康欣 曹仲晴

（1 桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院廣西桂林 541004）

（2 中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室山東青島 266107）

建筑物內(nèi)無線局域網(wǎng)信道特性分析

康欣1曹仲晴2

（1 桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院廣西桂林 541004）

（2 中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室山東青島 266107）

隨著社會信息化的快速發(fā)展，無線局域網(wǎng)通信技術(shù)日益普及。作為電腦、手機及電視等智能終端無線上網(wǎng)的重要場所，建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施復(fù)雜多樣，為了合理設(shè)計和利用無線局域網(wǎng)，需要深入分析和掌握建筑物內(nèi)的無線信道特性。根據(jù)無線局域網(wǎng)技術(shù)特點和建筑物內(nèi)主要環(huán)境特征，基于電波傳播機制，具體分析了無線信道傳播損耗數(shù)據(jù)及預(yù)測模型并指出了工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

無線局域網(wǎng) 建筑物 信道 電波傳播 模型

1 引言

社會信息化使移動互聯(lián)網(wǎng)以及智能終端如電腦、手機和電視的應(yīng)用日益普及，通過無線上網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)、語音和視頻等服務(wù)已成為個人、家庭和企業(yè)的重要交流方式，無線局域網(wǎng)（WLAN）面臨著強大的市場需求，一方面通過WLAN實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)分流，支撐移動業(yè)務(wù)增長，另一方面標(biāo)準(zhǔn)組織、設(shè)備商及運營商正推動WLAN技術(shù)向著千兆寬帶邁進。因此，無線局域網(wǎng)將成為應(yīng)用最廣泛的寬帶無線通信接入技術(shù)。

無線局域網(wǎng)的特點主要體現(xiàn)在：①可移動性，在網(wǎng)內(nèi)任一地點都可實時上網(wǎng)；②組網(wǎng)靈活，可組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；③成本低，可節(jié)省大量費用。目前室內(nèi)WLAN主要與無線接入系統(tǒng)、藍牙設(shè)備、無繩電話、點對點或點對多點擴頻通信系統(tǒng)等共享2.4～2.4835 GHz頻段。移動WLAN采用802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，理論速率為54 Mbps和300 Mbps，通過移動終端以無線方式高速接入互聯(lián)網(wǎng)，其熱點已覆蓋重要交通樞紐、人氣商圈、各大高校、公共服務(wù)及休閑娛樂場所等。隨著2.4 GHz無線技術(shù)的發(fā)展，特別是智能手機和平板電腦等便攜WLAN設(shè)備越來越多，干擾問題也日益突出。2012年開放5.15～5.85 GHz作為新的WLAN頻段，新一代主流WLAN技術(shù)802.11ac將推動其成為WLAN主要工作頻段[1-4]。

作為無線上網(wǎng)的主要場所，建筑物內(nèi)WLAN的信道受具體環(huán)境的影響很大，建筑物結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)施隨用途不同而變化，在組建無線局域網(wǎng)時應(yīng)合理設(shè)計通信覆蓋范圍、減少通信盲區(qū)或電磁輻射的干擾及不良影響，因此，為有效利用無線局域網(wǎng)，需要深入分析和研究建筑物內(nèi)的信道傳輸特性[5-7]。根據(jù)無線局域網(wǎng)技術(shù)特點和建筑物內(nèi)的環(huán)境特征，基于電波傳播機制具體分析了無線信道傳播損耗模型與參數(shù)，指出了設(shè)計和應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

