建筑物內無線局域網信道特性分析

康欣 曹仲晴

（1 桂林電子科技大學信息與通信學院廣西桂林 541004）

（2 中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室山東青島 266107）

建筑物內無線局域網信道特性分析

康欣1曹仲晴2

（1 桂林電子科技大學信息與通信學院廣西桂林 541004）

（2 中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室山東青島 266107）

隨著社會信息化的快速發展，無線局域網通信技術日益普及。作為電腦、手機及電視等智能終端無線上網的重要場所，建筑物內部結構和設施復雜多樣，為了合理設計和利用無線局域網，需要深入分析和掌握建筑物內的無線信道特性。根據無線局域網技術特點和建筑物內主要環境特征，基于電波傳播機制，具體分析了無線信道傳播損耗數據及預測模型并指出了工程應用中應注意的問題。

無線局域網 建筑物 信道 電波傳播 模型

1 引言

社會信息化使移動互聯網以及智能終端如電腦、手機和電視的應用日益普及，通過無線上網獲取數據、語音和視頻等服務已成為個人、家庭和企業的重要交流方式，無線局域網（WLAN）面臨著強大的市場需求，一方面通過WLAN實現蜂窩網絡分流，支撐移動業務增長，另一方面標準組織、設備商及運營商正推動WLAN技術向著千兆寬帶邁進。因此，無線局域網將成為應用最廣泛的寬帶無線通信接入技術。

無線局域網的特點主要體現在：①可移動性，在網內任一地點都可實時上網；②組網靈活，可組成多種拓撲結構；③成本低，可節省大量費用。目前室內WLAN主要與無線接入系統、藍牙設備、無繩電話、點對點或點對多點擴頻通信系統等共享2.4～2.4835 GHz頻段。移動WLAN采用802.11b/g/n標準，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網，其熱點已覆蓋重要交通樞紐、人氣商圈、各大高校、公共服務及休閑娛樂場所等。隨著2.4 GHz無線技術的發展，特別是智能手機和平板電腦等便攜WLAN設備越來越多，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802.11ac將推動其成為WLAN主要工作頻段[1-4]。

作為無線上網的主要場所，建筑物內WLAN的信道受具體環境的影響很大，建筑物結構和室內設施隨用途不同而變化，在組建無線局域網時應合理設計通信覆蓋范圍、減少通信盲區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，需要深入分析和研究建筑物內的信道傳輸特性[5-7]。根據無線局域網技術特點和建筑物內的環境特征，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，指出了設計和應用中應注意的問題。

2 無線局域網技術及特點

無線局域網是基于IEEE802.11標準（Wi-Fi)，工作于不必授權的ISM頻段中的2.4 GHz或5 GHz頻段且以無線方式構成的局域網，利用射頻（RF）技術和簡單的存取架構讓用戶接入Internet熱點AP（Access Point），隨時隨地獲取信息。使用無線網卡及無線訪問接入點，配合有線架構在建筑物環境和移動空間中分享網絡資源，設備架設費用和系統復雜程度遠低于傳統的有線網絡。例如有線寬帶網絡(ADSL和光纖等）到戶后連接到AP，然后使用安裝有無線網卡的電腦和智能手機即可共享上網。用戶可在賓館、住宅、機場、圖書館以及咖啡廳等無線覆蓋區域內快速瀏覽網頁、網絡游戲、收發電子郵件和音視頻下載等。Wi-Fi無線保真技術類似于藍牙技術，屬于主要在家庭、辦公室和商業區等建筑物中使用的短距離無線技術，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絡的接入點，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，延伸網絡覆蓋范圍。

