WLAN網絡設計中現場勘測與軟件仿真比較

劉子揚

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

WLAN網絡設計中現場勘測與軟件仿真比較

劉子揚

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100073）

在WLAN網絡部署中，有兩種可行的接入點規劃方案：一種是基于全部實際測量結果的手動部署方案，另一種是采用基于傳播模型仿真軟件工具進行模擬和部署設計。分析上述兩種方案的優勢和缺點，并利用現場實測數據進行對比和說明。通過比較，當設計規模比較大的WLAN網絡時，采用基于傳播模型仿真的方案具有較大優勢。

無線局域網；現場勘測；傳輸建模；軟件仿真

1 概述

近年來，無線局域網WLAN作為一種靈活的通信系統得到廣泛的部署和應用，成為高速無線數據傳輸的重要技術之一。無線局域網利用空口進行信息傳輸，可以大量減少有線接口的使用，并在覆蓋范圍內允許用戶移動位置，大大提升了用戶在各種場景下的使用體驗。

目前最常用的無線局域網是采用符合IEEE 802.11標準的系統［1］，該標準分成兩個主要層次：媒體接入控制層（medium access control layer，MAC）和物理層（physical layer， PHY）。這種分層方式不但可以在協議層面上對功能實現進行簡化，更重要的是可以在同一個協議標準中允許采用幾種不同的射頻（radio frequency，RF）傳輸技術。

無線信號室內傳輸在傳輸距離和環境復雜程度上與室外場景有很大的不同，室內無線環境的特點是傳輸功率較小、覆蓋距離更近、環境變動對網絡的影響較大。不同的建筑物，其室內布置、采用的材料、結構、尺寸和應用類型等不同，傳播環境也不同。即使在同一個建筑物內的不同位置，傳播環境也不盡相同，甚至差別很大。

對于一個小型無線網絡而言，根據設備制造商提供的覆蓋參數即可確定AP設備部署方案。但對于一個大規模網絡的部署，就需要一個更為可靠的過程來保證無線網絡的覆蓋和各項網絡性能指標（包括比特速率，網絡容量和干擾等）。一般來說，部署網絡有兩種方案：一是采用現場勘測的方式獲取大量的測試結果，通過對測試結果的分析，確定AP部署位置；二是利用基于傳播模型的軟件仿真結果，確定AP部署位置。本文首先對上述兩種方法進行詳細介紹，然后在第四章給出優劣分析和對比結果。

2 現場勘測

現場勘測使用裝有測試軟件的終端或者采用專門的wifi測試儀對已有WLAN網絡參數，包括覆蓋范圍、傳輸性能等進行實際測量，其首要目標是通過實際測量獲取足夠數據，確定AP設備的數目和部署配置，從而保證足夠的覆蓋能力。

勘測的基本過程主要由兩部分構成：首先將AP設備部署在臨時的位置上，可選用逐點部署或全網預部署的方式建立初始網絡；隨后采用現場勘測的方式測量WLAN覆蓋以及服務質量（QoS），根據測量的結果，對AP設備的位置以及配置進行相應調整，并且可能會增加新的AP設備，上述兩個過程不斷迭代并且最終形成一個合理的方案。

2.1 QoS和信號強度測量

根據ITU-T標準E.800［2］中的定義，服務質量是指“服務性能的集合，它決定了用戶的服務滿意度”。對數據的有效傳輸而言，最為關鍵的網絡參數是時延、吞吐量、時延抖動、帶寬以及丟包率，幾乎所有上述參數都主要依賴于接收信號強度。

吞吐量和時延是網絡性能的兩個基本參數，吞吐量是指從信源到信宿的數據傳輸量，而時延表示從發送數據到接收數據之間的延遲。抖動表示從A點到B點進行連續數據發送時，從B點觀測到的接收數據的時間變化，上述變化可能由于傳遞路徑變化、網絡擁塞或者處理時延造成。丟包率表示無法達到目的地址數據包的百分比。QoS參數需要在整個網絡中進行測量，包括網絡中的有線和無線節點。

需要特別指出的是，傳輸時延對于寬帶體驗是非常重要的，因為因特網采用傳輸控制協議（TCP）作為基本傳輸協議，協議要求數據包的接收者發送反饋消息。如果發送節點在一定的時間內沒有收到來自接收節點的反饋信息，發送節點會認為網絡處于擁塞狀態，因此會降低發送數據包的速率。

