無線局域網室外覆蓋路徑損耗計算分析及規劃布局建議

侯 群,高 立

(1.江漢大學物理信息工程學院,武漢 430056,2.華中科技大學光電系,武漢 430074)

1 引 言

從家庭、學校到電信運營商,無線局域網(WLAN)已經成為寬帶數據業務最主要的承載方式。目前,很多文獻對WLAN的空間信道衰落模型、鏈路預算及平衡、覆蓋模擬仿真等方面進行了研究。文獻[1]介紹了WLAN的物理層和相關技術標準;文獻[2,3]解釋了WLAN包含的IEEE 802.11a/b/g等幾種標準的主要頻率特性及技術特點;文獻[4]研究了WLAN在2.4GHz的高速數據傳輸原理;文獻[5,6]闡述了無線局域網的基本原理、技術與應用;文獻[7,8]分析了WLAN的幾種空間衰落模型;文獻[9]研究了2.4GHz無線局域網在室內外傳播的路徑損耗。這些文獻說明:WLAN的主要應用場景有室內分布、室內放裝和室外覆蓋等。室內覆蓋形式的優點是覆蓋好、信號穩定,但其不足是工程量大,費用大,周期長,尤其對于一些特定的場景如商業街、學校、廣場等區域的覆蓋則必須依靠室外覆蓋來解決。因此,對于WLAN無線傳播的研究分析就顯得尤為重要,WLAN空間信道衰落模型、鏈路預算及平衡、覆蓋模擬仿真等方面的研究將為WLAN室外覆蓋的規劃和優化提供指導依據。

本文對WLAN空間信道衰落模型在不同覆蓋情形下尤其針對密集市區覆蓋情形下的路徑損耗進行了計算分析,為WLAN的室外覆蓋規劃和優化提供了無線信號空間傳播衰落方面的依據。

2 WLAN標準的頻率特性及技術特點

WLAN目前主要包含有IEEE 802.11a/b/g幾種標準。其中,IEEE 802.11b/g主要用于無線接入點(Access Point,AP)和客戶端ST A(Station)之間的高速數據傳輸,IEEE 802.11a用于點與點之間的橋接等。IEEE 802.11b/g在美國開放1～11信道,中國和歐洲開放1～13信道,日本僅開放14信道。IEEE 802.11b/g工作頻段劃分參見圖1[3]。

圖1 IEEE 802.11b/g工作頻段劃分圖Fig.1 The frequency band division of IEEE802.11b/g

信道1在頻譜上和信道2、3、4、5都有交疊的地方,為了最大程度地利用頻段資源,可以使用1、6、11,2、7、12,3 、8、13,4、9、14 這 4 組互相不干擾的信道來進行無線覆蓋。由于只有部分國家開放了12～14信道頻段,所以一般情況下,都使用1、6、113個非重疊信道來進行頻率規劃。

在考慮室外覆蓋場景時,涉及到AP和STA之間的數據傳輸通信都是工作在2.4GHz頻段,因此后續的空間信道衰落等分析計算將主要考慮2.4GHz頻段的頻率特性。

3 WLAN信號空間傳播模型及分析

無線電波信號在自由空間的傳播損耗(Free Space Path Loss,FSPL)為

式(1)只能應用于自由空間或者無線環境很好,無反射、無散射、無衍射的條件下,對于有密集建筑物的中心城區,它計算出的路徑損耗大大偏小。

一個有效的傳播模型能很好地預測出傳播損耗,在無線通信領域,目前得到廣泛使用的傳播模型有Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等[4]。

COST231 Hata模型是 EURO-COST組成的COST工作委員會開發的Hata模型的擴展版本。IEEE 802.11b/g工作在2.4GHz頻段,傳播模型可使用如下COST231 Hata修正模型:

式(1)和式(2)中,f為工作頻率,單位為MHz;Ht為基站/AP天線有效高度,單位為m,定義為基站/AP天線實際海拔高度與天線傳播范圍內的平均海拔高度之差;Hr為終端/STA有效天線高度,單位為m,定義為終端/STA天線高出地表的高度;d為基站/AP天線和終端/STA天線之間的水平距離,單位為km;α(Hr)為有效天線修正因子,是覆蓋區大小的函數,其數值與所處的無線環境相關;Cm為修正因子,密集城區(Dense Urban)取值-3,一般城區(Urban)為 -6,郊區(Suburb)為 -12,農村(Rural)為-20。

