数字无线校园网络的规划与设计

张建伟

(宝鸡文理学院 物理与光电技术学院，陕西 宝鸡 721016)

基金项目:宝鸡市科技计划项目资助项目(2013R1-5)；宝鸡文理学院重点项目(ZK2017002)

0 引 言

数字无线校园网络建设的全过程包括前期调研、网络规划与设计、工程实施和网络优化等阶段，规划是整个数字无线校园建设过程中非常重要的环节，网络规划基本决定了网络基本架构的合理性以及网络覆盖的效果[1]。

1 总体目标

数字无线校园网的规划与设计是为了解决目标区域的无线网络覆盖，需要在了解WiFi网络优缺点的基础上，全面了解相关网络设备的主要特性，在有限的资源条件下，最大限度地提高WiFi网络的整体性能，给用户(学校师生员工)提供最佳的使用体验。

良好的用户体验，在数字无线校园网的规划与设计时需要制订如下目标[2]：

(1)能够同时承载语音和数据业务，并且语音业务用户感知接近或者达到传统移动通信的水平。

(2)具有管理方便，认证、计费系统和有线网络统一，能够无缝互联。

(3)具有可扩展性，能够根据业务需求随时扩展，方便扩展。

(4)具有较高的安全性，能够有效防护和对抗网络的入侵。

(5)建设标准统一，沿用国际通用标准，设备的选型也要做到兼容、通用和性能指标一致。

2 指导原则

区域数字无线网络规划建设应该以需求为导向，分阶段、有计划、有步骤地进行。数字无线校园建设初期应该以覆盖为主，兼顾容量。随着市场业务的发展，对数据接入需求较为集中的区域，逐步提升覆盖质量和网络容量，要做到网络安全、可靠，能够切实满足用户的使用需求。

作为数字无线校园，该数字无线网络需要具备实用性、稳定性、扩展性、移动性、安全性、可用性、易管性、标准化、先进性以及高性能这十大技术要素，各技术要素的要求如下：

实用性：实用优先，面向应用、注重实效，时刻贴近需求，适度超前。

稳定性：高可靠性，网络架构必须合理，备份策略可靠，故障自愈能力[3]。

扩展性：系统结构、产品系统、系统容量以及系统处理能力等方面必须具有升级换代的可能。

移动性：顺利、持续地保持与高速运动用户的连接，完成不同区域间的服务切换。

安全性：高度的保密机制，灵活的权限设定和控制机制，数据传输需要良好的保护机制及安全策略。

可用性：支持多种应用，提供强大的保障机制。

易管性：实施集中监测，分权管理，统一分配资源，及时的故障报警和日志，设备都支持远程管理。

标准化：支持国际通用标准，保证全网设备的互通性能，对网络投资实现有效保护。

先进性：采用先进成熟的技术、方法和产品，能代表当前先进的技术水平，能支持未来技术升级。

高性能：企业级信息运营平台，高性能产品，网络带宽足够，结构合理，技术先进，满足业务承载的要求。

3 网络规划

数字无线网络指标是由网络覆盖、系统容量和信号质量3个因素组成。对于运营商来说，网路覆盖越广，运营服务范围也越大；系统容量越大，能够承载的用户越多，预期收益也会越大；信号质量越好，用户满意度才会越高。数字无线网络的规划方案应该是从网络覆盖、系统容量和信号质量这3个方面着手，在经济可行的基础上做到这3个因素的平衡，才能使运营商的有限投入产生较大的经济效益。

校园数字无线校园网应该是在规划方案指导下进行网络建设，围绕数字无线网络的覆盖、系统容量和信号质量进行规划。文献[4]25-52中提到的开展数字无线网络的方案规划，其中包括覆盖规划、容量规划、频率规划。

3.1 覆盖规划

无线电波在自由空间传播时，有路径损耗、快衰落损耗和慢衰落损耗，也有阴影效益和远近效益。路径损耗服从自由空间传播模型，快衰落遵从瑞利分布，慢衰落服从正态分布。

室外场景，采用自由空间传播模型[5]，计算点对点、点对多点、多点对点或者混合型结构网络的链路损耗。自由空间的传播损耗可定义为发射点的有效发射功率和接收点的接收功率比值，表达式如下：

(1)

式中：L为自由空间传播损耗，dB；Pt为发射点的有效发射功率；Pr为接收点的接收功率。

根据电磁场理论计算得出自由空间传播损耗只受传播距离和工作频率影响，具体公式如下：

L=32.45+20lgd+20lgf

(2)

