校园WLAN覆盖设计探讨

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0 前言

随着现代信息技术的高速发展，“随时随地获取信息”已成为校园师生们的新需求。传统的有线校园网存在固定点、容量等诸多盲点，图书馆、会议室、体育馆等有限的网络布线点已成为师生们获取信息的瓶颈，越来越制约着校园师生的信息获取。如何突破教室、实验室、会议室等公共场所网络节点限制、实现多人同时上网的难题急待解决。

随着IEEE 802.11无线局域网（WLAN）技术标准的不断推出，以及基于这些标准的无线产品的出现，WLAN的应用和普及已发展到了一个新阶段。基于WLAN的无线网络构建已成为组建无线校园网的主流技术，是有线校园网网络延伸的重要手段之一，能为师生提供高效、方便的网络接入，及时、便捷地获取不断更新的信息。

校园WLAN的建设涉及无线信号覆盖、频率规划、网络容量、上行带宽、上行接入方式等多方面的内容。本文仅针对校园无线信号覆盖进行探讨。

1 覆盖指标

WLAN网络的覆盖指标见表1。

2 链路预算

WLAN小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间传播模型。2.4 GHz自由空间电磁波的传播路径损耗符合公式（1）。

L1=32.45+20lg d+20lg f （1）

式中：

L1——自由空间传播损耗（dB）

d——传输距离（km）

f ——工作频率（GHz）

通常，无线接入系统根据上、下行链路预算结果确定无线设备天线的覆盖半径。在WLAN系统中，由于用户端的发射功率低，覆盖半径很难确定，AP设备布放靠近用户端，其发射功率有限。因而WLAN的市场定位并非连续的全覆盖，在室外环境中主要根据下行链路预算结果来确定AP的最大覆盖半径。

根据天线ANT的发射功率、用户终端接收信号强度、阻挡物的穿透损耗等计算出信号自由空间传播损耗（见式（2））。

L1=P-E-L2-L3 （2）

式中：

L1——自由空间传播损耗（dB）

P——天线ANT的发射功率（dBm）

E——边缘点的信号强度（dBm）

L2——室内传播时阻挡物的穿透损耗（dB）

L3——快衰落及人为噪声引起的恶化量的储备（dB），取3 dB

由多径传播造成的快衰落，将使信号瞬时电平在中值电平上下10~20 dB，甚至更大，但这并不等于是它引起的恶化量。多径传播效应对于进行中的接收设备和停着的接收设备所造成的恶化量是不同的，但都引起噪声增加，故将其与人为噪声影响一并考虑。WLAN用户的无线信号接收设备的移动速率很低或不移动，且WLAN系统都采用了信道编码、扩频、OFDM技术等多种方式来对抗快衰落。因此，人为干扰和快衰落引起的恶化量较低，在设计中取其值为3 dB。

2.1 穿透损耗

不论使用室内型AP还是室外型AP，覆盖范围会因为建筑物结构特点而显现出明显的信号衰减特征，造成信号盲区。表2中给出部分建筑物材料或装潢材料对无线电磁波辐射的影响[1]。

对于典型障碍物应按表2的数值考虑其衰减量，在链路预算中进行累加。

2.2 典型场景覆盖预测

校园WLAN的建设主要覆盖师生流量比较大的学生宿舍、办公室等小隔间场景区域和教室、会议室、图书阅览室等大隔间场景区域，满足校园师生的网络信息需要。

2.2.1 小隔间场景

小隔间场景（例如学生宿舍、办公室等）一般具有的特点是：房门为木门且闭合，墙体为实体墙。一般采用简易室分系统布放AP天线的方式来满足无线覆盖需要。一般天线的信号发射功率为5～15 dBm（链路预算其ANT发射功率为8 dBm）。根据式（1）和式（2）得出的覆盖空间距离见表3。

对于过道、走廊是采用混凝土墙进行隔断的情况，其信号损耗会增大，有效覆盖空间距离更近。

由于工作频率越高，损耗会越大。采用5.8 GHz频段的AP覆盖时，为了能最好地满足覆盖效果，建议直接在室内放装AP进行覆盖。

2.2.2 大空间场景

对于教室、会议室、阅览室等大空间场景，其共同特点一般是房门为木门且闭合，墙体为实体墙。采用独立布放AP室内覆盖方式来满足师生的无线覆盖需要。一般采用100 mW（20 dBm）的AP直接布放。根据式（1）和式（2）得出的覆盖空间距离见表4。

如果在走廊过道上布放AP进行覆盖，则WLAN无线信号穿过房门或24 cm墙体，其覆盖空间距离如表5所示。

对于过道、走廊是采用混凝土墙进行隔断的情况，其信号损耗会增大，有效覆盖空间距离更近。

由于工作频率越高，损耗会越大，采用5.8 GHz频段的AP覆盖时，为了能最好地满足覆盖效果，建议直接在室内放装AP覆盖。

3 覆盖验证

按照上述的链路预算，进行了现场测试。其配置的测试工具见表6。

测试内容包括：信号覆盖强度、下载速度、丢包率、时延。

3.1 小隔间场景

小隔间场景选取了某高校学生宿舍楼。采用室内放装型100 mW的AP进行覆盖，AP安装在楼层过道内。宿舍墙体为实体墙，房门为木门，测试时是闭合的。

AP位置和测试点位置如图1所示。

信号覆盖强度测试结果如表7所示。

通过测试发现，在此场景下，距离AP单边第4的房间（317房间、测试点6）信号强度小于-75 dBm，不能满足要求；距离AP单边第3的房间（319房间、测试点7），信号强度基本上可以达到-70 dBm以上，能够满足要求。因此，建议在做类似场景覆盖时，1个独立放装的AP单边覆盖不要超过3个房间。

3.2 大空间场景

大空间场景选取教学楼场景和阅览室场景进行了测试。

3.2.1 教学楼场景

某高校教学楼2层。采用室内放装型100 mW的AP进行覆盖，AP安装在楼层过道内。教室为实体墙，房门为木门，测试时闭合。

AP位置和测试点位置如图2所示。

测试结果如表8所示。

下载速度、丢包率、最大时延、最小时延、平均时延数据如表9所示。

通过测试，发现AP2与AP5之间、AP2与AP3之间的红色框圈中的区域信号强度较弱，存在频繁的切换。通过多组数据分析，得出当独立放装的AP安装在吊顶内时，1个AP最大覆盖6~8间教室，由于其他干扰AP的存在，距离较远的教室会存在频繁切换。因此建议，当采用独立放装型AP且放置在教室走廊时，1个AP有效的覆盖范围不超过4间教室。

3.2.2 图书馆场景

某高校图书馆综合阅览厅。采用室内放装型100 mW的AP进行覆盖，AP安装在楼层过道内。教室为实体墙，房门为木门，测试时闭合。

AP位置和测试点位置如图3所示。

覆盖信号、下载速度、丢包率、最大时延、最小时延、平均时延等数据测试结果如表10所示。