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标题: 村地区偏远与零散宽带用户WiFi无线接入探讨 [查看完整版帖子] [打印本页]
时间: 2013-11-10 16:41
作者: hejianxun
标题: 村地区偏远与零散宽带用户WiFi无线接入探讨
中国电信临武分公司 何建勋 邝志雄
湖南电信网络运行维护部 刘渠江
摘要： 本文分析了当前农村宽带网络建设现状和问题，深入探讨了农村Wi-Fi网络的规划、建设和维护的一些技术细节，最后对网络优化和Wi-Fi无线质量提升提出了自己的见解。
关键字：Wi-Fi 接入 网络 规划 实践
随着我国“宽带农村”、“数字农业”﹝1﹞等信息化项目不断朝纵深推进，农村宽带需求正日益旺盛。农村地域广阔分散，地形环境复杂多样，运营商基于ADSL的网络质量较差，FTTH的农村单用户建设成本相对较高，目前仅限于乡镇和周边部分条件较好的村庄。最近，Wi-Fi在“最后一公里”低成本、快速接入的作用得到运营商的高度重视。随着802.11n的广泛部署和802.11ac的出现，它已成为有线宽带的重要补充。本文将结合应用实际，对Wi-Fi在农村的规划和应用进行全面深入的探讨。
一、 农村固网宽带存在的主要问题
当前农村宽带网络存在的问题：一是电缆反复被盗后电缆接头增多，线路质量变差。虽然每年安排电缆线路整治，整治效果却不明显，难以支撑ITV等新业务的开展。二是对于农村矿区、山庄旅游、种养基地等高端用户，现有的FTTH接入门槛费依旧过高，用户和企业难以承担。三是基于3G的网络接入无线带宽有限，目前只能支持一些低流量应用和PC的普通上网，制约了农村信息化应用的进一步拓展。
二、Wi-Fi建网的相对优势
移动宽带化和宽带移动化是当今网络演进的两大趋势﹝2﹞。Wi-Fi被视为一种经过验证且可持续发展的技术，成本低投资回收快，可低速移动不受线缆限制，安装容易大大节约建网时间，组网灵活可以与现网深度融合。802.11n采用MIMO、 OFDM技术，传输速率由54 Mbps提高到了600Mbps﹝3﹞，点对多点覆盖距离可达几公里，点对点传输距离可达到20公里。第五代 802.11ac﹝4﹞理论传输速度高达1.3Gbps，是802.11n最高速率的3倍，功耗降低到1/6。但802.11ac由于工作在5GHz频段容易受遮挡，比较适合做室内外短距离覆盖，在农村地区的应用效果有待验证。农村基站光纤引入Wi-Fi组网覆盖示意见图1。
图1：农村基站光纤引入Wi-Fi组网覆盖示意图
固网机房的OLT上挂BAS设备，PON口信号通过分光器接入到基站的光猫，然后通过RJ45网线连接到POE电源的DATA口，POE口网线连接到AP。然后通过无线信道连接到CPE设备，再通过网线连接到用户电脑。
三、农村Wi-Fi无线宽带网络规划
1、 站点选址原则
农村Wi-Fi布点，一是要坚持有线和无线网络相结合的原则，WLAN在农村室外只是适用于偏远、分散和应急情况下的开通，有线资源能够到位的地方尽量使用有线，或者先期无线切入，达到一定用户数以后采用光纤宽带跟进。二是目标覆盖区域必需在AP的视距范围内，遮挡物对2.4G的信号衰减很大，建议AP安装位置首选移动基站，次选村中较高楼房，再选位置较高的室外电杆，或者架设专用塔架。三是避免强电、强磁等干扰源，如大功率无线发射台、雷达站、电视塔等，基站安装时尽量避免靠近其他系统的天线，要避开干扰频点﹝5﹞。
2、 链路预算分析
由于Wi-Fi是上行受限系统，在农村地区应用Wi-Fi，用户端必须安装CPE设备，以保证上下行链路的平衡。我们采用AP+CPE模式进行链路预算分析如下：
（1）WLAN链路预算公式﹝5﹞
Pr = Pt + Gt- Pl+ Gr （Pr为接收电平，Pt为AP发射功率，Gt为发射天线增益，Pl为路径损耗（DAS损耗+空口损耗） ，Gr为接收天线增益 ）
（2）2.4G频段电磁波近似的空间传播损耗公式为：
PathLoss(dB) = 46 +10* n*Log D（m）