式中：d为自传播距离，m；f为工作频率，Hz。

对于室内场景，存在直射、反射、绕射和散射4种方式。室内环境影响电磁波传播的因素更多，如传播空间的开阔程度、障碍物的结构尺寸和材料的不同，对电磁波的传播损耗数值也有很大的差异。

对于室内场景中电磁波的传输损耗，通常采用经验公式法。依据测试数据对传播模型进行修正，得出最切合室内实际使用环境的信道模型，修正后的室内传播模型如下：

(3)

式中：R为发射点和接收点之间的距离，m；nf为发射点和接收点之间电磁波所穿透的楼层数。

对比可知，室内环境下，由于空间障碍物较多，导致室内空间的链路损耗要大于室外自由空间的传播损耗。

3.2 容量规划

数字无线校园网的网络容量测算需要依据热点区域的人口总数、各运营商移动用户渗透率、WiFi网络的使用率、用户数据需求的并发率以及单用户数据需求带宽加权得来，通常WiFi网络容量按照以下算法[6]进行测算：

WiFi网络容量=热点区域人口总数×用户渗透率×WiFi使用率×并发率×带宽

得出WiFi网络容量之后，可以测算出该场景所需的WiFi网络设备数量。根据WiFi网络中的覆盖场景以及该场景中采用的AP型号、单个AP数据承载能力(吞吐量)，得出该区域所需的AP设备数。根据AP分布情况，可得出拟选用合适交换机的型号和数量以及对传输带宽需求。

热点区域AP设备的型号和需求数量需要综合考虑网络覆盖和网络容量需求，要在经济可行的前提下满足这两方面的需求。从覆盖上考虑，该区域AP数量是该区域面积和单AP有效覆盖面积的比值；从容量上考虑，热点区域的AP数量是热点网络容量和单AP实际吞吐量的比值。

当前基于IEEE802.11b技术的单个AP吞吐量工程值为6 Mbps，IEEE802.11a/g标准下吞吐量为30 Mbps，IEEE802.11n标准下吞吐量为90 Mbps[7]。通常单用户带宽设定在512 kbps到1 Mbps之间,这样即不会浪费资源也不影响用户感知，据此可以推算单AP承载用户数。

在实际工程中，对于单AP承载用户数的估算，一般经验值为：基于IEEE802.11g标准AP设备，可按照单户带宽1 Mbps速率，每个AP设备能同时支持10～15个用户同时接入。基于IEEE802.11n标准AP，每个AP设备能同时支持20～25个用户同时接入。

3.3 频率规划

数字无线校园网和移动通信网一样，在有限的频谱资源下，扩大网络的覆盖范围，也要采用蜂窝结构进行组网，采取有效的频率复用方式提高无线网络的容量。因此，合理的频率规划是降低频率干扰，提升AP性能指标的重要措施。

1)2.4 G频段频率规划

IEEE802.11g兼容了IEEE802.11b的标准，工作在2.4～2.483 GHz频段，带宽为83.5 MHz，按照各信道中心频率以5 MHz的间隔分布，可划分为13个信道[8]，每个信道带宽为22 MHz，信道的标号及所用中心频率情况如表1所示。

频率规划时需要注意，相邻小区的AP使用的频率设定在不重叠的信道上。实际工程中，为保证各AP使用的频道互不干扰，要求频道之间中心频率间隔不能低于25 MHz，按照这一要求推算，在一个覆盖区域内，采用直序扩频技术，2.4 GHz频段中最多可容许3个不重叠的频道同时工作。

无线校园网2.4 GHz频段频道划分图如图1所示。

表1 无线校园网2.4 GHz频段信道分配表

图1 无线校园网2.4 GHz频段信道划分图

在实际工程规划建设中，各AP使用的频点设定原则[9]如下。

优先建议使用1、6、11频点进行蜂窝组网，若AP设备杂散干扰指标较差，可采用频点间隔相对较大的1、7、13频点进行组网。如果目标区域容量需求很高，可采用1、5、9、13四个频点进行复用。在容量极高区域，可采用1、3、6、8、11、13频点的紧凑复用，提高区域内的承载容量。

