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WLAN建设及测试分析


1、WLAN 技术介绍

WLAN 是利用无线通信技术在一定的局部范嗣内建立的网络,是计算机网络与无线通信技术 相结合的产物,它以无线多址信道作为传输媒介,能够使用户真正实现随时、随地、随意的 宽带网络接入.

WLAN 的技术标准是 IEEE 802. 11x,目前使用最多的标准是 802. 11g,标准工作频段是 2.4 GHz, 最高

传输速率达到 54 Mbps.目前最新的 WLAN 标准是 802. 11n, 最高速率达到 600 Mbps, 被称为下一代无线网络标准。

本文所研究的 WLAN 基于 IEEE 802. 11g 标准的 FAT AP 构架。

2、基于 WLAN 的建设方案

本文设计的 WLAN 建设方案分为频谱环境分析、 规划设计、 安装施工、 测试、 验收 5 个阶段, 下面分别进行讨论。

2.1 频谱环境分析

在 WLAN 开始设计之前,为了保障设计的合理性,首先要进行频谱环境分析,以便找到实施 空间内已经存在的各种无线信号干扰,通常情况下对 WLAN 干扰较大的信号源有无绳电话、 微波炉、蓝牙设备、遥控监控系统、电磁炉等,定位这些干扰源对 AP 的分布和功率的调整 有着重要的作用。

2.2 规划设计

规划设计阶段是 WLAN 建设的直接依据。规划设计可以采用专业的无线勘测设计系统或带 Wi—Fi 功能笔记本电脑进行实地勘测。

使用专业的无线勘测设计系统能够做到完全精确的 Wi—Fi 透视,利用软件模拟查看信号覆 盖区域、死区和冲突等,并模拟测量站点实际连接性能、速度、丢包、最终用户容量。无线 勘测设计系统需要首先录入建筑物的平面图,详细地标明所有墙体、门、玻璃的材质,以便 自动分析出信号衰减的大小。然后根据不同 AP 产品的功率和覆盖范围,系统会自动计算出 AP 数量,用户可以调整 AP 空间分布和发射功率,动态的调整信号最低值,系统就可以根据 不同的颜色显示出每个 AP 的最佳信号覆盖范围和信号较薄弱的地方。

图 1 无线勘测系统设计图

图 1 是使用无线勘测设计系统设计的效果图, 从左到右分别为信号效果分布图、 信道分布图、 三维模拟图(注:图片由 Air Magnet Planner 生成).

通常情况下,专业的无线勘测设计系统费用较贵,而且需要专业的工程师进行规划设计。因 此可以采用带 wi— Fi 功能的笔记本电脑代替专业的无线勘测系统,可以大大降低费用。

具体方法如下:

首先定位一台 AP,然后用笔记本电脑的 Wi— Fi 网卡来测试信号强度,移动到信号较弱的 地方就可以在附近增加一台 AP。这种方法简单方便,不需要额外的费用,但是规划出来的 效果不是很好, 需要根据勘测规划的初步结果进行详细设计。 详细设计我们主要考虑的是信 号衰减和信道规划。

信号衰减设计:由于办公楼建筑结构多为框架结构,办公室墙壁为砖木结构,有利于 2. 4G 无线信号的传输,但是考虑到离 AP 较远的办公室接收到的信号可能要穿过 2-3 堵墙,还有 信号斜穿墙体时的反射和墙厚增加导致信号衰减较大。为了增加信号强度可以增加 Ap 端全 向天线或者加大 AP 发射功率, 扩大单个 AP 的覆盖范围: 也可以在信号薄弱的地方补充 AP, 避免楼层内出现信号盲点。

对于 2.4G 室内无线信号衰减可以采用衰减因子模型进行估算,公式为:

PathLoss(dB)=46+ 10×n ×Log D(m)

其中,D 为传播路径,n 为衰减因子。dB = 20*lg(A/B)。此处 A,B 代表参与比较的功率 值或者电流、 电压值。 的意义其实再简单不过了, dB 就是把一个很大 (后面跟一长串 0 的) 或者很小(前面有一长串 0 的)的数比较简短地表示出来。

针对不同的无线环境,衰减因子 n 的取值有所不同.在自由空间中,路径衰减与距离的平方 成正比,即衰减因子为 2。在建筑物内,距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间。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.典型路径传播损耗理论计算值如表 1 所示.

表 1 典型路径传播损耗理论计算值

速率(Mbps) 54

灵敏度(dBm) -72

室内最大传输距离 (m) 65

11 5.5 2 1

-88 -91 -93 -96

48.9 63.1 72.4 94.8

假设天线发射和接收增益为零,AP 发射功率为 16. 2dBm 时,理论室内传播最大距离如表 2 所示.