圖1 2.4 G頻段信道劃分

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

WLAN與有線網絡相比具有如下特點：①靈活性和移動性：無線局域網在信號覆蓋區域內的任何位置都可以接入網絡，同時，用戶可以在移動中與網絡保持連接；②安裝便捷：無線局域網只要安裝一個或多個接入點設備，就可建立覆蓋整個區域的局域網絡；③易于規劃和調整：無線局域網網絡拓撲的改變方便靈活；④故障定位容易：無線網絡只需更換故障設備即可迅速恢復網絡連接；⑤易于擴展：無線局域網可以從幾個用戶的小型局域網通過節點間漫游擴展到擁有更多用戶的網絡。

無線局域網的不足之處主要體現在以下幾個方面：①網絡性能易受環境影響：無線局域網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，產生路徑損耗和多徑衰落，從而影響網絡性能；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模網絡應用；③易受內部或外界干擾：對多AP網絡，同頻AP子網間存在重復區域時會互相干擾；④信息和健康安全：發射功率或覆蓋范圍過大容易被監收從而造成信息泄漏，位置不當會影響人體健康。

因此，建筑物內無線局域網需要支持高速寬帶業務、解決不同類型環境的區域覆蓋、多徑衰落、子網串擾以及對人體和周邊環境的電磁輻射問題。建筑物內無線局域網的主要組成結構，如圖2所示。主AP用于與外部互聯網連接并實現對室內主要區域的覆蓋，其他2個AP用于對覆蓋區域在水平向（同樓層）和垂直向（不同樓層）擴展，滿足整個建筑物內所有用戶的無線上網需求。

圖2 建筑物內WLAN區域覆蓋拓撲結構

3 建筑物內環境及信道特性

無線局域網的基本特點是利用無線信號在開放空間進行信息傳輸，因此在建筑物內構建無線局域網需要分析建筑物及其內部環境特點和信道特性，為無線局域網設計提供依據。

3.1 建筑物內環境特征

建筑物內無線局域網信道特性主要受建筑物結構和設施的影響。建筑物是指用建筑材料構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、學習、醫療、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、展覽館和醫院等；③工業或農業建筑：供工業或農業生產使用或直接為工業或農業生產服務的建筑，如廠房、倉庫和養殖場等。

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

建筑物空間內的設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，相應地確定了其空間結構的劃分和家具的布設，進一步限定了人的活動及無線上網區域。在家庭居住面積較大且內部空間分割較多時可采用一個主區域和多個無線AP形成擴展區覆蓋。公共建筑的用途不同其內部設施種類多樣，一般具有空間范圍大、人員流動性強和局部區域密度大等特點。因此，在設計無線局域網時應了解建筑物的設計圖、功能用途、結構和設施等條件，根據實際情況進行信道特性的具體分析和測試。

3.2 建筑物內信道特性

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，無線信號將產生傳播損耗、極化失配和多徑效應，也可能因發射端、接收端或傳播介質的移動產生多普勒效應。受傳播介質的影響，WLAN信道特性隨時間、空間和頻率而呈現不同程度的變化，具體到建筑物內，對室內信道傳播影響的主要因素包括房頂、地板、墻體和家具、陳設物等設施或物品的反射、散射、繞射和透射傳播[5]。

直射（LOS）在建筑物內一般發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?。ㄗ呃仍鰪娦猓?；反射是室內無線局域網信道的重要傳播方式，因為在四周空間受限的建筑物內，無線電信號必然要受到建筑物墻體和室內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散的現象，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，在建筑物內一般以刃形繞射為主，頻率越高繞射能力越?。煌干鋭t指電波穿透障礙物如墻體、地板向前傳播的現象，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。

如圖3所示，某房間T點的無線接入發射設備與移動上網終端之間，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、空心墻或木質隔板時，透射信號可能仍高于反射信號。

圖3 建筑物內WLAN傳播路徑

無線信道特性與傳播頻段關系密切，一般規定2.4～2.4835 GHz頻段WLAN無線設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2.4頻段的WLAN其允許的最大信道損耗為105 dBm。國際電信聯盟無線電通信組在ITU-R P.1238報告[7]中給出了用于900～100 GHz頻率范圍建筑物內無線通信系統和無線局域網規劃的傳播數據和預測方法，所推薦的室內平均路徑損耗L的統計模型為：