在一些有特殊要求的场合，也可以将所有AP配置为相同频点，各AP既是热点又是中继路由器，也能简单扩大覆盖范围。

由于2.4 GHz频段属于公共频段，工作在该频段的热点AP首先需要面对的就是干扰问题，其中:来自于相邻小区间的邻道干扰和相隔小区间的干扰称之为同频干扰；来自于其他运营商的WiFi网络间的干扰称之为系统间干扰；来自蓝牙技术、无线电话、无线USB等其他工作于2.4 GHz频段设备的干扰称之为其他系统间的干扰。

系统内干扰和系统间干扰都是WiFi技术体制内的干扰，因此合并为同一类型干扰，也即WiFi系统内干扰。基于天线的波束形成技术是一种新开发的技术，也称之为自适应天线阵列技术，能根据无线终端的需求，改变由AP发出的射频能量的形态和方向，干扰出现时，动态波束自动绕过周围的干扰。

IEEE802.11n标准在物理层综合采用了OFDM+MIMO技术和智能天线技术。在MAC层采用了优化技术，较好地解决了多径衰落问题，不仅提高了信道容量，减少了噪声干扰，还增加了WiFi的覆盖范围。

目前多数厂家已经能够大批量的提供基于IEEE802.11n的无线产品，这也为我国数字无线校园的建设提供了有益的支撑。

IEEE802.11ac技术基于IEEE802.11n标准发展而来，使用2.4 GHz频段。在该频段工作时，由于采用了40 MHz的信道带宽，数据速率可以提高两倍以上，但是干扰也增加了，可规划的信道也相对减少[10]。

2)5.8 G频段频率规划

在我国IEEE802.11a技术标准使用5.8 GHz频点，工作频率范围为5 725～5 850 MHz，总计带宽为125 MHz，可以划分为5个信道，每个信道带宽为20 MHz。

5.8 GHz频段的信道标号和所使用中心频率如表2所示。

表2 无线校园网5.8 GHz频段信道分配表

以上5个信道都是可用信道，但是当前大多数设备只支持在149、153、157、161这4个信道上工作。

5.8 GHz频段信道划分及配置如图2所示。

图2 无线校园网5.8GHz频段信道划分图

IEEE802.11n以及基于该标准发展而来的IEEE802.11ac也可以使用5.8 GHz频段。相比2.4 GHz频段，该频段相对纯净，干扰源少，但由于该频段使用较高频率，空间链路损耗也相对较大[11]。因此，该频段的覆盖范围比使用2.4 GHz频段要小。

3)2.4 G和5.8 G频段混合式频率规划

当前很多设备能够同时支持IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g标准(IEEE802.11n以及IEEE802.11ac标准同样兼容IEEE802.11a/b/g)。因此，在容量需求较大、干扰也较多的热点区域，在频段规划时，可同时使用2.4 GHz和5.8 GHz两个频段混合式覆盖，以满足用户接入的质量和网络速率的需求。

在实际工程中，无线校园网在2.4 GHz和5.8 GHz两个频段混合组网时，蜂窝网的信道配置建议如图3所示。

图3 无线校园网2.4 GHz和5.8 GHz频段混合组网频点配置示意图

由于2.4 GHz和5.8 GHz两个频段使用的频点不同，实际组网中，根据两个频段的不同特性，可采用两个频段独立分区域部署的方式。其方案是利用5.8 GHz频段的热点AP集中部署，以解决容量需求，利用2.4 GHz频段的热点AP分散部署的方式解决覆盖需求[12]。

4 结束语

本文从覆盖、容量、频率3个角度对网络规划进行了分析，给出了具体的部署方案，对实际网络搭建具有一定的指导意义。此外，由于WiFi特殊的网络特性，在安全保护的内容上也有其特殊性。在区域数字无线网络的建设时，必须提前考虑到网络安全问题，网络安全是网络所有应用开展的基础，更是重要保障。主要包括4个核心方面内容：机密性、完整性、认证性和可用性。WiFi网络的机密性是要求网络具有识别通信实体合法性的功能，只有合法的实体才能获得有效的数据，才能确保敏感信息传输的保密。WiFi网络的完整性要求数据在传输过程中保持数据完整，且不被非法篡改。WiFi网络的可认证性包括实体认证和数据源认证，实体认证确定通信实体的合法身份，数据源认证确保接收方能验证数据来自合法的实体，接收消息的可信。WiFi网络的可用性是系统应该能具备阻止攻击的能力，能确保合法用户正常使用整个系统。