[ 注释 ]:dBm 即分贝毫瓦;1dBm=30+10lgP (P:瓦)

表 2 理论室内传播最大距离

距离(m) 10 50 100

传输损耗(dB) n=3.5 n=2.5 63.47 66.97 80.95 87.94 88.47 96.97

n=3.0 70.46 94.93 105.46

现阶段可提供的 2.4 GHz 无线信号对于各种建筑材质的穿透损耗的经验值如下:

(1) 隔墙的阻挡(砖墙厚度 100 mm—300 mm):20 dB—40 dB;

(2) 楼层的阻挡:30 dB 以上;

(3) 木制家具、门和其他木板隔墙阻挡:2 dB— 15 dB;

(4) 厚玻璃(12mm):10 dB。

另外,在衡量墙壁等对于 AP 信号的穿透损耗时,需考虑 AP 信号入射角度,一面 0.5 m 厚的 墙壁,当 AP 信号和覆盖区域之间直线连接呈 45°角入射时,相当于 1m 厚的墙壁;在 2°角 时相当于超过 14 m 厚的墙壁, 所以要获取更好的接收效果应尽量使 AP 信号能够垂直穿过(90° 角)墙壁或天花板,一般无线网卡接收灵敏度为-72 dBm。低于此数值将无法正常使用无线网 络,在铺设 AP 时需要根据不同品牌型号的 AP 参数进行详细的计算。

信道规划设计:为了减少信号衰减对 WLAN 的影响,增加了 AP 点或者扩大了单个 AP 的覆盖 范围, 但是却产生了 AP 间的信道干扰, 在不影响 WLAN 传输质量的情况下必须考虑对信道进 行合理划分,

为了减少相邻 AP 之间的干扰.IEEE 802. 11 b/g 设备使用(2.4—2.4835)GHz 频段,工作频 率带宽为 83.5 MHz.划分为 14 个子频道,每个子频道带宽为 22 MHz;互不干扰的子信道有 3 个,这 3 个互不干扰信道可以进行频率复用,但应确保使用同一信道的 AP 之间应有足够远 的距离,避免干扰。AP 覆盖区域之间应有重叠区,以保证无缝覆盖和适应负载均衡。常用 的信道有 l、6、11。

以某办公楼信道划分为例来说明信道规划方法:某办公楼共 7 层,砖木结构,每层铺设 AP 点 4 个,信道分布如表 3。

表 3 某办公楼信道划分实例

楼层 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7

AP1 信道 1 6 11 1 6 11 1

AP2 信道 6 11 1 6 11 1 6

AP3 信道 11 1 6 11 1 6 11

AP4 信道 1 6 11 1 6 11 1

从该表可以看出,同楼层同信道的 AP 分布在两端,距离最远。楼层间同位置 AP 信道也要相 差 5 个信道。

容量规划:由于 WLAN 采用 CSMA/CA 机制,如果接入用户过多,那么同一时刻发生冲突的概 率明显增大,也必定会延长每个用户等待的时间,而使得系统带宽闲置;如果用户超过一定 的限度,会导致系统的瘫痪.工程设计上一般每 AP 接入用户数不超过 20 台。

2.3 安装施工阶段

规划设计完成后就进入安装施工阶段。WLAN 的安装施工与拓扑结构有关,通常情况下 WLAN 由防火墙、核心交换机、无线交换机、二级交换机、AP 及天线组成,如果楼宇层数较多, 就需要在某些楼层安装二级交换机来保证到最远的 AP 距离不超过 l00m。二级交换机与核心 交换机之间可以通过光纤或超五类双绞线连接,也可以划分不同的 VLAN,调试方法与 LAN 相同,信道等设置可以通过无线交换机来完成。无线交换机与核心交换机连接,对所有的 AP 进行管理和控制。AP 安装在设计好的地点,天线安装在无阻隔的空旷处,一般可以安装 在天花板下方。如果选用了 POE 端口供电的二级交换机,就不需要给 AP 铺设另外的电源线 了,可减少成本和故障点。

一般情况下,如果天线口辐射功率为 IO dBmW,使用 2dBi 全向室内小天线,则每离天线 30 m 范围内,在空旷的会议中心、没有砖隔墙情况下,覆盖电平可以达到- 75 dBm/WLAN;对于 写字楼、酒店客房密集隔墙结构,如果天线口辐射功率为 10dBmW,使用 2 dBi 全向室内小 天线,则每离天线(8—10)m 范围内.客房内信号可以达到(-70— 85)dBm。一般来说,信号 到达客房门距离应控制在 4m 以内。

[ 注释 ]:dBi 是考征增益的值(功率增益),dBi 的参考基准为全方向性天线。

2.4 测试阶段

WLAN 施工完成后, 进行严密的测试是不可缺少的。 WLAN 测试分为信道测试、 网络性能测试、 协议分析测试、故障诊断 4 个方面.测试需要选用专业的 WLAN 测试分析仪。

