无线局域网室外覆盖路径损耗计算分析及规划布局建议

侯 群,高 立

(1.江汉大学物理信息工程学院,武汉 430056,2.华中科技大学光电系,武汉 430074)

1 引 言

从家庭、学校到电信运营商,无线局域网(WLAN)已经成为宽带数据业务最主要的承载方式。目前,很多文献对WLAN的空间信道衰落模型、链路预算及平衡、覆盖模拟仿真等方面进行了研究。文献[1]介绍了WLAN的物理层和相关技术标准;文献[2,3]解释了WLAN包含的IEEE 802.11a/b/g等几种标准的主要频率特性及技术特点;文献[4]研究了WLAN在2.4GHz的高速数据传输原理;文献[5,6]阐述了无线局域网的基本原理、技术与应用;文献[7,8]分析了WLAN的几种空间衰落模型;文献[9]研究了2.4GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗。这些文献说明:WLAN的主要应用场景有室内分布、室内放装和室外覆盖等。室内覆盖形式的优点是覆盖好、信号稳定,但其不足是工程量大,费用大,周期长,尤其对于一些特定的场景如商业街、学校、广场等区域的覆盖则必须依靠室外覆盖来解决。因此,对于WLAN无线传播的研究分析就显得尤为重要,WLAN空间信道衰落模型、链路预算及平衡、覆盖模拟仿真等方面的研究将为WLAN室外覆盖的规划和优化提供指导依据。

本文对WLAN空间信道衰落模型在不同覆盖情形下尤其针对密集市区覆盖情形下的路径损耗进行了计算分析,为WLAN的室外覆盖规划和优化提供了无线信号空间传播衰落方面的依据。

2 WLAN标准的频率特性及技术特点

WLAN目前主要包含有IEEE 802.11a/b/g几种标准。其中,IEEE 802.11b/g主要用于无线接入点(Access Point,AP)和客户端ST A(Station)之间的高速数据传输,IEEE 802.11a用于点与点之间的桥接等。IEEE 802.11b/g在美国开放1～11信道,中国和欧洲开放1～13信道,日本仅开放14信道。IEEE 802.11b/g工作频段划分参见图1[3]。

图1 IEEE 802.11b/g工作频段划分图Fig.1 The frequency band division of IEEE802.11b/g

信道1在频谱上和信道2、3、4、5都有交叠的地方,为了最大程度地利用频段资源,可以使用1、6、11,2、7、12,3 、8、13,4、9、14 这 4 组互相不干扰的信道来进行无线覆盖。由于只有部分国家开放了12～14信道频段,所以一般情况下,都使用1、6、113个非重叠信道来进行频率规划。

在考虑室外覆盖场景时,涉及到AP和STA之间的数据传输通信都是工作在2.4GHz频段,因此后续的空间信道衰落等分析计算将主要考虑2.4GHz频段的频率特性。

3 WLAN信号空间传播模型及分析

无线电波信号在自由空间的传播损耗(Free Space Path Loss,FSPL)为

式(1)只能应用于自由空间或者无线环境很好,无反射、无散射、无衍射的条件下,对于有密集建筑物的中心城区,它计算出的路径损耗大大偏小。

一个有效的传播模型能很好地预测出传播损耗,在无线通信领域,目前得到广泛使用的传播模型有Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等[4]。

COST231 Hata模型是 EURO-COST组成的COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本。IEEE 802.11b/g工作在2.4GHz频段,传播模型可使用如下COST231 Hata修正模型:

式(1)和式(2)中,f为工作频率,单位为MHz;Ht为基站/AP天线有效高度,单位为m,定义为基站/AP天线实际海拔高度与天线传播范围内的平均海拔高度之差;Hr为终端/STA有效天线高度,单位为m,定义为终端/STA天线高出地表的高度;d为基站/AP天线和终端/STA天线之间的水平距离,单位为km;α(Hr)为有效天线修正因子,是覆盖区大小的函数,其数值与所处的无线环境相关;Cm为修正因子,密集城区(Dense Urban)取值-3,一般城区(Urban)为 -6,郊区(Suburb)为 -12,农村(Rural)为-20。

WLAN室外覆盖示意图见图2。

图2 WLAN室外覆盖示意图Fig.2 Diagram of WLAN outdoor coverage

WLAN进行室外覆盖及布站规划需根据不同区域场景实施,可以设置新站点,也可以与原有的GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/PHS基站共站址。对于不同的AP高度Ht,其覆盖情况会如何呢?信号能否覆盖到底层的街道或者较远处的不同楼层?下面进行不同AP高度 (Ht)、不同STA高度 (Hr)和不同距离d的空间传播损耗计算,从而为WLAN基站布局及室外覆盖提供路径损耗方面的依据[5]。

图3是AP天线高度Ht=50 m,STA高度Hr分别为1 m、10 m、30 m、45 m,距离 d 从100～1500 m时,在密集城区的WLAN信号路径损耗图。

图3 WLAN路径损耗(密集城区,Ht=50 m,f=2.4GHz)Fig.3 WLAN path loss(Ht=50m,f=2.4GHz,Dense Urban)