2 無線局域網(wǎng)技術(shù)及特點

無線局域網(wǎng)是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)（Wi-Fi)，工作于不必授權(quán)的ISM頻段中的2.4 GHz或5 GHz頻段且以無線方式構(gòu)成的局域網(wǎng)，利用射頻（RF）技術(shù)和簡單的存取架構(gòu)讓用戶接入Internet熱點AP（Access Point），隨時隨地獲取信息。使用無線網(wǎng)卡及無線訪問接入點，配合有線架構(gòu)在建筑物環(huán)境和移動空間中分享網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)備架設(shè)費用和系統(tǒng)復(fù)雜程度遠低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)。例如有線寬帶網(wǎng)絡(luò)(ADSL和光纖等）到戶后連接到AP，然后使用安裝有無線網(wǎng)卡的電腦和智能手機即可共享上網(wǎng)。用戶可在賓館、住宅、機場、圖書館以及咖啡廳等無線覆蓋區(qū)域內(nèi)快速瀏覽網(wǎng)頁、網(wǎng)絡(luò)游戲、收發(fā)電子郵件和音視頻下載等。Wi-Fi無線保真技術(shù)類似于藍牙技術(shù)，屬于主要在家庭、辦公室和商業(yè)區(qū)等建筑物中使用的短距離無線技術(shù)，但具有較大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率。無線AP作為無線用戶進入有線網(wǎng)絡(luò)的接入點，典型距離覆蓋幾十米至上百米，通過接入點客戶端模式可以和其他AP無線連接，延伸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

圖1 2.4 G頻段信道劃分

目前較成熟的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11b、802.11g和802.11a，其中11b、11g標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4 GHz頻段，如圖1所示。11a工作在5.15～5.825 GHz頻段。IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)采用OFDM、MIMO和聚合幀等技術(shù)，采用2.4 GHz和5 GHz雙頻帶，作為下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)，可以同時兼容802.11a/b/g，將傳輸速率提高到150～600 Mbps。

WLAN與有線網(wǎng)絡(luò)相比具有如下特點：①靈活性和移動性：無線局域網(wǎng)在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置都可以接入網(wǎng)絡(luò)，同時，用戶可以在移動中與網(wǎng)絡(luò)保持連接；②安裝便捷：無線局域網(wǎng)只要安裝一個或多個接入點設(shè)備，就可建立覆蓋整個區(qū)域的局域網(wǎng)絡(luò)；③易于規(guī)劃和調(diào)整：無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兎奖沆`活；④故障定位容易：無線網(wǎng)絡(luò)只需更換故障設(shè)備即可迅速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接；⑤易于擴展：無線局域網(wǎng)可以從幾個用戶的小型局域網(wǎng)通過節(jié)點間漫游擴展到擁有更多用戶的網(wǎng)絡(luò)。

無線局域網(wǎng)的不足之處主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①網(wǎng)絡(luò)性能易受環(huán)境影響：無線局域網(wǎng)依靠無線電波進行信息傳輸，空間中的建筑物、車輛、樹木、墻壁、家具、人體和其他障礙物都可能影響電磁波的傳播，產(chǎn)生路徑損耗和多徑衰落，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能；②無線信道的傳輸速率低于有線信道：目前適合于個人終端和小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；③易受內(nèi)部或外界干擾：對多AP網(wǎng)絡(luò)，同頻AP子網(wǎng)間存在重復(fù)區(qū)域時會互相干擾；④信息和健康安全：發(fā)射功率或覆蓋范圍過大容易被監(jiān)收從而造成信息泄漏，位置不當(dāng)會影響人體健康。

因此，建筑物內(nèi)無線局域網(wǎng)需要支持高速寬帶業(yè)務(wù)、解決不同類型環(huán)境的區(qū)域覆蓋、多徑衰落、子網(wǎng)串?dāng)_以及對人體和周邊環(huán)境的電磁輻射問題。建筑物內(nèi)無線局域網(wǎng)的主要組成結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主AP用于與外部互聯(lián)網(wǎng)連接并實現(xiàn)對室內(nèi)主要區(qū)域的覆蓋，其他2個AP用于對覆蓋區(qū)域在水平向（同樓層）和垂直向（不同樓層）擴展，滿足整個建筑物內(nèi)所有用戶的無線上網(wǎng)需求。

圖2 建筑物內(nèi)WLAN區(qū)域覆蓋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 建筑物內(nèi)環(huán)境及信道特性

無線局域網(wǎng)的基本特點是利用無線信號在開放空間進行信息傳輸，因此在建筑物內(nèi)構(gòu)建無線局域網(wǎng)需要分析建筑物及其內(nèi)部環(huán)境特點和信道特性，為無線局域網(wǎng)設(shè)計提供依據(jù)。