其中，D为传播距离，n为衰减因子，一般来说，对于全开放环境下n的取值为2.0～2.5；对于半开放环境下n的取值为2.5～3.0；对于较封闭环境下n的取值为3.0～3.5。
（3）场强计算分析：
根据终端接收灵敏度，确定边缘场强Pr=-75dBm（实测CPE在-85dBm仍可保持300Kbps以上的下载速度）
AP发射功率Pt=27dBm（500mw）；
假设满足要求覆盖距离为d米，采用室外型CPE,视距无遮挡；
发射天线增益16dBi，假设有1米1/2馈线连接-3 dBm，避雷器-1 dBm接收天线增益15 dBi，则
-75=27+16-（46+25logd）-1-3+15 =〉 d=2089m
即标准情况下，500毫瓦AP主机视距无遮挡传输，外接16dBi定向天线，CPE接收增益15dBi，在2000米处的接收场强应该为-75dBm，与我们实际测试数据一致。
3、 2.4G信道设计
802.11n可以支持2.4GHz和5GHz两个频段，这两个频段的实际性能是有差别的。
图2 2.4GHz信道划分
如图2所示，2.4GHz频段范围是2.4至2.483GHz，按照频点规划，蜂窝任意相邻的区域使用无频率交叉的1、6、11三个不互相干扰的信道，可适当调整发射功率避免跨区域同频干扰，以提高用户容量与性能。实际检测，2.4G频段城市和乡镇干扰比较严重，乡镇以下的农村比较干净。5GHz频率范围是5.15GHz至5.85GHz，干扰比较小。但5GHz频段由于工作频率远大于2.4GHz，更高的空间内传播损耗导致实际覆盖范围接近减半。另外5GHz频段的AP和CPE价格都很贵，不太适合放装普通用户。因此在农村地区2.4GHz频段一般用来做覆盖，5GHz频段一般用于无线中继传输。
在距离基站2KM的地方测试，AP选用广州虹联300M主机配双天线， FE口上行，型号 BSE2400，150Mbps接21dBi全向天线；CPE型号CPE2414R-26，150Mbps 内置14dBi定向天线。AP安装山体高80米，塔高20米，各设定距离参数5000米。实测各信道与CPE接收信号强度的关系见下表。
表1：农村地区信道频点与对应接收信号强度实测表
由上表可知，1号信道2412MHz、6号信道2437MHz周边频点信号衰减较小，11号信道2462MHz之后信号衰减较大。AP实际参数配置时建议选用1、6号信道周边的无干扰空闲频点，能得到较好的覆盖效果。
4、 容量规划
WLAN容量应在最大并发用户模型下进行估算，即保证WLAN热点容量应满足最大用户并发情况下的需求。每AP提供的理论带宽有150M和300Mbps两种，考虑传输效率、碰撞规避等因素，实际能提供带宽约为理论值的50%。另由于WLAN AP 采用了CSMA协议，所以一个AP可以接入很多用户，但如果接入用户数目过多，会导致每个用户网络性能下降。一般802.11n下，考虑用户带宽512Kbps，单AP并发支持20-30个用户为宜，存在干扰情况下，AP容量会有所下降。工程实际上，一般先采用FE上行基站型150M AP进行低密度大范围覆盖，等用户量上来后，再更换300M带宽GE上行的AP，也可在用户密集区新增AP分流用户。同站安装多台AP主机可选用带GPS功能的AP，或在空间和频率上错开，以减低互相之间的干扰。
5、 覆盖距离与带宽、网速实测
视距情况，测试条件同上。我们在几种不同天气情况下进行距离、接收信号强度与网速的实测。实测数据见表2。
表2：雨衰对信号和网速的影响实测表
由数据分析可知，雨衰对CPE接收信号和网速的影响主要在菲涅尔区边缘部分，即半径小于1KM和大于4KM的地方。见表中离AP半径1000米测试点处的数据，大雨情况下信号衰减比小雨差3dBm，而网速却由535Kb/s快速下降到40Kb/s左右，PPPoE很难拨上号，网络几乎不可用。除非改全向天线为定向覆盖可以解决1KM内的覆盖问题。由此可确定全向天线下，AP在农村理想的覆盖距离是在离基站2KM到4KM之间区域。而采用定向天线覆盖选择性会更灵活。
