数字无线校园建设中的覆盖方案研究

张建伟

(宝鸡文理学院 物理与光电技术学院， 宝鸡 721016)

0 引言

数字无线校园的建设，通常是高校牵头，移动通信运营商实施建设，各行业参与合作的共用项目，是充分融合了移动互联网和物联网，面向企业(高校)和个人(师生员工)的综合性校园信息化应用。

本文以宝鸡文理学院数字无线局域网规划为案例作进一步分析，重点研究网络建设中的覆盖问题。宝鸡文理学院是我国西部中等城市陕西宝鸡。学校现有新老两个校区，占地面积1100多亩，拥有全日制在校生近2万名，教职工1300名。宝鸡文理学院校区拥有国内绝大多数校园所具有的各类场景，因此研究宝鸡文理学院“数字无线校园”的规划和部署方案，对其他校园数字无线网络的规划建设具有重要的参考意义和价值。

1 覆盖场景

数字无线校园网络的覆盖场景，应包含多个宿舍生活区、教学区、体育场馆、绿化园林等代表性区域。

这些区域为数据需求量大的热点区域，以上区域覆盖需求，需根据这些区域的特点，进行分类，根据不同场景类型采用合理的覆盖方式进行有效覆盖，数字无线校园覆盖场景类型汇总表如表1所示。

根据校区多种覆盖场景进行覆盖方式分类，主要可以分为室外覆盖、室外覆盖室内、室内覆盖三类[1]。

以下根据这三类场景对覆盖目标进行分析、归类，最终确定各种场景采用的建设解决方案：

(1) 室外覆盖场景：该场景为开放式，采用室外型或者室外基站型AP覆盖。

(2) 室外覆盖室内场景：楼宇相对密集，室内信号较差，采用室外型AP覆盖室内。

(3) 室内覆盖场景：室内需求量较大的区域，采用室内覆盖方式满足室内覆盖需求。

另外，校园数字无线网络建设初期，暂不考虑快速移动的覆盖需求，快速移动终端的接入以及频繁切换导致网络负荷较大，网络接入指标下降。

表1 数字无线校园覆盖场景类型汇总表

2 覆盖方式

数字无线网络能够在覆盖目标区域提供数字无线宽带接入服务。根据覆盖目标的特点、数字无线网络的性能以及无线移动现有网络资源基本情况，可将数字无线网络覆盖方式分为独立放装式、馈入分布式、混合覆盖式和Mesh型网络四种主要方式[2]。其中室内覆盖方式主要包括独立放装式、馈入分布系统方式以及混合覆盖方式，室外覆盖方式主要包含独立放装式和Mesh型网络覆盖方式。

2.1 独立放装式

独立放装式建设方式是指AP直接覆盖方式，是在热点区域或者热点附近安装AP设备，可通过自带天线进行覆盖，也可以通过外接不复杂的天馈系统进行覆盖的方式，其中不复杂的天馈系统仅限于距离不长的馈线和天线以及少量的功分器和耦合器。独立放装式的覆盖方式，依据数字无线网络的覆盖和容量需求，在合适的位置布放热点AP设备，五类线长度应在规定长度范围内，链路预算只需要计算AP之后的空间损耗。

独立放装式网络结构，如图1所示：

图1 独立放装式网络结构图

独立放装式系统要求系统中所有热点AP支持远端管理和远端供电功能，所有热点AP的频点规划，需要避免系统内的干扰。独立放装式系统中的热点AP具有布放位置灵活、安装简单的优点，能安装在最佳规划位置，也能满足热点区域的容量和覆盖需求。

2.2 馈入分布式

对于已有室内分布系统的覆盖目标，根据拟覆盖目标区域的覆盖需求和现有室内分布系统资源的现状，优先考虑采用馈入分布系统的方式对目标区域进行覆盖。根据拟覆盖点当前的网络现状，可以分为馈入新建分布系统方式和馈入已有分布系统方式[3]。馈入分布式网络结构，如图2所示：

图2 馈入分布式网络结构图

对于新建楼宇，尚无运营商分布系统的建筑物，需要新建分布系统，并要充分考虑发展的需求。对于存在需求的分站点，需对WiFi系统组网、系统容量及天线出口功率进行设计，建议采用二级合路方式进行设计。建网初期可根据楼宇的性质及重要性进行组网。WiFi全覆盖预计投资将增加30%，但避免了二次进场施工。而对于已有分布系统的覆盖点，将WiFi合路进现有室分系统不仅可以节约投资，而且利用现有传输等资源大大缩短了建网周期，是一种比较理想的建设思路。

2.3 混合覆盖方式

混合覆盖方式的使用场景，是在传统馈入式分布系统仅能满足覆盖目标常规区域覆盖需求，对于室内分布系统覆盖区域之外的局部盲区，或者是需求容量不能满足需求的区域，采用独立放装式AP补充覆盖的建设方式。

混合覆盖方式网络结构，如图3所示：

图3 混合覆盖式网络结构图

混合覆盖方式对热点容量不足的区域，采取适度空间交叠的覆盖方式，满足覆盖目标的覆盖需求。通常馈入式分布系统受限于分布系统器件带宽限制，系统只能提供2.4GHz频段的接入服务，对于干扰大或者容量需求不满足的区域，可以采用局部独立放装式5.8GHz频段分布系统补充覆盖的方式。