2.2 測量設備和方法

在工程項目的現場勘測中，通常會用到專業WLAN測量設備，這些專業設備專為無線局域網的掃描、分析和優化而設計，用以獲取基于IEEE 802.11標準的無線網絡的誤包率、多徑和接收信號強度指示（received signal strength indication，RSSI）信號的水平等多種網絡參數，并幫助用戶定位中心和鄰近的無線局域網接入點。此外，此類測量設備具有的帶內干擾信號測量和多徑信號分析功能有助于設計和優化WLAN無線網絡系統。

一般而言，只有具有相關專業背景和現場經驗的工程師才能進行復雜的現場勘測并對其結果進行合理分析利用。這不僅由于復雜的測試實施過程，還包括由于環境、網絡類型和發射天線的輻射特性等在時間和空間上的變化造成的測量不確定性，下一節將詳細討論這一問題。

2.3 測量的不確定性

下面通過一個簡單的實驗展示一些在現場勘測方法中應該考慮的問題。試驗中建立一個由兩個筆記本電腦構成的點對點連接（兩個電腦采用相同的無線網卡），兩臺筆記本電腦根據圖1中的位置進行部署，分別在同一個走廊的兩個辦公室中。

1號筆記本進行數據發送，2號筆記本通過工具軟件以間隔1 s對接收信號強度和信噪比進行測量和記錄，觀察周圍環境變化（門的開啟和關閉）和人員的移動給接收信號帶來的影響。

圖1 筆記本通信試驗仿真場景示意圖

首先在沒有人的情況下進行測量，辦公室的門分別進行打開和關閉，筆記本的位置進行了變化，用以觀察對接收信號強度的影響。在圖2中，可以明顯看出由于開關門造成的5 dB接收信號強度差。少數幾個信號峰值是由于在走廊上偶爾經過的人造成的。

圖2 不同情況下筆記本接收速率

當旋轉并移動筆記本的位置時，可以觀察到接收信號出現的明顯下降。當使用手持設備時，上述現象更加明顯，因為手持設備的握持方式以及是否被人體遮擋都會對接收信號的強度產生顯著的影響。

隨后，在相同的環境下，對走廊中有人走動情況下的接收信號強度進行測量。在沒有人情況下和有人走動情況下的接收信號強度對比如圖3所示，在有人走動的情況下，接收信號強度的均值比沒有人走動的情況下低了4.3 dB。

圖3 走廊中有人和無人情況下筆記本接收信號強度對比

當辦公室的門處于開啟狀態且走廊中有人走動時，信號接收強度直方圖如圖4所示，從圖4中可以看出接收信號的強度變化達到20 dB。在實際環境中，接收信號的強度變化情況將比上述簡單實驗展示的結果復雜的多。

圖4 接收信號強度分布示意圖

在室內現場勘測過程中，本實驗所反應的問題都應該列入考慮因素中。一個簡單的方法是將測量結果在空間、天線輻射角度等環境變量的維度上進行平均，但是這會導致測量過程的復雜程度和消耗時間都有所上升。

3 傳輸建模

與現場勘測相比，軟件仿真的方式在規劃部署無線網絡時具有很多優勢。仿真的方式通過驗證多組網絡參數配置并從中獲取最佳方案，因此仿真軟件在分析和優化網絡時需要有效的傳輸建模。在文獻［4］中總結了多種室內傳播的信道模型，上述模型可以粗略分為兩類：確定性模型和經驗模型。

3.1 確定性建模方法

確定或半確定性建模建立在電磁波物理傳播理論基礎上，例如射線追蹤模型是基于幾何光學的理論，通過簡化的方式將電磁波的傳播類比為光線的射線。

確定性模型的輸出結果是每個確定位置的信道衰落值。一個確定性模型預測的覆蓋結果如圖5所示，從圖5中可以看出模型考慮了衍射和走廊產生的波導效應。對于一個普通的網絡規劃而言，僅需要傳輸損耗這一參數就足夠了，然而進一步提高仿真精度會帶來巨大的開銷，仿真需要場景的細節（包括場景的3D模型，場景中遮擋物的電氣特性）參數往往都是很難獲取的。因此在實際的仿真過程中，往往很少使用確定性傳輸模型，這種模型更多的細節可以參考文獻［4］。

