張建偉

(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

基金項(xiàng)目:寶雞市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助項(xiàng)目(2013R1-5)；寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK2017002)

0 引 言

數(shù)字無線校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的全過程包括前期調(diào)研、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、工程實(shí)施和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等階段，規(guī)劃是整個(gè)數(shù)字無線校園建設(shè)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃基本決定了網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)的合理性以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋的效果[1]。

1 總體目標(biāo)

數(shù)字無線校園網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)是為了解決目標(biāo)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需要在了解WiFi網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全面了解相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要特性，在有限的資源條件下，最大限度地提高WiFi網(wǎng)絡(luò)的整體性能，給用戶(學(xué)校師生員工)提供最佳的使用體驗(yàn)。

良好的用戶體驗(yàn)，在數(shù)字無線校園網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)時(shí)需要制訂如下目標(biāo)[2]：

(1)能夠同時(shí)承載語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并且語音業(yè)務(wù)用戶感知接近或者達(dá)到傳統(tǒng)移動(dòng)通信的水平。

(2)具有管理方便，認(rèn)證、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和有線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，能夠無縫互聯(lián)。

(3)具有可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求隨時(shí)擴(kuò)展，方便擴(kuò)展。

(4)具有較高的安全性，能夠有效防護(hù)和對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的入侵。

(5)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，沿用國際通用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的選型也要做到兼容、通用和性能指標(biāo)一致。

2 指導(dǎo)原則

區(qū)域數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)應(yīng)該以需求為導(dǎo)向，分階段、有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行。數(shù)字無線校園建設(shè)初期應(yīng)該以覆蓋為主，兼顧容量。隨著市場(chǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)接入需求較為集中的區(qū)域，逐步提升覆蓋質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)容量，要做到網(wǎng)絡(luò)安全、可靠，能夠切實(shí)滿足用戶的使用需求。

作為數(shù)字無線校園，該數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)需要具備實(shí)用性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性、可用性、易管性、標(biāo)準(zhǔn)化、先進(jìn)性以及高性能這十大技術(shù)要素，各技術(shù)要素的要求如下：

實(shí)用性：實(shí)用優(yōu)先，面向應(yīng)用、注重實(shí)效，時(shí)刻貼近需求，適度超前。

穩(wěn)定性：高可靠性，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須合理，備份策略可靠，故障自愈能力[3]。

擴(kuò)展性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品系統(tǒng)、系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)處理能力等方面必須具有升級(jí)換代的可能。

移動(dòng)性：順利、持續(xù)地保持與高速運(yùn)動(dòng)用戶的連接，完成不同區(qū)域間的服務(wù)切換。

安全性：高度的保密機(jī)制，靈活的權(quán)限設(shè)定和控制機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸需要良好的保護(hù)機(jī)制及安全策略。

可用性：支持多種應(yīng)用，提供強(qiáng)大的保障機(jī)制。

易管性：實(shí)施集中監(jiān)測(cè)，分權(quán)管理，統(tǒng)一分配資源，及時(shí)的故障報(bào)警和日志，設(shè)備都支持遠(yuǎn)程管理。

標(biāo)準(zhǔn)化：支持國際通用標(biāo)準(zhǔn)，保證全網(wǎng)設(shè)備的互通性能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)投資實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)。

先進(jìn)性：采用先進(jìn)成熟的技術(shù)、方法和產(chǎn)品，能代表當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)水平，能支持未來技術(shù)升級(jí)。

高性能：企業(yè)級(jí)信息運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，高性能產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠，結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，滿足業(yè)務(wù)承載的要求。

3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)是由網(wǎng)絡(luò)覆蓋、系統(tǒng)容量和信號(hào)質(zhì)量3個(gè)因素組成。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說，網(wǎng)路覆蓋越廣，運(yùn)營(yíng)服務(wù)范圍也越大；系統(tǒng)容量越大，能夠承載的用戶越多，預(yù)期收益也會(huì)越大；信號(hào)質(zhì)量越好，用戶滿意度才會(huì)越高。數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方案應(yīng)該是從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、系統(tǒng)容量和信號(hào)質(zhì)量這3個(gè)方面著手，在經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上做到這3個(gè)因素的平衡，才能使運(yùn)營(yíng)商的有限投入產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