6、 天线选择与布放
天线安装高度位置要保证AP和CPE之间可视，保证菲涅尔区内无遮挡物。见图3。
图3：菲涅尔效应示意图
AP和CPE间回传距离与可视直线距障碍物的高度关系见表3﹝7﹞：
表3：回传距离与菲涅尔半径对应表
调整AP的方位角，使其主瓣的覆盖范围涵盖目标覆盖区域，调整CPE的天线方位角，使其主瓣正对着AP天线。根据覆盖距离选择不同增益的天线，当CPE到AP的回传距离≤2KM时，建议选用16dBi的天线；当回传距离再2KM至3KM之间时，建议选用18dBi的天线；回传距离≥3KM时，需选用23dBi的天线，以保证回传链路带宽无损耗﹝7﹞。 AP端采用波束赋形智能天线能取得更好的接收效果，市场上已有这类产品，但价格偏贵。
另外无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小﹝7﹞，这一点在AP实际调试的时候要引起注意。
7、 供电设计
AP可采用POE供电方式、交流供电方式和直流供电方式。实际应用以POE (Power Over Ethernet)供电方式居多。对于部分耗电量较高的设备，需采用POE+交换机、交流或直流供电方式。POE有两种规范，IEEE 802.3af 受电设备(PD)上的PoE 功耗被限制为12.95W，IEEE 802.3at可将功率水平扩展到25W 或更高。采用POE供电时，网线选择很重要，建议AP安装使用六类双屏蔽网线，网线长度控制在60米内比较合适。对于重要AP以及电力无法保障的AP需考虑配置后备电源。当AP安装在村庄附近的山顶高点取电难时，可以采用50W室外防水型风力和太阳能成套进行无间断供电。
另外对于防雷，AP端安装时要接馈线避雷器和网线避雷器，CPE端要接网线避雷器。实测馈线避雷器的插入损耗是1dBm，网线避雷器的接入将影响AP馈电性能，安装后AP发射功率下降约2dBm。
四、效益评估
按每个AP年发展10个用户来保守计，如果每个用户收费800元/年，投入产出分析如下：
单站投入：网线50米200元+主机（含天线）3000元+逆变器200元+安装调试费600元=4000元，客户端用户按300元一个自行购买。。
单站产出：10用户*800元=8000元。
年投入产出比=8000/4000=200%
五、结论
在农村地区部署Wi-Fi网络还是一个比较新的课题，经验和规范都需要不断进行总结。在农村部署Wi-Fi不能完全照搬城区建设模式，主要是因为：
一是农村地域广阔，要保证基站3KM以内的客户有稳定的信号，必须在城区AP覆盖500毫瓦发射功率的基础上有所提升。工信部对于当“天线增益≥10dBi时，发射功率应≤500mW”的有关规定要进行适当地调整，以便于把更多进入农村市场的大功率AP产品纳入合法管理的范围。
二是农村地形复杂，用户端接收基本都要使用CPE设备。所以CPE的选型和产品质量，直接关系到客户感知和网络稳定，而实测发现当前厂家出来的产品性能参差不齐，问题很多，其根源是利益驱动、粗制滥造和缺乏严格的内部产品测试。所以产品选型，选择负责任的厂家和可靠的产品尤为重要。
三是由于无线接入是共享带宽，用户量增加平均接入带宽会下降，网速变慢很容易引起用户投诉。建议运营商在采用Wi-Fi接入方式解决农村宽带的时候，同时要把握好发展质量关，少做带宽出租，防止“假宽带”的泛滥。
参考文献：
【1】 2011年中国启动宽带农村计划.成都日报.蔡云舟
【2】 无线移动通信发展的趋势—宽带化、移动化. 曹淑敏.2011.4
【3】 802.11n技术浅谈.H3C. 波士川.2013.2
【4】 深入探究802.11ac技术.2012.5.16
【5】 无线局域网(WLAN)工程设计规范2013.1
【6】 WLAN容量估算模板.2012.5
【7】 华为WLAN网桥设计指导.2012
【8】 802.3at相关标准与规范.2012
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