大学校园无线宽带网的热点覆盖

赵德才，王凤利，李小军，谢博阳

（1.河北北方学院信息科学与工程学院，河北 张家口075000；2.河北北方学院第三附属医院，河北 张家口075000；3.张家口职业技术学院，河北 张家口075000）

1 引 言

网络已发展成为人们工作、生活、娱乐不可缺少的组成部分，人们使用网络的地点也由原来的单一化（办公室或家里）向多元化发展，不只在办公室需要网络，在会议室、办公区的任意地方都有可能需要网络的支持，这就促使要将有限的网络资源共享，以无线的形式覆盖所有的工作区.

在生活着数千人的大学校园里，这种对网络的需要表现的更为突出，但是，实现整个校园的无线宽带覆盖存在着诸多的困难，一是面积大，二是楼群多，实现起来需要大量的设备和资金，这就使无线宽带在大学校园的覆盖受到了限制，通过实地实验和理论分析，针对大学校园的无线网络覆盖，提出一种简单可行，耗资极低的设计方案.

2 无线宽带网络覆盖方式

工程施工通常采用的是室内放置AP的覆盖模式，该方式是根据WLAN的覆盖范围和容量需求直接在相应的位置部署AP，提供WLAN无线覆盖，AP与AP之间通过交换机等设备采用有线方式连接，也可以采用点对点，或点对多点的无线方式连接［1］.目前WLAN室内型AP发射功率为100 m W，覆盖范围很小，单个AP的覆盖半径一般不超过30 m，由于网络是双向通讯，电脑终端上的无线网卡的发射功率一般是50 m W，最大不超过100 m W，所以决定了不能单纯加大AP发射功率的办法来加大覆盖范围［2］.要在整个校园包括宿舍区和教学楼覆盖WLAN信号需要布置大量的AP，造成网络工程量加大，投资很高，后期维护相对复杂.一层长200 m的教学楼需要布置AP至少10个，按5层楼计算，就要布置 AP 50个.

3 影响无线信号传输的因素

3.1 环境因素

WLAN信号采用的是2.4 GHz波段，该高频波段电磁波对于各种建筑材质的穿透能力很弱，每穿透一层损耗很大［3］，通过该项实验可以了解信号衰减损耗的情况.

第一项实验是在没有阻挡的空旷操场进行，无线AP固定在操场一点不动，手持笔记本电脑，边走边进行信号强度检测，直到信号减弱到一个信号格时停止移动，测量此时AP和笔记本之间的距离，大约在200 m.

第二项实验是把AP放到教学楼的教室里，手持笔记本电脑在操场移动，直到信号衰减到一格信号为止，再次测试AP和笔记本电脑的距离，大约只有100 m.

第三四项实验是把AP放置在5楼的教室里，在教学楼里移动笔记本电脑，当移动到2楼时信号已经降为1个信号格，移动到1楼时，信号已经忽有忽无很不稳定，按照教室的高度，每屋4 m计算，AP和笔记本电脑有效距离也就10 m左右.

四次实验的数据参见表1，数据虽然不是用专业的场强仪器所测，但实验完全是在相同条件下的真实验证，通过表中的数据可以发现，钢筋混凝土楼板和墙壁对2.4 GHz的高频信号衰减很严重，所以给出建议是，在WLAN信号覆盖时，尽量让信号无阻挡直射覆盖.

表1 不同环境下信号延展情况实验数据

3.2 天线因素

AP的天线增益常见的有3 d B，5 d B，7 d B，9 d B，理论计算最大不超过10 d B，分贝越大相应传输的距离越远［4］.（参见表2）

表2 AP使用不同增益的天线对信号影响情况的实验数据

3.3 干扰因素

多AP情况下的相互干扰肯定存在，必须想办法来规避，把干扰降到最低.以802.11 b／g而言，理论上工作频率从2400 MHz到2483.5 MHz，带宽为83.5 MHz，划分为14个子频道，每个子频道带宽为22 MHz.（见封三彩图1）.互不干扰的子信道有1，6，11或2，7，12或3，8，13等.从图1（见封三彩图1）可以看到，例如信道1在频谱上和信道2、3、4、5都有交叠的地方，这就意味着：如果有两个无线设备同时工作，且它们工作的信道分别在这几个频道上，如1和3，或1和4或者2和5等，则它们发送出来的信号会互相影响.导致同频干扰，影响网络传输的效果［4］.

如果相邻的AP使用的是互不干扰的信道，如1.6.11或2.7.12三个子信道等，且AP工作在不重叠覆盖时 （见封三彩图2），每个AP可以达到各自的最高传输速率，11 b为5 M bps左右，11 g为20 Mbps左右；而当重叠覆盖时候 （见封三彩图3），尽管AP所使用的信道互不干扰，但由于WLAN的杂散发射为－9.6 d Bm／22 MHz，相互间也存在一定的影响.通过工程实验测试，如果2个分别使用1.6两个子信道的11 g的AP重叠覆盖，每个AP可以最高传输速率只能达到13 M bps左右，总速率只有26 Mbps，比非重叠覆盖的总速率40 Mbps下降了很多［4］.

