘要：首先描述了无线局域网（WLAN）的基本定义、应用范围及优缺点，之后对WLAN的发展现状及前景进行了概述。WLAN发展所呈现的趋势，使得对无线局域网路径损耗的分析成了规划无线局域网的重要项。本文通过对自由空间传播损耗计算和电磁波在介质中传播路径损耗的估算来预测无线通信系统在其工作环境下的性能。一、无线局域网的基本定义及应用范围无线局域网络（Wireless Local Area Networks; WLAN）是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency; RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局

2、域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到信息随身化、便利走天下的理想境界。无线局域网拓扑结构是基于IEEE802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用未授权的2.4或5.3GHz射频波段进行无线连接。它们应用广泛，从家庭到企业再到Internet接入热点。无线局域网络应用：大楼之间：大楼之间建构网络的连结，取代专线，简单又便宜。餐饮及零售：餐饮服务业可使用无线局域网络产品，直接从餐桌即可输入并传送客人点菜内容至厨房、柜台。零售商促销时，可使用无线局域网络产品设置临时收银柜台。医疗：使用附无线局域网络产品的手提式计算机取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业

3、、单据循环的迟延及误诊等，而提升对伤患照顾的品质。企业：当企业内的员工使用无线局域网络产品时，不管他们在办公室的任何一个角落，有无线局域网络产品，就能随意地发电子邮件、分享档案及上网络浏览。仓储管理：一般仓储人员的盘点事宜，透过无线网络的应用，能立即将最新的资料输入计算机仓储系统。货柜集散场：一般货柜集散场的桥式起重车，可于调动货柜时，将实时信息传回office,以利相关作业之逐行。监视系统：一般位于远方且需受监控现场之场所，由于布线之困难，可藉由无线网络将无方之影像传回主控站。展示会场：诸如一般的电子展，计算机展，由于网络需求极高，而且布线又会让会场显得凌乱，因此若能使用无线网络，则是再好不

4、过的选择。无线局域网的优点：（1）灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。（3）易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。（4）故障定位容易。有线网络一旦出

5、现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。无线局域网的不足之处：无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：（1）性能。无线局域网是依靠无线

6、电波进行传输的。这些电波是通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。（2）速率。无线信道的传输速率与有线信号相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为150Mbit/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。（3）安全性。本质上无线电波不要求物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。总之，由于无线局域网需要支持高速、突发的数据业务，在室内使用还需要解决多径衰落以及各子网间串扰等问题。具体来说，无线局域网必须实现以下技术要求：（1） 可靠性：无线局域网的系统分组丢失率应该

7、低于10-5，误码率应该低于10-8.（2） 兼容性：对于室内使用的无线局域网，应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。（3） 数据速率：为了满足局域网业务量的需要，无线局域网的数据传输速率应该在1Mbps以上。（4） 通信保密：由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信保密和数据安全性能。（5） 移动性：支持全移动网络或半移动网络。（6） 节能管理：当无数据收发时使站点机处于休眼状态，当有数据收发时再激活，从而达到节省电力消耗的目的。（7） 小型化、低价格：这是无线局域网得以普及的关键。（8） 电磁环境：无线局域网应考虑电磁对人

8、体和周边环境的影响问题。二、无线局域网的现状分析及发展前景无线局域网技术是新世纪无线通信领域最有发展前景的技术之一，随着下一代宽带无线接入方式的宽带化、移动化、IP化理念的提出，WLAN凭借其接入速率高、架构使用便捷、系统费用低廉及可扩展性较好等优点，应用日趋广泛，成为近些年来全球通信领域的亮点之一。随着技术的发展，现阶段WLAN从芯片、设计、制造、软件开发等都形成了商业化、系统化的趋势，使得WLAN产品的灵敏性、稳定性、安全性等性能大幅度提升。而802.11n技术的推出，更使得WLAN接入速率可达百兆，覆盖距离更广，在某些应用场景替代有线成为可能。除此之外，市场上各种各样的WLAN终端如笔记

9、本电脑、PDA、双模手机、支持Wi-Fi的游戏机、即拍即传的数码相机如雨后春笋般涌现出来，同时价格越来越低，普及程度越来越高，也造就了最终用户对WLAN覆盖的迫切需求。随着VoWiFi、无线监控、无线多媒体播放等增值业务的推出，也将给WLAN网络带来巨大的发展空间和潜力，成为大规模部署WLAN网络的助推器。从IDC对中国WLAN市场规模的增长的统计可以看到，20082010年，中国WLAN市场规模将持续保持旺盛的发展势头，而2009中国电信在189放号的同时抛出CDMA+Wi-FiR “互联网手机”战略，又有中国移动将TD-SCDMA+Wi-Fi确定为2009年重点战略之一，国内运营市场纷纷将

10、WLAN作为3G数据业务的主要承载者，看好数据业务的市场机会，无线局域网的建设正在如火如荼的进行中。 从商业的角度看，WLAN业务也有强烈的排他性，一旦某运营商与物业或业主达成商业协议，其化运营商就很难再进入，抢占了热点就等于抢占了频段资源和物业资源。因此，运营商显然没有孤立地看待WLAN业务，而是从全局战略出发进行快速部署和资源规划。三、传播的路径损耗分析对于局域网络管理主要工作之一，对于铺设电缆或是检查电缆是否断线这种耗时的工作，很容易令人烦躁，也不容易在短时间内找出断线所在。再者，由于配合企业及应用环境不断的更新与发展，原有的企业网络必须配合重新布局，需要重新安装网络线路，虽然电缆本身并