校園數(shù)字無線校園網(wǎng)應(yīng)該是在規(guī)劃方案指導(dǎo)下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，圍繞數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、系統(tǒng)容量和信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[4]25-52中提到的開展數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)的方案規(guī)劃，其中包括覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、頻率規(guī)劃。

3.1 覆蓋規(guī)劃

無線電波在自由空間傳播時(shí)，有路徑損耗、快衰落損耗和慢衰落損耗，也有陰影效益和遠(yuǎn)近效益。路徑損耗服從自由空間傳播模型，快衰落遵從瑞利分布，慢衰落服從正態(tài)分布。

室外場(chǎng)景，采用自由空間傳播模型[5]，計(jì)算點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者混合型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的鏈路損耗。自由空間的傳播損耗可定義為發(fā)射點(diǎn)的有效發(fā)射功率和接收點(diǎn)的接收功率比值，表達(dá)式如下：

(1)

式中：L為自由空間傳播損耗，dB；Pt為發(fā)射點(diǎn)的有效發(fā)射功率；Pr為接收點(diǎn)的接收功率。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論計(jì)算得出自由空間傳播損耗只受傳播距離和工作頻率影響，具體公式如下：

L=32.45+20lgd+20lgf

(2)

式中：d為自傳播距離，m；f為工作頻率，Hz。

對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景，存在直射、反射、繞射和散射4種方式。室內(nèi)環(huán)境影響電磁波傳播的因素更多，如傳播空間的開闊程度、障礙物的結(jié)構(gòu)尺寸和材料的不同，對(duì)電磁波的傳播損耗數(shù)值也有很大的差異。

對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)景中電磁波的傳輸損耗，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式法。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)傳播模型進(jìn)行修正，得出最切合室內(nèi)實(shí)際使用環(huán)境的信道模型，修正后的室內(nèi)傳播模型如下：

(3)

式中：R為發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離，m；nf為發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間電磁波所穿透的樓層數(shù)。

對(duì)比可知，室內(nèi)環(huán)境下，由于空間障礙物較多，導(dǎo)致室內(nèi)空間的鏈路損耗要大于室外自由空間的傳播損耗。

3.2 容量規(guī)劃

數(shù)字無線校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量測(cè)算需要依據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域的人口總數(shù)、各運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)用戶滲透率、WiFi網(wǎng)絡(luò)的使用率、用戶數(shù)據(jù)需求的并發(fā)率以及單用戶數(shù)據(jù)需求帶寬加權(quán)得來，通常WiFi網(wǎng)絡(luò)容量按照以下算法[6]進(jìn)行測(cè)算：

WiFi網(wǎng)絡(luò)容量=熱點(diǎn)區(qū)域人口總數(shù)×用戶滲透率×WiFi使用率×并發(fā)率×帶寬

得出WiFi網(wǎng)絡(luò)容量之后，可以測(cè)算出該場(chǎng)景所需的WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量。根據(jù)WiFi網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋場(chǎng)景以及該場(chǎng)景中采用的AP型號(hào)、單個(gè)AP數(shù)據(jù)承載能力(吞吐量)，得出該區(qū)域所需的AP設(shè)備數(shù)。根據(jù)AP分布情況，可得出擬選用合適交換機(jī)的型號(hào)和數(shù)量以及對(duì)傳輸帶寬需求。

熱點(diǎn)區(qū)域AP設(shè)備的型號(hào)和需求數(shù)量需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)容量需求，要在經(jīng)濟(jì)可行的前提下滿足這兩方面的需求。從覆蓋上考慮，該區(qū)域AP數(shù)量是該區(qū)域面積和單AP有效覆蓋面積的比值；從容量上考慮，熱點(diǎn)區(qū)域的AP數(shù)量是熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量和單AP實(shí)際吞吐量的比值。

當(dāng)前基于IEEE802.11b技術(shù)的單個(gè)AP吞吐量工程值為6 Mbps，IEEE802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)下吞吐量為30 Mbps，IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)下吞吐量為90 Mbps[7]。通常單用戶帶寬設(shè)定在512 kbps到1 Mbps之間,這樣即不會(huì)浪費(fèi)資源也不影響用戶感知，據(jù)此可以推算單AP承載用戶數(shù)。