经常采用的比较理想的覆盖方式是蜂窝覆盖方式 （见封三彩图4）.在这种覆盖方式中既要考虑信道问题，还要考虑功率和AP之间的距离问题，尽量让相邻AP无重叠区域，避免重叠干扰和跨区域同频干扰［5］.

通过实验得出了影响WLAN信号的几项主要因素：

1）AP和电脑用户无线终端之间的障碍越少越好，障碍越多信号衰减越严重，尤其楼房的混凝土地板和墙壁，对信号衰减很严重.因为WLAN信号的中心频率是2.4 GHz，这种高频信号的传播类似于光波，绕射能力很差，主要靠直线传播，每穿透一层墙壁或楼板信号强度就会大大衰减；

2）天线的增益越大传输的距离越远；

3）相邻AP之间的频率干扰问题不容忽视.任意相邻区域使用无频率交叉的频道，如1、6、11频道；适当调整发射功率，避免跨区域同频干扰；蜂窝式无线覆盖实现无交叉频率重复使用.多AP情况下，首先相邻AP所使用的信道要相隔5个以上，保证中心频率相隔25 MHz.同时，相邻AP的覆盖重叠要较少，避免总体容量的下降.

4 具体实施方案

针对上述影响WLAN信号的因素，结合河北北方学院校园建筑结构和布局特点，制定切实可行的覆盖方案.该学院东校区的3栋宿舍楼，长约150 m，高六层，楼间距约50 m，在这个建筑群体中覆盖无线WLAN信号，只需要6个AP（见图5）.从北向南依次为AP1，AP2，AP3，AP4，AP5，AP6.AP1使用信道1，安放在北边宿舍楼北的电杆上，电杆位于宿舍楼150 m长度的中间部位，AP1放置高度大约在3～4层楼高度，电杆距楼房30～50 m，采用几乎直射的方式覆盖1号宿舍楼的阴面所有宿舍；AP2使用信道6，安放在1号楼阳面的中间部位 （高度在3～4层，左右距离在75 m处）一个宿舍的外墙上，采用直射的方式覆盖2号宿舍楼阴面的所有宿舍；AP3使用信道11，安放在2号楼阴面的中间部位一个宿舍的外墙上，采用直射的方式覆盖1号宿舍楼阳面的所有宿舍；依次类推AP4使用1信道，AP5使用6信道，AP6使用11信道.这种覆盖方式施工简单，有4个AP只需要安置在楼房墙体即可，不需另立电杆和拉线，但存在着一个弊病，相互照射的2个AP属于重叠覆盖，虽然工作于互不干扰的信道，但由于重叠覆盖，每个AP可以最高传输速率只能达到13 M bps左右，总速率只有26 Mbps，比非重叠覆盖的总速率40 Mbps下降了很多.这种施工方式适合容量较低的情况.

如果要最优覆盖宿舍区，只需要4个AP，需要在3个宿舍楼之间另立2根电杆，分别安放一个AP，负责直接照射2个宿舍楼的阴阳2面，这样就不会出现重叠覆盖的情况.对于教学楼的覆盖情况和宿舍楼道理相同，不再累赘.

图5 三栋宿舍楼侧面图 （长约150 m，AP放置示意图）

5 结束语

WLAN信号热点覆盖是IT界的一个技术难题，存在着诸多变数因素，受建筑布局、无线干扰情况和使用环境影响很大，信号的覆盖只能因地制宜，找出最适合的覆盖方案，不能照搬其它任何地方的方案，只能借鉴.无论怎么设计，必须注意的解决好三大问题，通俗的表达如下：

1）2.4 GHz的频率绕射和穿透能力很差，尽量让AP直线辐射状覆盖终端用户；

2）使用全向高增益天线，提高信号发射效率和接收灵敏度；

3）解决好同频干扰和邻频重叠覆盖干扰.

［1］ 段水福，历晓华，段炼.无线局域网 （WLAN）设计与实践 ［M］.浙江：浙江大学出版社，2007：108－216

［2］ 刘宴兵，唐红.宽带无线移动通信网络技术 ［M］.北京：科学出版社，2008：15－60

［3］ 高泽华，赵国安，宁帆.宽带无线城域网——Wi MAX技术与应用 ［M］.北京：人民邮电出版社，2008：1－23

［4］ （美）多布金著，李晋文译.无线网络射频工程：硬件、天线和电波传播 ［M］.北京：人民邮电出版社，2008：6－38

［5］ （美）普赖斯 （Price，R.）.无线网络原理与应用 ［M］.北京：清华大学出版社，2008：123－131