3.1 建筑物內(nèi)環(huán)境特征

建筑物內(nèi)無線局域網(wǎng)信道特性主要受建筑物結(jié)構(gòu)和設(shè)施的影響。建筑物是指用建筑材料構(gòu)筑的空間和實體并供人們居住和進行各種活動的場所。按用途分類有：①居住建筑：供家庭或個人居住使用的建筑，又可分為宿舍、普通住宅、高檔公寓和別墅；②公共建筑：供人們購物、辦公、學(xué)習(xí)、醫(yī)療、旅行和體育等使用的建筑，如辦公樓、商店、旅館、影劇院、體育館、展覽館和醫(yī)院等；③工業(yè)或農(nóng)業(yè)建筑：供工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用或直接為工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的建筑，如廠房、倉庫和養(yǎng)殖場等。

建筑結(jié)構(gòu)或材料是指建筑物中由承重構(gòu)件(基礎(chǔ)、墻體、柱、梁、樓板和屋架等)組成的體系，大致有：①磚木結(jié)構(gòu)建筑：這類建筑物的豎向承重構(gòu)件的墻體和柱采用磚砌，水平承重構(gòu)件的樓板，屋架采用木材，古代建筑和五六十年代的建筑多為此種結(jié)構(gòu)；②磚混結(jié)構(gòu)建筑：這類建筑物的豎向承重構(gòu)件采用磚墻或磚柱，水平承重構(gòu)件采用鋼筋混凝土樓板；③鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑：這類建筑物的承重構(gòu)件如梁、板、柱、墻和屋架等是由鋼筋和混凝土材料構(gòu)成，其圍護構(gòu)件如外墻和隔墻等由輕質(zhì)磚或其他砌體做成；④鋼結(jié)構(gòu)建筑：這類建筑物的主要承重構(gòu)件均是用鋼材構(gòu)成，多用于多層公共建筑或跨度大的建筑。

建筑物空間內(nèi)的設(shè)施主要由功能和用途而定，例如家庭居住建筑一般包括客廳、臥室、書房、廚房、餐廳和衛(wèi)生間，高檔公寓和別墅還可能包括健身房、娛樂室、育兒室和車庫等，相應(yīng)地確定了其空間結(jié)構(gòu)的劃分和家具的布設(shè)，進一步限定了人的活動及無線上網(wǎng)區(qū)域。在家庭居住面積較大且內(nèi)部空間分割較多時可采用一個主區(qū)域和多個無線AP形成擴展區(qū)覆蓋。公共建筑的用途不同其內(nèi)部設(shè)施種類多樣，一般具有空間范圍大、人員流動性強和局部區(qū)域密度大等特點。因此，在設(shè)計無線局域網(wǎng)時應(yīng)了解建筑物的設(shè)計圖、功能用途、結(jié)構(gòu)和設(shè)施等條件，根據(jù)實際情況進行信道特性的具體分析和測試。

3.2 建筑物內(nèi)信道特性

無線電波在空間的傳播機制一般包括直射、反射、繞射、散射、吸收和透射等方式，無線信號將產(chǎn)生傳播損耗、極化失配和多徑效應(yīng)，也可能因發(fā)射端、接收端或傳播介質(zhì)的移動產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。受傳播介質(zhì)的影響，WLAN信道特性隨時間、空間和頻率而呈現(xiàn)不同程度的變化，具體到建筑物內(nèi)，對室內(nèi)信道傳播影響的主要因素包括房頂、地板、墻體和家具、陳設(shè)物等設(shè)施或物品的反射、散射、繞射和透射傳播[5]。