圖5 確定性模型室內接收信號強度仿真示意圖

3.2 經驗模型建模方法

經驗和半經驗模型主要基于對典型場景大量測量的統計分析結果，其中最具有代表性的模式是衰減因子模型（One-Slope model）和Multi-Wall模型，下文將詳細說明。

在軟件仿真中，由于傳輸預測結果是基于簡單的閉式表達式得到，因此經驗模型簡單易用，并且模型要求輸入的環境參數也較為容易獲得，但同時模型結果不帶有精確位置信息。

根據文獻［6］，無線信號傳輸損耗LTOT可以用下式來表示：

其中L（P）（dB）是只依賴于位置P的平均傳輸損耗，χ（dB）是服從均值為0的隨機衰落。經驗和半經驗模型可以用來估計平均路損值L（P），而在網絡規劃中需要將隨機衰落考慮為一個鏈路預算的衰落余量。

3.2.1 衰減因子模型

衰減因子模型［6］（One-Slope，1SM模型）是在沒有建筑結構詳細信息情況下計算平均信號衰落水平的方式。利用該模型計算的路損值的表達式是一個僅由發送機和接收機天線之間的距離作為參數構成的函數：

其中L0（dB）是傳輸距離為1 m時的無線信號的衰落參考值，n是作為斜率的功率衰減因子（路損指數），d（m）表示距離。針對不同的無線環境，L0和n的取值有所不同，表1給出一組上述經驗參數值。

從表1中可以看出，功率衰減因子n高度依賴于建筑的類型或者室內環境的結構，因此它對信號覆蓋具有決定的作用。一個典型使用衰減模型進行覆蓋預測的結果如圖6所示。

表1 功率衰減因子模型經驗參數表

圖6 功率衰減因子模型室內信號強度仿真示意圖

對比圖5和圖6，衰落因子模型預測時僅考慮信號水平隨著發射機和接收機之間的距離，而沒有考慮室內環境的實際結構，因此衰減因子模型僅提供粗略的估計（標準差往往大于10 dB）并且選擇合適的功率衰減因子n是十分關鍵的。

功率衰減因子n根據建筑的類型以及室內環境而變化。在自由空間中，路徑衰減與距離的平方成正比，即衰減因子為2；在建筑物內，距離對路徑損耗的影響將明顯大于自由空間，對于全開放環境下的n的取值為2～2.5，半開放環境下n取2.5～3，封閉環境下n取3～3.5。模型在墻壁和障礙物分布均勻的環境下的預測結果最為準確。

盡管功率衰減模型對于經驗參數的使用依賴性較強，但是在沒有室內環境信息的情況下或者當需要在短期內給出一個初步設計時，該模型提供了一個有效的工具。

3.2.2 Multi-Wall模型

半經驗類型的Multi-Wall（MWM）模型［6］提供比功率衰減模型更加精確的仿真效果。仿真結果帶有具體位置信息，但需要將網絡部署環境的平面圖作為參數進行輸入。

MWM模型的基本思想如圖7所示，發射機和接收機之間的路損值定義如下。

圖7 MWM模型建模原理示意圖

其中LFSL（dB）表示發射機和接收機天線距離為d（m）的自由空間傳輸損耗，kwi是指發射機和接收機天線之間第i種類型的墻的數目，kwi（dB）是第i種類型的墻的衰減因子，N表示墻的種類，kf表示發送機和接收機之間的樓層數，Lf表示樓層之間的衰減因子。由于本文中涉及的路損計算是同一樓層的場景，因此在公式中對樓層衰減的計算進行了簡化，詳細的樓層衰減分析可以參考文獻［14］。

如圖8所示，采用MWM模型進行覆蓋預測的結果，MWM模型可以歸屬為定點模型，因為其在預測過程中考慮了穿墻的影響。然而，MWM只包含了發射機和接收機直線距離上的墻壁以及障礙物產生的衰落，而沒有在建模中考慮反射和衍射效應，因此在一些區域模型預測的結果是不準確的。例如在圖中無法觀察到路損值由于樓道產生的波導效應。

圖8 MWM模型室內信號強度仿真示意圖

為了得到準確的預測，必須使用合適的穿墻衰落因子這一經驗參數。這一參數并不是電磁波穿過墻壁的物理衰落值，而是通過反復測試得到的統計值。這意味著即使接收機在一面金屬墻壁后面，穿墻衰落因子的值也不是無限大，盡管金屬可以完全反射電磁波的能量。在實際場景中，電磁波可以通過反射、衍射和散射的方式繞過金屬墻壁進行傳播，而在MWM模型中僅僅考慮的跨越在發射機和接收機之間直線上的墻壁和障礙物。