式中：f為頻率，N為功率-距離損耗系數，d為發射端與接收端的距離（大于1m），Lf(n)為地板穿透損耗因子，n為發射端與接收端的地板數（n≥1）。室內陰影衰落為對數正態分布，其標準差S(dB)及不同類型建筑物環境傳播損耗相關參數如表1所示。

表1 典型建筑物傳播損耗相關參數

由表1看出，密集辦公區的傳播損耗要大于居住區，目前對商業區尚缺少充分的實測數據支持。WLAN兩個頻段和1.8～2 GHz頻段在居住建筑物（公寓）內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（同時還應考慮衰落分布的標準差），此時用戶將難以上網。參考900 MHz～2 GHz的測試結果，其一般特性為：具有大空間的建筑物環境如大型商場、室內運動場和開放式的工廠或辦公區主要以視距分量或自由空間傳播為主，功率-距離損耗系數約為20；狹小的空間如密集的辦公建筑物內部房間之間障礙物或穿墻傳播引起大的傳播損耗，功率-距離損耗系數可達約40；因走廊增強效應，走廊內的路徑損耗低于自由空間，功率-距離損耗系數約為18；隨頻率升高，繞射效應減小，墻體和家具等設施引起的傳播損耗增大。

圖4 居住建筑物內傳播損耗隨距離的變化

對于已知建筑物內部結構和設施的特定場景可進行確定性傳播損耗預測，基于一致性繞射理論（UTD）和射線跟蹤技術，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 建筑物內無線局域網設計方法

基于信道特性分析可知建筑物內WLAN的設計原則和實施方法如下：

①分析建筑物無線傳播環境：建筑物體積、布局、建材及環境內各種干擾源都是影響信號傳輸質量的因素。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：在空曠區域可以AP為中心用圓形和球形來劃分其覆蓋區域；而在規則的狹長或矩形建筑物內可用條帶覆蓋。保證AP覆蓋區域無間隙且重疊區域最小，由于室內建筑結構和材料的復雜性，必要時通過實地測量確定；

③優先規劃高密度用戶區域：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，或者建筑物內的間隔比較多，AP與WLAN終端之間超過兩道墻，則應考慮安裝另一個AP；

④根據無線終端用戶數確定AP設置：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絡帶寬就會變小，要估計無線AP的接入終端數目，保證用戶上網帶寬和速度；

⑤注意網絡安全性：通過科學合理設置網絡覆蓋區域，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 結束語

利用線局域網通過移動智能終端無線上網已成為人們的重要生活方式，未來城鄉主要區域都將實現WLAN覆蓋。若使無線局域網在建筑物空間內有效運行，需要對建筑物結構和室內設施環境進行分析，掌握其信道傳輸特性，合理設計通信覆蓋范圍、減少盲區或電磁輻射和干擾影響。根據無線局域網的技術要求和特點，具體分析了建筑物內的環境特點和主要電波傳播機制，并結合ITU建議分析了信道傳播損耗模型及參數隨頻段的變化，指出了無線局域網設置和工程應用中應注意的主要原則和方法，可為建筑物內的無線局域網設計和運行維護提供參考。

參考文獻

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[2]段水福,歷曉華,段煉.無線局域網設計與實現[M].浙江:浙江大學出版社,2007.

[3]魯智勇,等.無線局域網及其對抗技術[M].北京:國防工業出版社,2006.

[4]郭淵博,楊奎武,張暢,等.無線局域網安全設計及實現[M].北京:國防工業出版社,2010.

[5]BERTONI H L.現代無線通信系統電波傳播[M].北京:電子工業出版社,2002.

[6]GIBSON T B,Jenn D C.Prediction and Measurement of Wall Insertion Loss[J].IEEE Trans Antennas Propagation,1999 (47):55-57.

[7]ITU-R P,1238-7.Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz[M]Geneva Switzerland:ITU-R,2012.

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