图4是AP天线高度Ht=30 m,STA高度Hr分别为1 m、10 m、25 m,距离 d 从100～1500 m时,在密集城区的WLAN信号路径损耗图。

图4 WLAN路径损耗(密集城区,Ht=30m,f=2.4GHz)Fig.4 WLAN path loss(Ht=30m,f=2.4GHz,Dense Urban)

图5是AP天线高度Ht=15 m,STA高度Hr分别为1 m、10 m、13 m,距离 d 从100～1500 m时,在密集城区的WLAN信号路径损耗图。

图5 WLAN路径损耗(密集城区,Ht=15 m,f=2.4GHz)Fig.5 WLAN path loss(Ht=15m,f=2.4GHz,Dense Urban)

图6是AP天线高度Ht=30 m,STA高度Hr分别为1 m、10 m、25 m,距离 d从100～ 1500 m时,在郊区的WLAN信号路径损耗图。

图6 WLAN路径损耗(郊区,Ht=30 m,f=2.4GHz)Fig.6 WLAN Path Loss(Ht=30 m,f=2.4GHz,Suburb)

对比图4和图6可以看到:在密集城区,WLAN信号空间损耗明显大于郊区,覆盖范围也将小于郊区。

从图3～5可以看出:在密集城区,当AP天线高度一定时,WLAN空间路径损耗随着传输距离增加而逐渐增加,而随着STA天线高度的增加而逐渐变小,说明WLAN实现室外覆盖时,对街道或楼房底层的覆盖将是最弱的;反过来说,如果街道或者楼房底层的信号电平满足了覆盖的要求,同一位置的较高楼层的信号电平在无阻挡时将是满足覆盖要求的。

在密集城区,如果WLAN系统在AP和STA之间的最大容忍路径损耗为120dB,则系统覆盖范围将局限在300～500 m。如何布局基站/AP,将决定目的覆盖区域的覆盖效果和基站/AP的使用数量,这就对系统的布局规划提出了更高的要求。可以通过AP的立体网布局来解决不同层次的覆盖,或者提高系统可容忍的最高路径损耗来缓解,对于后一种方案需要提高基站/AP的接收灵敏度或者增加塔放来增强系统上行(Uplink)的性能来实现。

4 WLAN室外覆盖规划建议

通过对以上数据的计算和分析,可为WLAN室外覆盖规划提供建议如下:

(1)将WLAN室外覆盖系统可容忍最大路径损耗值作为参考进行系统基站/AP的布局规划,可进行立体网布局,低天线高度的AP负责街道、广场和低楼层覆盖,高天线高度的AP负责对较高楼层的覆盖;

(2)为了扩大单AP的覆盖范围,考虑使用高功率、高接收灵敏度的AP/基站,同时考虑使用高增益的天线/智能天线或塔顶放大器来提高系统可容忍最大路径损耗值,从而实现有效的WLAN信号覆盖。

5 总 结

本文对目前广泛使用的Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等进行了分析,选择了修正的COST231 HATA无线信号传播模型对WLAN路径损耗进行了计算,并以图表的形式描述了WLAN所在频段(2.4GHz)的空间信道衰落特征。针对不同AP高度(Ht)、不同STA高度(Hr)和不同距离d进行了空间传播损耗计算,给出了相应的信号路径损耗图,从而为WLAN基站布局及室外覆盖提供了路径损耗方面的依据。通过计算和分析,本文为WLAN的室外覆盖场景应用提供了有价值的规划布局建议。

[1] IEEE STD 802.11-2007,Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].

[2] IEEE STD 802.11a-1999(R2003),High-speed Physical Layer in the 5GHz Band[S].

[3] IEEE STD 802.11b-1999(R2003),Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band[S].

[4] IEEE STD 802.11-2003,Further Higher Data Rate Extension in the 2.4GHz Band[S].

[5] 刘乃安.无线局域网(WLAN)——原理、技术与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.45-47.LIU Nai-an.WLAN-Principle,Technology and Application[M].Xi′an:Xidian University Press,2004.(in Chinese)

[6] 邱玲,张磊,朱近康,等.第三代移动通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2001.QIU Ling,ZHANG Lei,ZHU Jin-kang,et al.3G mobile communicaion technology[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,2001.(in Chinese)

[7] Ott J,Kutscher D.Drive-thru Internet:IEEE 802.11b for automobile users[C]//Proceedings of 2004 IEEE Conference on Computer Communications.Hongkong:IEEE,2004:370-373.

[8] Gass R,Scott J,Diot C.Measurements of 802.11 in-motion networking[C]//Proceedings of the 7th IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.Orcas Island,WA:IEEE,2006:69-74.

[9] 陈一天,余爱民.2.4GHz无线局域网在室内外传播的路径损耗分析[J].电讯技术,2005,45(1):35-39.CHEN Yi-tian,YU Ai-min.Analysis of 2.4GHz WLAN Indoor and Outdoor Transmission Path Loss[J].Telecommunication Engineering,2005,45(1):35-39.(in Chinese)