盡管存在各種各樣的墻壁材料，但是由于穿墻衰落因子的統計特性，在MWM模型中僅僅定義了少數幾種墻壁類型。當然更多的墻壁類型（金屬墻，玻璃墻等）可以在實際應用中引入或者軟件仿真工具中引入。MWM模型的一些經驗參數如表2所示。

表2 MWM模型經驗穿墻衰落參數

4 現場勘測與傳輸建模比較

在第二章和第三章中，本文分別詳細介紹了通過現場勘測和傳輸建模兩種方式進行無線局域網進行設計的方法，下面對兩種方法在實際應用時的優缺點進行對比和分析。

在現場勘測方法中，空間和時間的變化（包括門窗的位置，人員是否出現在測量的場景中等）以及測量設備的方向會大大影響測量的結果。上述原因會導致整個現場勘測的過程需要多次測量取平均來完成，從而大大增加了部署的時間。因此，現場勘測的方式具有如下的優缺點。

1）優點

通過現場勘測方式，可以獲得包括覆蓋范圍在內的多種真實的網絡性能。

2）缺點

*非常耗時（實施成本高）。

*通常在測量位置較少的情況下是可行的，但無法對整個部署場景進行地毯式的測量。

*由于測量環境在空間和時間上變化以及真實情況中的通信業務存在負載波動，測量結果在沒有經過經驗豐富人員處理的情況下可能會導致網絡規劃出現明顯的失誤。

*由于測量過程中帶有的實驗性質，無法保證最終部署的方案是最優的結果。AP部署方案的質量直接與設計者的技能和經驗相關。冗余部署或者遺漏部署AP設備會帶來更高的代價。

對于基于傳輸建模的WLAN網絡設計方法，目前有許多工具軟件可以在給定的場景下自動給出最優的AP部署數量和位置，這些工具不需要操作的用戶具備相應的專業知識以及現場勘查方法所需的硬件設施，該方法的優缺點總結如下。

1）優點

*可以在滿足整個場景覆蓋和考慮其他參數（干擾、頻率規劃、鄰層覆蓋等）因素的前提下快速靈活的試驗各種網絡部署方案。

*傳播模型僅需要輸入少量參數即可，可以在不用親臨現場的條件下進行網絡成本估算并給出WLAN規劃方案。

*基于傳播建模的網絡規劃軟件具有簡單易用的特點，可以幫助一個在這方面沒有多少經驗的人設計一個無線局域網，并且可以自動完成多數設計工作。

*采用傳播模型的軟件仿真方法具有輔助設計的性質，它提供了一種有效方法來獲得最佳的網絡部署方案，可以顯著降低設計成本并獲得良好的網絡性能。

2）缺點

*在某些復雜的場景中，由傳播模型仿真的結果如果不經過相關專業的人員處理，其準確性會大大降低。

*采用基于傳播建模的方法時，實際網絡性能需要在網絡部署后通過實際勘測進行確認，因為在建模中無法對鄰近網絡或者其他干擾源產生的干擾進行完全的模擬。

綜上分析，通過軟件分析的方式相比于現場勘測，可以在保證精度的情況下大大降低設計難度，節省設計過程所需的時間，從而具備較大的優勢。

5 結束語

本文對設計大型無線局域網的兩種主要方式：現場勘測和軟件規劃進行了說明和比較。文中采用簡單試驗的方式對現場勘測方案由于環境在時間和空間的變化產生的缺陷進行了分析，并且對常用的傳輸模型以及使用進行了簡單概述。本文對上述兩種設計方法的優勢和缺點都進行了討論，其結果是基于傳播模型的網絡規劃方案具有較大優勢，能夠在大型無線局域網設計中快速提供優良的解決方案。

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There are two possible ways to plan access points in the WLAN network deployment， including manual deployment based on onsite actual measurement and simulation deployment based on the propagation model simulation software. The paper analyzes both advantages and disadvantages of the two methods with onsite actual measurement data. By comparison， the simulation method is recognized as a highly preferable approach for the designs of large WLAN networks.

wireless LAN； onsite survey； propagation modeling； software simulation

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.06.014

2014-09-23）