WLAN的无线传输技术及网络规划

市场研究公司Forward Concepts 2002年12月27日公布的一份调查报告指出，2002年全球无线局域网设备销售增长了100%以上，今后将继续增长。这篇研究报告预测，无线局域网设备市场将以每年43%的年增长率持续增长，到2006年市场规模将达到103亿美元的水平。由于无线局域网应用不断增加，对无线局域网无线传输技术及网络规划方法进行研究显得日益重要。

　　1 频率规划

　　基于IEEE 802.11b标准的无线局域网已成为无线数据通信的主流，其工作频段为2 400～2 483.5 MHz，总带宽为83.5 MHz。总带宽被划分成为14个子频道，每个子频道带宽为22 MHz。各国对各子频道的使用情况各不相同。

　　在多个频道同时工作的情况下，为保证频道之间不相互干扰，要求每两个频道的中心频率间隔不能低于25 MHz。在一个蜂窝区域内，只有1, 6,11号这3个频道是可以在同一区域同时工作的不重叠的频道(如图1所示)。利用这一特点，可以对无线局域网扩容，使之支持的数据速率能够达到33 Mbit/s。

　　在中国，根据国家无线电管理局有关规定，2.4 GHz频段被定为无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段。符合技术要求的各类无线电通信设备在2.4～2.4835 GHz频段内与无线电定位业务及工业、科学和医疗等非无线通信设备共用频率，均为主要业务。

　　2.4～2.4835 GHz频段无线电发射设备的主要技术指标为：

　　(1)等效全向辐射功率(EIRP)

　　天线增益＜10 dBi时，等效全向辐射功率≤100 mW或≤20 dBm。

　　天线增益≥10 dBi时，等效全向辐射功率≤500 mW或≤27 dBm。

　　(2)直接序列扩频最大功率谱密度

　　天线增益＜10 dBi时，直接序列扩频最大功率谱密度≤10 dBm/MHz。

　　天线增益≥10 dBi时，直接序列扩频最大功率谱密度≤17 dBm/MHz。

　　2 无线收发的关键技术

　　为了改善无线局域网络的性能，在WLAN的无线收发信机中需要采用扩频、功率控制与分集接收技术，在各种应用场合需要多种类型的收发天线进行覆盖。

　　(1)扩频技术

　　由于扩频技术具有抗定频干扰能力强、抗多径干扰能力强和保密性好的特点，IEEE 802.11标准确定了直扩和跳频两种扩频方式。由于直扩与跳频相比具有数据速率高、发送距离大等特点，IEEE 802.11b采用基于直扩的CCK(补码键控)编码方式，使得数据速率能够达到11 Mbit/s。根据IEEE 802.11标准的规定，采用直接序列扩频的方式时，扩频处理增益需要达到10 dB以上，而CCK的处理增益为11 dB，即使在出现重要噪声和多路干扰(如接收由某个建筑物内的多个无线反射导致的干扰)的情况下，接收方也能够正确地予以区别。

　　IEEE 802.11b规定在数据速率为5.5 Mbit/s时，使用CCK对每个载波进行4比特编码；速率为11 Mbit/s时，对每个载波进行8比特编码。

　　(2)功率控制与分集接收技术

　　无线局域网覆盖面不大的特殊要求使得无线局域网的射频发射功率要控制在一个适当的范围内，一般在30～150 mW之间。无线局域网采取功率控制技术来调节发射功率，并在接收通道采用自动增益控制电路来解决由于信号衰落带来的影响。一般采用基带信号控制的数控衰减器或采用控制放大器的偏置来控制发射功率和增益。

　　由于无线局域网终端处于移动状态，信号强弱变化很大，而无线传输信道的复杂性导致信号衰落变化也很剧烈，因此可以将相关性较小(即不同时发生质量恶化)的两个或两个以上的信号进行选择或合并，减轻由衰落所造成的影响，即采用分集接收技术。分集接收利用接收信号在空间、频率、极化等方面的差异实现。

　　(3)天线技术

　　无线局域网系列产品应用在各种场合，需要多种类型的收发天线，天线性能的好坏对无线局域网产品辐射性能、接收性能、传输速率以及网络覆盖等都有直接的影响。因此天线技术就成了决定无线局域网产品应用和推广，保证无线信道良好的一个关键技术和重要手段。适用于无线局域网的天线包括鞭状全向天线，平板天线、抛物面、八木等定向天线，用于终端设备的微带天线等。对于一个蜂窝小区内无法避免使用3个以上信道的情况，可以将一个小区分为多个扇区，用不同的扇区天线进行覆盖，或利用智能天线技术，自适应地将每一个(或每几个用户)用一个方向性很强的针状波束覆盖。

　　3 无线电波传输模型及应用

　　设发射机的输出功率为Pt，满足一定误码率情况下的接收机灵敏度为Pr0，空间路径衰耗为PL(d )，电缆及电缆接头的损耗为Ls，发射天线增益为Gt，接收天线增益为Gr，则接收机接收的功率电平Pr可用式(1)表示：

　　Pr=Pt+Gt-(d)-Ls+Gr (1)

　　对于室外环境，因为无线局域网小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间传播模型。2.4 GHz的自由空间电磁波的传播路径损耗符合式(2)反映的规律：

　　L0(dB)=92.4+20log(d)+20log(f) (2)