直射（LOS）在建筑物內(nèi)一般發(fā)生在無分割或阻擋的空間，電波以自由空間傳播為主要特征，且損耗最小（走廊增強效應(yīng)除外）；反射是室內(nèi)無線局域網(wǎng)信道的重要傳播方式，因為在四周空間受限的建筑物內(nèi)，無線電信號必然要受到建筑物墻體和室內(nèi)各種物體的單次和多次反射，其中以一次反射為主，反射次數(shù)越多損耗越大[6]。在反射面平滑（如建筑物墻體、天花板和地面）的情況下，反射波的方向位于入射線和法線確定的平面內(nèi)且與入射波以法線為對稱；散射又分為面散射和體散射，面散射是當(dāng)反射面粗糙時反射波不再是向反射方向傳播而是向四周發(fā)散的現(xiàn)象，體散射是電波在傳播路徑上遇到與波長相差不多(如2.4 GHz頻率對應(yīng)波長為12.5 cm，5.2 GHz為5.77 cm)的物品時引起的向周圍的再輻射，散射可以把電波傳播到直射波達不到的區(qū)域，但散射信號微弱；繞射是電波遇到障礙物邊緣時改變方向的能力，在建筑物內(nèi)一般以刃形繞射為主，頻率越高繞射能力越??；透射則指電波穿透障礙物如墻體、地板向前傳播的現(xiàn)象，透射損耗一般較大且與障礙物的建筑材料或介電特性密切相關(guān)。

如圖3所示，某房間T點的無線接入發(fā)射設(shè)備與移動上網(wǎng)終端之間，在同一房間R1點為近距離直射路徑，此時其他路徑均可忽略；當(dāng)移動到另一房間R2點時，也存在較遠的直射路徑，具有較好的通視條件；當(dāng)移動至R3點時，則可能存在反射、繞射、散射和透射等多徑傳播，相比散射和繞射路徑，因路徑損耗相對較小，反射路徑可能為主，直射路徑受墻體遮擋并受到穿透衰減，若墻體為磚墻、空心墻或木質(zhì)隔板時，透射信號可能仍高于反射信號。

圖3 建筑物內(nèi)WLAN傳播路徑

無線信道特性與傳播頻段關(guān)系密切，一般規(guī)定2.4～2.4835 GHz頻段WLAN無線設(shè)備的等效全向輻射功率（EIRP）在天線增益小于10 dBi時不大于100 mW或20 dBm，當(dāng)天線增益大于10 dBi時不大于500 mW或27 dBm，而2.4 GHz接收機靈敏度為-85 dBm。因此，建筑物內(nèi)2.4頻段的WLAN其允許的最大信道損耗為105 dBm。國際電信聯(lián)盟無線電通信組在ITU-R P.1238報告[7]中給出了用于900～100 GHz頻率范圍建筑物內(nèi)無線通信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)規(guī)劃的傳播數(shù)據(jù)和預(yù)測方法，所推薦的室內(nèi)平均路徑損耗L的統(tǒng)計模型為：

式中：f為頻率，N為功率-距離損耗系數(shù)，d為發(fā)射端與接收端的距離（大于1m），Lf(n)為地板穿透損耗因子，n為發(fā)射端與接收端的地板數(shù)（n≥1）。室內(nèi)陰影衰落為對數(shù)正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差S(dB)及不同類型建筑物環(huán)境傳播損耗相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 典型建筑物傳播損耗相關(guān)參數(shù)

由表1看出，密集辦公區(qū)的傳播損耗要大于居住區(qū)，目前對商業(yè)區(qū)尚缺少充分的實測數(shù)據(jù)支持。WLAN兩個頻段和1.8～2 GHz頻段在居住建筑物（公寓）內(nèi)穿過單層地板時平均傳播損耗隨距離的變化情況，如圖4所示。2層或更多層地板時稍遠處的信號損耗將超過105 dBm（同時還應(yīng)考慮衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差），此時用戶將難以上網(wǎng)。參考900 MHz～2 GHz的測試結(jié)果，其一般特性為：具有大空間的建筑物環(huán)境如大型商場、室內(nèi)運動場和開放式的工廠或辦公區(qū)主要以視距分量或自由空間傳播為主，功率-距離損耗系數(shù)約為20；狹小的空間如密集的辦公建筑物內(nèi)部房間之間障礙物或穿墻傳播引起大的傳播損耗，功率-距離損耗系數(shù)可達約40；因走廊增強效應(yīng)，走廊內(nèi)的路徑損耗低于自由空間，功率-距離損耗系數(shù)約為18；隨頻率升高，繞射效應(yīng)減小，墻體和家具等設(shè)施引起的傳播損耗增大。