2.4 Mesh网络覆盖

Mesh型网络也叫无线网状网或者无线网格网，是一种多跳网络。网络中的每个节点都可以发送和接收信号，系统中无线AP呈网状分布，各AP之间通过无线中继链路进行点对点互联。Mesh型网络由若干无线接入点相互协作、相互协同的组网方式，具有自动动态组织、自动配置、自动维护的特点，相比传统无线局域网，该网络具有宽带高速、高频效率的优势，结构灵活，可快速部署。Mesh型网络中各热点AP网状互联，能满足较大面积、线缆布放不便的大中型热点区域，可用于校园或者大型场馆、广场等场景的热点覆盖。

但是，当前的Mesh网络也有一些不完善的问题，如产品没有统一的技术标准，用户选择产品时必须考虑兼容性问题。由于Mesh网络数据传输时，中间节点较多，将会存在一定的时延，如果跳数很多，时延就会比较大。同时在多个节点之间传输过程中，也使数据的传输裸露于公共自由空间，数据被窃取的几率将进一步增大。

3 热点覆盖方案

数字无线校园室外热点覆盖方案包含室外定向天线覆盖方案和室外全向天线覆盖方案，以下是对这两种建设方案进行论述。

3.1 定向天线覆盖方案

采用定向天线的室外AP设备的布放可以采用如图4所示的方案。AP沿道路两边交错布放，每个站点采用两副定向天线分别朝向道路对面的覆盖区。

在这种布点方案中，假设道路宽度H1，覆盖区深度H2，天线偏转角度α，天线水平半功率角β，AP最大需覆盖距离R，站间距D之间的关系如图4所示。

图4 采用定向天线的室外型AP布放方案站间距的取定

从图4中可得到以下关系[4]如式(1)、(2)。

D=H1×tan(2α)

(1)

(2)

可以看到，站间距D值的取定主要取决于AP的覆盖最远距离R。按道路宽度H1为30米，室内覆盖深度H2为10米，取不同的R值，可得到表2所示结果：

表2 室外AP天线偏转角度与站间距

需要注意的是，此时的最远覆盖距离R并不是在天线的主瓣方向上，而是偏移了α度，相对天线主瓣方向上的增益会有所衰减。因此，在街道覆盖中，需要注意：AP定向天线的天线增益并不是越大越好。

随着天线增益的增加，天线的水平半功率角越来越小，虽然主瓣方向上的覆盖深度增加，但在偏离主瓣方向的区域，信号质量就会迅速下降，为了达到良好的覆盖，需要减小站间距，增加AP的布放数量。因此，如果采用天线增益14 dB，水平半功率角为30°的定向天线，考虑10 dB穿透损耗和6 dB主瓣偏移衰减，经链路预算可得：R=191.8 m，此时站间距取为140.7 m，天线偏转39°[5]。

在道路覆盖中，同样要考虑垂直波瓣角宽度γ与街面宽度H1、天线挂高h的关系。不考虑天线下倾的因素，垂直面的覆盖距离Rv为式(3)。

(3)

当Rv等于h时，刚能覆盖到街沿；当Rv大于h时，能覆盖到街面，“塔下黑”的范围越小，因此Rv越大越好。当街面宽度一定时，选择垂直波瓣宽度大的较好。

在实际环境中，店铺的外墙的反射信号和街道的波导效应等会增强AP的覆盖效果，因此，采用定向天线的AP站间距建议不超过200 m，且当街道宽度一定时，站间距越大定向天线的水平波瓣宽度也越大。在大面积覆盖中(除特殊的定向应用外)定向天线的水平波瓣宽度以大于40°为好。

3.2 全向天线覆盖方案

在容量需求较小的地区，也可以采用全向天线进行覆盖。如图4.7所示。在这种布点方案中，假设街道宽度H1，覆盖区深度H2，AP覆盖半径R，站间距D之间的关系如图5所示[6]。

图5 采用全向天线的室外型AP布放方案站间距的取定

由图5可得式(4)。

(4)

与定向天线方案不同的是，这里的R就是AP的覆盖半径，按照全向天线增益8 dB，预留10 dB的穿透损耗，根据链路预算可得：R=191.8 m。在道路宽度30 m，室内覆盖深度10 m的情况下，站间距：D=379.1 m。在实际环境中，采用全向天线的AP布放方案，建议站间距不超过400 m。

4 总结

由于篇幅所限，本文只是从网络覆盖的角度分析了数字无线校园网建设中的技术问题，提出了具体的覆盖方案和技术指标，在规划和建成合理、高效、经济的数字无线校园网络时，具有一定参考价值和指导意义。

[1] 李崇鞅.无线城市发展趋势及挑战分析[J].湖南邮电职业技术学院学报,2014,13(1):9-11.

[2] 王钢飞.MIMO-OFDM信道估计算法研究[D].太原:太原科技大学,2011.

[3] 孙志浩.基于WIFI网络通信远程控制下位机控制电路设计[D].呼和浩特:内蒙古大学,2011.

[4] 李宗白.移动网络规划软件中的地理信息系统设计与开发[D].北京:北京邮电大学,2010.

[5] 文柳.WLAN无线接入网络规划[D].北京:北京邮电大学,2010.

[6] 张继成.无线MESH网络信道分配策略研究[D].南宁:广西大学,2010.