在實(shí)際工程中，對(duì)于單AP承載用戶數(shù)的估算，一般經(jīng)驗(yàn)值為：基于IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)AP設(shè)備，可按照單戶帶寬1 Mbps速率，每個(gè)AP設(shè)備能同時(shí)支持10～15個(gè)用戶同時(shí)接入?；贗EEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)AP，每個(gè)AP設(shè)備能同時(shí)支持20～25個(gè)用戶同時(shí)接入。

3.3 頻率規(guī)劃

數(shù)字無線校園網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)一樣，在有限的頻譜資源下，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，也要采用蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，采取有效的頻率復(fù)用方式提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量。因此，合理的頻率規(guī)劃是降低頻率干擾，提升AP性能指標(biāo)的重要措施。

1)2.4 G頻段頻率規(guī)劃

IEEE802.11g兼容了IEEE802.11b的標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4～2.483 GHz頻段，帶寬為83.5 MHz，按照各信道中心頻率以5 MHz的間隔分布，可劃分為13個(gè)信道[8]，每個(gè)信道帶寬為22 MHz，信道的標(biāo)號(hào)及所用中心頻率情況如表1所示。

頻率規(guī)劃時(shí)需要注意，相鄰小區(qū)的AP使用的頻率設(shè)定在不重疊的信道上。實(shí)際工程中，為保證各AP使用的頻道互不干擾，要求頻道之間中心頻率間隔不能低于25 MHz，按照這一要求推算，在一個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)，采用直序擴(kuò)頻技術(shù)，2.4 GHz頻段中最多可容許3個(gè)不重疊的頻道同時(shí)工作。

無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段頻道劃分圖如圖1所示。

表1 無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段信道分配表

圖1 無線校園網(wǎng)2.4 GHz頻段信道劃分圖

在實(shí)際工程規(guī)劃建設(shè)中，各AP使用的頻點(diǎn)設(shè)定原則[9]如下。

優(yōu)先建議使用1、6、11頻點(diǎn)進(jìn)行蜂窩組網(wǎng)，若AP設(shè)備雜散干擾指標(biāo)較差，可采用頻點(diǎn)間隔相對(duì)較大的1、7、13頻點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。如果目標(biāo)區(qū)域容量需求很高，可采用1、5、9、13四個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行復(fù)用。在容量極高區(qū)域，可采用1、3、6、8、11、13頻點(diǎn)的緊湊復(fù)用，提高區(qū)域內(nèi)的承載容量。

在一些有特殊要求的場(chǎng)合，也可以將所有AP配置為相同頻點(diǎn)，各AP既是熱點(diǎn)又是中繼路由器，也能簡(jiǎn)單擴(kuò)大覆蓋范圍。

由于2.4 GHz頻段屬于公共頻段，工作在該頻段的熱點(diǎn)AP首先需要面對(duì)的就是干擾問題，其中:來自于相鄰小區(qū)間的鄰道干擾和相隔小區(qū)間的干擾稱之為同頻干擾；來自于其他運(yùn)營(yíng)商的WiFi網(wǎng)絡(luò)間的干擾稱之為系統(tǒng)間干擾；來自藍(lán)牙技術(shù)、無線電話、無線USB等其他工作于2.4 GHz頻段設(shè)備的干擾稱之為其他系統(tǒng)間的干擾。

系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾都是WiFi技術(shù)體制內(nèi)的干擾，因此合并為同一類型干擾，也即WiFi系統(tǒng)內(nèi)干擾?；谔炀€的波束形成技術(shù)是一種新開發(fā)的技術(shù)，也稱之為自適應(yīng)天線陣列技術(shù)，能根據(jù)無線終端的需求，改變由AP發(fā)出的射頻能量的形態(tài)和方向，干擾出現(xiàn)時(shí)，動(dòng)態(tài)波束自動(dòng)繞過周圍的干擾。

IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在物理層綜合采用了OFDM+MIMO技術(shù)和智能天線技術(shù)。在MAC層采用了優(yōu)化技術(shù)，較好地解決了多徑衰落問題，不僅提高了信道容量，減少了噪聲干擾，還增加了WiFi的覆蓋范圍。

目前多數(shù)廠家已經(jīng)能夠大批量的提供基于IEEE802.11n的無線產(chǎn)品，這也為我國數(shù)字無線校園的建設(shè)提供了有益的支撐。