圖4 居住建筑物內(nèi)傳播損耗隨距離的變化

對于已知建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施的特定場景可進行確定性傳播損耗預(yù)測，基于一致性繞射理論（UTD）和射線跟蹤技術(shù)，考慮直射和單次或多次反射、繞射及散射等得出定量的傳播損耗值。

3.3 建筑物內(nèi)無線局域網(wǎng)設(shè)計方法

基于信道特性分析可知建筑物內(nèi)WLAN的設(shè)計原則和實施方法如下：

①分析建筑物無線傳播環(huán)境：建筑物體積、布局、建材及環(huán)境內(nèi)各種干擾源都是影響信號傳輸質(zhì)量的因素。將AP置于相對較高的位置可以有效地消除AP與無線終端之間固定或移動遮擋物的影響，從而擴大WLAN的覆蓋范圍；

②評估覆蓋類型和范圍：在空曠區(qū)域可以AP為中心用圓形和球形來劃分其覆蓋區(qū)域；而在規(guī)則的狹長或矩形建筑物內(nèi)可用條帶覆蓋。保證AP覆蓋區(qū)域無間隙且重疊區(qū)域最小，由于室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜性，必要時通過實地測量確定；

③優(yōu)先規(guī)劃高密度用戶區(qū)域：盡量使AP的可視面積最大且不要穿過太多的墻壁（尤其是鋼筋混凝土墻體），如果建筑物是2層或2層以上建筑，或者建筑物內(nèi)的間隔比較多，AP與WLAN終端之間超過兩道墻，則應(yīng)考慮安裝另一個AP；

④根據(jù)無線終端用戶數(shù)確定AP設(shè)置：無線AP的帶寬由所有接入無線終端共享，如果無線AP同時與較多的無線終端連接，那么每一臺無線終端所能分享得到的網(wǎng)絡(luò)帶寬就會變小，要估計無線AP的接入終端數(shù)目，保證用戶上網(wǎng)帶寬和速度；

⑤注意網(wǎng)絡(luò)安全性：通過科學(xué)合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，避免不必要地擴大覆蓋面積，以防止WLAN被非法使用或受到攻擊，防止頻道干擾并保持AP與用戶的安全距離。

4 結(jié)束語

利用線局域網(wǎng)通過移動智能終端無線上網(wǎng)已成為人們的重要生活方式，未來城鄉(xiāng)主要區(qū)域都將實現(xiàn)WLAN覆蓋。若使無線局域網(wǎng)在建筑物空間內(nèi)有效運行，需要對建筑物結(jié)構(gòu)和室內(nèi)設(shè)施環(huán)境進行分析，掌握其信道傳輸特性，合理設(shè)計通信覆蓋范圍、減少盲區(qū)或電磁輻射和干擾影響。根據(jù)無線局域網(wǎng)的技術(shù)要求和特點，具體分析了建筑物內(nèi)的環(huán)境特點和主要電波傳播機制，并結(jié)合ITU建議分析了信道傳播損耗模型及參數(shù)隨頻段的變化，指出了無線局域網(wǎng)設(shè)置和工程應(yīng)用中應(yīng)注意的主要原則和方法，可為建筑物內(nèi)的無線局域網(wǎng)設(shè)計和運行維護提供參考。

參考文獻

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Analysis on Characteristics of Wireless Local Area Networks Channel in Building

KANG Xin1,CAO Zhong-qing2
(1 Information and Communication College,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China;)
(2 National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao Shandong 266107,China)

With the rapid development of society?informatization,the Wireless Local Area Networks(WLAN)technology is increasingly popularizing.Used as the important places for intelligent terminals such as computers,mobile phones,televisions and so on to connect to wireless internet,the buildings have complicated and diverse internal structures and facilities.In order to reasonably design and apply WLAN,the characteristics of wireless channels in buildings should be deeply analyzed and understood.According to the characteristics of WLAN technology and the main environment features in buildings,the propagation loss data of wireless channels and the prediction model are analyzed in detail based on the radiowave propagation mechanisms,and the problems which should be concerned in engineering application are pointed out.

Wireless Local Area Networks(WLAN);building;channel;radiowave propagation;model

TN92

A

1008-1739（2014）10-62-3

定稿日期：2014-04-26