　　其中L0为自由空间损耗；d为传输距离，单位为km；f为工作频率，单位为GHz。

　　对于室内环境，选取衰减因子模型作为室内无线传播模型，可由式(3)表示：

　　 (3)
　　式中，一般取d0=1 m，当频率为2 450 MHz时，其值为40 dB；NMF表示基于测试的多楼层路径损耗指数，典型建筑物的路径损耗指数如表1所示。

　　如果预先设定最大发射功率为15 dBm，接收网卡天线增益为0 dBi，衰减因子为3.14，频率为2 450 MHz，则当无线网卡在各速率级别的接收灵敏度分别为-90 dBm(1 Mbit/s), -88 dBm(2 Mbit/s), -87 dBm(5.5 Mbit/s), -84 dBm(11 Mbit/s)，接入点(AP)天线增益分别为0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 dBi时，预留10 dB余量，室内环境与自由空间的覆盖范围如图2所示。从图2可见，室内环境与自由空间相比，覆盖范围会大大缩小。另外在不同的室内环境下覆盖情况相互间也会有很大的不同，因此在实际部署无线局域网时，必须充分考虑覆盖因素。

　　4 无线网络规划方法与步骤

　　无线网络规划的好坏，直接影响用户无线接入的效果。在发射机发射功率和天线增益一定的情况下，如果小区范围大，则不能很好地实现覆盖；如果小区过小，则会增加用户越区切换的次数，降低通信的效率。干扰源的存在也会大大降低通信的质量。如果没有好的规划方法，在工程上可能多花费很多力气，还不一定能达到满意的效果。

　　无线网络规划应当分为初步勘测、干扰探测、容量计算、频率规划、实地测试与调整优化等几个步骤：

　　(1)初步勘测了解包括室内的布局、建筑材料等，并且了解用户使用的情况，包括频繁使用的区域及人数，初步确定小区的大小、范围。

　　(2)干扰探测

　　实地测量需要组建无线局域网络的场地的干扰情况，如有干扰源存在，需及早考虑屏蔽措施。

　　(3)容量计算

　　根据特定的地形选择合适的电波传播模型及修正因子，并结合初步探测的一些数据，经过周密计算，确定每一个小区的范围、发射功率与天线等。

　　(4)频率规划

　　根据前面的分析我们知道，无线局域网采用的2.4 GHz频段共有3个不重叠信道(1，6，11号信道)，为了避免邻近小区的干扰，通常在频道选择上采用相邻小区使用不重叠信道的微蜂窝网络结构。

　　(5)实地测试与调整优化

　　安装完毕后要进行实地测试，确认能够达到预期的效果，并及时根据测得的具体情况进行调整与优化。

　　5 结束语

　　作为无线数据通信的重要技术，无线局域网的无线传输技术与网络规划无疑是研究开发中的关键因素。通过对无线传输与网络规划进行研究，可以尽可能消除盲点，实现良好的用户无线接入和越区切换，大大提高网络效率，带给用户最大程度上的方便。因此，在电信级大规模无线网络运营中，无线传输技术与网络规划的研究是无线网络建设重点。

　　参考文献：

　　[1] 朱近康. 未来移动通信的信号处理技术[J]. 中兴通讯技术, 2001, 7(S0):52?53.
　　[2] 侯自强. 移动电话的演化和移动无线互联网[J]. 中兴通讯技术, 2001, 7(5):36?38.
　　[3] IEEE Std 802.11 Committee. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications[S]. 1999.
　　[4] IEEE Std 802.11 Committee. Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band[S]. 2000.
　　[5] 郭峰, 刘乃安. 无线局域网[M]. 北京:电子工业出版社,1997.
　　[6] 吴蒙, 何朝霞, 杨宁健. 宽带城域网的无线接入[J]. 中兴通讯技术, 2002, 8(2):18?21.
　　[7] 陈如明. 中国宽带无线频率规划、频谱管理及相关策略考虑[J]. 中兴通讯技术， 2002, 8(6):1?6.
　　[8] 赵新胜, 尤肖虎. 未来移动通信系统中的无线资源管理[J]. 中兴通讯技术, 2002, 8(6):7?10.
　　[9] 刘元安. 宽带无线接入与无线局域网[M]. 北京:北京邮电大学出版社,2001.
　　[10] 刘建业, 蔡彤军. WLAN与WCDMA融合的解决方案[J]. 中兴通讯技术, 2002, 8(S0):41?44.
　　[11] 程健, 程时昕. 无线移动通信中的空时编码技术[J]. 中兴通讯技术, 2001, 7(3):22?26.
　　[12] 杜志敏, 闫志刚, 吴伟陵. 移动通信中的智能天线技术[J]. 中兴通讯技术, 2001, 7(3):10?15.

[摘要] 文章介绍了IEEE 802.11b标准采用的频段特点及中国有关部门对该频段的政策，描述了无线收发信机采用的扩频、功率控制与分集接收等技术，给出了无线局域网电波传输模型，最后结合无线局域网技术特点及室内电波传播方式，提出了无线局域网的网络规划方法与策略。

[关键词] 无线局域网；IEEE 802.11b标准；网络规划

[Abstract] Features of the frequency band described in the IEEE 802.11b standard for WLAN (Wireless Local Area Network) and government policies to the utilization of the specified frequency band are presented. Relevant technologies used in the WLAN transceiver are described, such as the spread spectrum, power control and diversity receiving technologies, and the transmission model of radio wave in WLAN is also provided. Concerning the technical features of WLAN and the indoor transmission of radio wave, the author suggests a practical method and tactics of network planning for WLAN.

[Keywords] WLAN; IEEE 802.11b standard; Network planning