IEEE802.11ac技術(shù)基于IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，使用2.4 GHz頻段。在該頻段工作時(shí)，由于采用了40 MHz的信道帶寬，數(shù)據(jù)速率可以提高兩倍以上，但是干擾也增加了，可規(guī)劃的信道也相對(duì)減少[10]。

2)5.8 G頻段頻率規(guī)劃

在我國IEEE802.11a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用5.8 GHz頻點(diǎn)，工作頻率范圍為5 725～5 850 MHz，總計(jì)帶寬為125 MHz，可以劃分為5個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為20 MHz。

5.8 GHz頻段的信道標(biāo)號(hào)和所使用中心頻率如表2所示。

表2 無線校園網(wǎng)5.8 GHz頻段信道分配表

以上5個(gè)信道都是可用信道，但是當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備只支持在149、153、157、161這4個(gè)信道上工作。

5.8 GHz頻段信道劃分及配置如圖2所示。

圖2 無線校園網(wǎng)5.8GHz頻段信道劃分圖

IEEE802.11n以及基于該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來的IEEE802.11ac也可以使用5.8 GHz頻段。相比2.4 GHz頻段，該頻段相對(duì)純凈，干擾源少，但由于該頻段使用較高頻率，空間鏈路損耗也相對(duì)較大[11]。因此，該頻段的覆蓋范圍比使用2.4 GHz頻段要小。

3)2.4 G和5.8 G頻段混合式頻率規(guī)劃

當(dāng)前很多設(shè)備能夠同時(shí)支持IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.11n以及IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)同樣兼容IEEE802.11a/b/g)。因此，在容量需求較大、干擾也較多的熱點(diǎn)區(qū)域，在頻段規(guī)劃時(shí)，可同時(shí)使用2.4 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻段混合式覆蓋，以滿足用戶接入的質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)速率的需求。

在實(shí)際工程中，無線校園網(wǎng)在2.4 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻段混合組網(wǎng)時(shí)，蜂窩網(wǎng)的信道配置建議如圖3所示。

圖3 無線校園網(wǎng)2.4 GHz和5.8 GHz頻段混合組網(wǎng)頻點(diǎn)配置示意圖

由于2.4 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻段使用的頻點(diǎn)不同，實(shí)際組網(wǎng)中，根據(jù)兩個(gè)頻段的不同特性，可采用兩個(gè)頻段獨(dú)立分區(qū)域部署的方式。其方案是利用5.8 GHz頻段的熱點(diǎn)AP集中部署，以解決容量需求，利用2.4 GHz頻段的熱點(diǎn)AP分散部署的方式解決覆蓋需求[12]。

4 結(jié)束語

本文從覆蓋、容量、頻率3個(gè)角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行了分析，給出了具體的部署方案，對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)搭建具有一定的指導(dǎo)意義。此外，由于WiFi特殊的網(wǎng)絡(luò)特性，在安全保護(hù)的內(nèi)容上也有其特殊性。在區(qū)域數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)時(shí)，必須提前考慮到網(wǎng)絡(luò)安全問題，網(wǎng)絡(luò)安全是網(wǎng)絡(luò)所有應(yīng)用開展的基礎(chǔ)，更是重要保障。主要包括4個(gè)核心方面內(nèi)容：機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性和可用性。WiFi網(wǎng)絡(luò)的機(jī)密性是要求網(wǎng)絡(luò)具有識(shí)別通信實(shí)體合法性的功能，只有合法的實(shí)體才能獲得有效的數(shù)據(jù)，才能確保敏感信息傳輸?shù)谋Ｃ?。WiFi網(wǎng)絡(luò)的完整性要求數(shù)據(jù)在傳輸過程中保持?jǐn)?shù)據(jù)完整，且不被非法篡改。WiFi網(wǎng)絡(luò)的可認(rèn)證性包括實(shí)體認(rèn)證和數(shù)據(jù)源認(rèn)證，實(shí)體認(rèn)證確定通信實(shí)體的合法身份，數(shù)據(jù)源認(rèn)證確保接收方能驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自合法的實(shí)體，接收消息的可信。WiFi網(wǎng)絡(luò)的可用性是系統(tǒng)應(yīng)該能具備阻止攻擊的能力，能確保合法用戶正常使用整個(gè)系統(tǒng)。