11、不贵，可是请技术人员来配线的成本很高，尤其是老旧的大楼，配线工程费用就更高了。因此，架设无线局域网络就成为最佳解决方案。针对无线局域网的以上性能情况，本文着重通过对传播路径损耗的估算来预测无线通信系统在其工作环境下的性能，解释了自由空间的传播路径损耗及WLAN室内、室外的传输路径损耗，这对WLAN的规划和设计很有意义。本课题是基于IEEE802.11b的WLAN，主要技术特性是：工作在ISM2.4GHz频段，采用直接序列扩频技术（DSSS），电磁波的极化方式为垂直极化。在无线局域网（WLAN）的规化和设计阶段，当工作频率确定之后，必须通过估算WLAN的路径损耗来确定WLAN基站的分布。无线传输

12、信道对系统的性能有非常重要的影响。由于室内、外传输的电磁环境差异很大，其路径损耗的计算方式也不完全相同。1、自由空间的传播路径损耗电磁波在自由空间中传播，其能量没有介质损耗，自由空间的传播路径损耗是指自由空间一点波源发射的球面波在传播过程中，随着距离的增加，由于球面波的扩散使接收点处的功率密度减少而引起，它反映了球面波的扩散损耗，也称为传播扩散损耗。在远离点波源处的远场，范围不大的部分球面波非常接近平面波，可以近似看成为平面波。假设WLAN的点对点链路处在自由空间中，其传输路径损耗也就等于自由空间传播损耗（扩散损耗）。WLAN点对点链路由3个主要部分组成：发射端、接收端和射频传输通道。发射端包

13、括发射机、发射天线、连接发射机与发射天线的馈线、连接头。接收端包括接收机、接收天线、连接接收机与接收天线的馈线、连接头。射频传输通道是指电磁波从发射天线到接收天线之间的传输路径和空间。2、WLAN室外传输的实际情况自由空间是一种理想情况，实际上电磁波是在有限空间内传播，而且受到大气及周围地面环境（树林、山地和建筑物）等因素的影响。电磁波传播的路径分视距和视距被阻挡两种情况。当传播路径为视距时，没有障碍物对能量产生吸收、反射和折射，主要是直射波传播。与自由空间相比较，由于大气及地面对电磁波传播的影响，接收点的接收电平不再是一个固定值，而是一个随时间变化的随机过程，整个系统的性能取决于接收电平下降

14、到门限电平以下的概率以及接收信号频谱产生严重失真的概率。这些影响使收信电平随时间而变化，产生了随机衰落等现象。对于室外WLAN的电波传播，衰落主要是由多径传播引起的。 由于直接序列扩频系统采用伪随机码的相干解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的频谱宽度，这种多径就不能对直接序列扩频系统形成干扰。因为802.11bWLAN采用DSSS技术，所以其电波传播路径损耗一般不需考虑多径衰落的影响，只考虑直射波传播的路径损耗就可以了。3、WLAN室内传播的路径损耗影响WLAN室内电波传播的环境因素非常复杂，这些因素例如建筑物的布置、材料结构和类型，会造成电波传播特性和覆盖区的变化和不稳定性。建筑物内部具有大

15、量的阻挡体和分隔，分隔分为软分隔和硬分隔。分隔如果与建筑物连成一体，是建筑物的一部分，这样的分隔称这硬分隔；而可以移动或并未伸延到天花板的分隔称为软分隔。下面描述不同环境下的室内传播路径损耗。i、对数距离路径损耗平均路径损耗是距离的幂函数，表达式如下：Lp(d)=L(d0)+10nlogd/ d0式中，Lp(d)是平均路径损耗（dB），是接收点到发射点的距离（m），是参考距离（m）；d0 是发射点到参考距离的路径损耗；n是取决于环境的平均路径损耗指数。从上式可知，路径损耗是对数正态分布的，平均路径损耗指数n和标准方差是取决于建筑物类型、建筑物侧面以及接收点和发射点之间楼层数的参数。ii、同楼层

16、路径损耗考虑了室内分隔和阻挡体对电波传播的影响，得到同一楼层室内路径损耗为Lp = L0+10nlogd+X式中X为标准方差的正态随机变量。iii、多楼层损耗建筑物楼层间损耗由建筑物外部面积和材料以及类型决定。多楼层损耗包括建筑物的类型影响以及阻挡物引起的变化等，此时该路径损耗为Lp= L0+10 nlogd+FAF式中，FAF为楼层衰减因子，它与具体的环境和工作频率有关。iv、使用不同建筑分隔的路径损耗在分隔中，把自由空间的路径损耗指数n固定为2，并且在发射点和接收点之间的直线上分隔引入不同的损耗，以此来改善自由空间中的标准式。这种路径损耗为Lp= L0+20logd+MtWt式中，Mt是指

17、该类分隔的数量，Wt是在该分隔上的损耗。分隔损耗一般在12dB之间变化。v、使用不同建筑物料的影响物料的类型不同以及厚度不同，电磁波的极化方式不同，其穿透损耗的值也不同。对以上不同情形的分析研究可知，实际上影响WLAN室内电波传输的环境因素非常复杂，要获得精确的室内总的路径损耗计算结果非常困难。通常的办法是在应用以上的各种公式和数据，经过对路径损耗和接收功率的估算和WLAN的规划设计之后，用实地测试的方法来调整接入点（AP）的数量和安装位置。许多WLAN都安装有现场勘察软件（Site Survey），它能够显示出信号水平、输出噪声水平和信噪比，有的还使用彩条来显示，这样就可以为调整AP提供依据，使用具有Site Survey功能的笔记本电脑在WLAN的覆盖区内漫游，如果在某一个点的信号水平太低，则可以移动AP的位置，缩短AP到该点的距离或者增加新的AP，从而提高该点的信号水平，补偿因为路径