WLAN室外覆蓋示意圖見圖2。

圖2 WLAN室外覆蓋示意圖Fig.2 Diagram of WLAN outdoor coverage

WLAN進行室外覆蓋及布站規劃需根據不同區域場景實施,可以設置新站點,也可以與原有的GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/PHS基站共站址。對于不同的AP高度Ht,其覆蓋情況會如何呢?信號能否覆蓋到底層的街道或者較遠處的不同樓層?下面進行不同AP高度 (Ht)、不同STA高度 (Hr)和不同距離d的空間傳播損耗計算,從而為WLAN基站布局及室外覆蓋提供路徑損耗方面的依據[5]。

圖3是AP天線高度Ht=50 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、30 m、45 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區的WLAN信號路徑損耗圖。

圖3 WLAN路徑損耗(密集城區,Ht=50 m,f=2.4GHz)Fig.3 WLAN path loss(Ht=50m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖4是AP天線高度Ht=30 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、25 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區的WLAN信號路徑損耗圖。

圖4 WLAN路徑損耗(密集城區,Ht=30m,f=2.4GHz)Fig.4 WLAN path loss(Ht=30m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖5是AP天線高度Ht=15 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、13 m,距離 d 從100～1500 m時,在密集城區的WLAN信號路徑損耗圖。

圖5 WLAN路徑損耗(密集城區,Ht=15 m,f=2.4GHz)Fig.5 WLAN path loss(Ht=15m,f=2.4GHz,Dense Urban)

圖6是AP天線高度Ht=30 m,STA高度Hr分別為1 m、10 m、25 m,距離 d從100～ 1500 m時,在郊區的WLAN信號路徑損耗圖。

圖6 WLAN路徑損耗(郊區,Ht=30 m,f=2.4GHz)Fig.6 WLAN Path Loss(Ht=30 m,f=2.4GHz,Suburb)

對比圖4和圖6可以看到:在密集城區,WLAN信號空間損耗明顯大于郊區,覆蓋范圍也將小于郊區。

從圖3～5可以看出:在密集城區,當AP天線高度一定時,WLAN空間路徑損耗隨著傳輸距離增加而逐漸增加,而隨著STA天線高度的增加而逐漸變小,說明WLAN實現室外覆蓋時,對街道或樓房底層的覆蓋將是最弱的;反過來說,如果街道或者樓房底層的信號電平滿足了覆蓋的要求,同一位置的較高樓層的信號電平在無阻擋時將是滿足覆蓋要求的。

在密集城區,如果WLAN系統在AP和STA之間的最大容忍路徑損耗為120dB,則系統覆蓋范圍將局限在300～500 m。如何布局基站/AP,將決定目的覆蓋區域的覆蓋效果和基站/AP的使用數量,這就對系統的布局規劃提出了更高的要求。可以通過AP的立體網布局來解決不同層次的覆蓋,或者提高系統可容忍的最高路徑損耗來緩解,對于后一種方案需要提高基站/AP的接收靈敏度或者增加塔放來增強系統上行(Uplink)的性能來實現。

4 WLAN室外覆蓋規劃建議

通過對以上數據的計算和分析,可為WLAN室外覆蓋規劃提供建議如下:

(1)將WLAN室外覆蓋系統可容忍最大路徑損耗值作為參考進行系統基站/AP的布局規劃,可進行立體網布局,低天線高度的AP負責街道、廣場和低樓層覆蓋,高天線高度的AP負責對較高樓層的覆蓋;

(2)為了擴大單AP的覆蓋范圍,考慮使用高功率、高接收靈敏度的AP/基站,同時考慮使用高增益的天線/智能天線或塔頂放大器來提高系統可容忍最大路徑損耗值,從而實現有效的WLAN信號覆蓋。

5 總 結

本文對目前廣泛使用的Okumura-Hata模型、COST231 Hata模型及Walfisch-Ikegami模型等進行了分析,選擇了修正的COST231 HATA無線信號傳播模型對WLAN路徑損耗進行了計算,并以圖表的形式描述了WLAN所在頻段(2.4GHz)的空間信道衰落特征。針對不同AP高度(Ht)、不同STA高度(Hr)和不同距離d進行了空間傳播損耗計算,給出了相應的信號路徑損耗圖,從而為WLAN基站布局及室外覆蓋提供了路徑損耗方面的依據。通過計算和分析,本文為WLAN的室外覆蓋場景應用提供了有價值的規劃布局建議。

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[2] IEEE STD 802.11a-1999(R2003),High-speed Physical Layer in the 5GHz Band[S].

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