信道测试:与布线测试不同,信号强度、噪声强度、信噪比是信道测试中最重要的指标,无 线传输的模式是微波传输, 信号强度的测试是验证信号衰减的状态, 微波衰减的强弱与距离、 障碍物屏蔽、AP 的发射功率等因素相关,信号的强度在 WLAN 中站点能否上网连通起决定性 作用,由于 WLAN 802. 11 使用的是公共频道,在这些频道中还有其他通信或工业设备,例

如微波炉、手提电话、2.4 G/5.8 G 微波传输设施都会给 WLAN 造成噪声,对 WLAN 的传输造 成很大干扰。

性能测试:与有线网络测试相同,网络性能测试也分基本测试和运行监测,基本测试包括 AP 吞吐量测试、Ping、站点及 AP 列表分析等,测试者通过这些测试完成对 WLAN 运行基本 情况的评估。运行监测是在基本测试的基础上增加了实时的 AP 站点性能综合分析、实时流 量分析、SSID 分组分析、802. 11 网络传输的各种数据包和信号帧的分类和组成、实时的网 络利用率和吞吐量以及任一节点的传输速率等测试参数,这些参数反映了 WLAN 目前实际的 工作状态。

协议分析:对于 WLAN 来说,由于它在协议方面有许多特殊的帧格式,因此实时的捕包解码 是 WLAN 测试中不可或缺的方法。

故障诊断:WLAN 的故障诊断是通过对信道测试、网络性能分析、协议分析等多项测试的结 果进行综合分析来进行的。

WLAN 的自身特点造成 WLAN 的故障诊断被分为两部分:一是网络性能的故障诊断(网络性能 评估),包括连通性故障,低速传输,AP 信号弱等;二是网络安全的故障诊断(网络安全评 估),这是 WLAN 网络特有的问题,目前的安全问题大都出于用户的初始设置问题,大多数企 业用户连最基本的安全模式 WEP 都没有打开, 任何人都可以随意进入其的网络, 这时的网络 是非常不安全的.对于企业网来说,仅仅打开 WEP 功能是远远不够的。WEP 是静态密钥,对 于一个训练有素的黑客来说攻击只有 WEP 的网络只需要两个小软件就可以轻松破解了。 如何 发现并迅速定位非法入侵的设备也是 WLAN 安全测试中非常重要的需求。

2.5 验收阶段

WLAN 测试完毕后进人验收阶段,施工方需要向建设方提交设计报告、网络拓扑图、调试报 告、产品手册等管理文档.完善的管理文档会使网络的运行维护更轻松,管理文档还必须包

括各无线接人点和站点的详细状态列表,除此之外,还要将测试报告归入文档中,既要包括 基本的网络安全、性能分析,也要将每次的实时报告顺序归档,这样就形成了整个网络的长 期的动态的网络分析文档,为进一步的网络升级维护提供了方便的途径。

3、WLAN 高频电磁辐射的测试分析

WLAN 以无线电磁渡为传输介质,势必会产生高频电磁辐射,这些辐射量到底有多大,长期 在这种辐射下工作会不会对人体健康有影响?为此笔者专门作了一次 WLAN 高频电磁辐射的 环境评价,目的是通过测试结果来分析其对人体健康的影响。

国家环境保护局早在 1988 年就颁布了《电磁辐射防护规定) (GB 8702—88),其中对频率范 围在 1OO kHz— 300GHz 的电磁辐射都做了防护限值要求,具体如下:

职业照射: 在每天 8h 工作期间, 任意连续 6 min 按全身平均的比吸收率(SAR)应小于 0.1 W/kg。

公众照射: 在一天 24 h 内, 任意连续 6 min 按全身平均的比吸收率(SAR)应小于 0.02 W/kg。

对于工作频率为 2.4 GHz 的 WLAN 来说,适用的导出限值如表 4:

表 4 电磁辐射防护导出限值

工作频率 (MHz) 30—3000

照射分类 职业照射 公众照射

电场强度 (V/m) 28 12

磁场强度 (A/m) 0.075 0.032

功率密度 (W/m2) 2 0.4

测试的地点是在三栋铺设了 FAT AP 构架的办公楼内,办公室墙体均为砖混结构,办公家具 和门为术质,每楼层安装 4 只 AP。AP 铺设的位置位于楼道天花板上方,发射功率 100 mW, 工作频率为 2.4 GHz.测试期问人员松散无走动.测试设备为 PMM8053P 型电磁辐射分析仪, 测试结果如表 5:

表 5 WLAN 电磁辐射测试结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

测点位置

电场强度 (V/m) A 楼 5 楼楼道 0.25 A 楼 5 楼办公 0.14 室 A 楼 4 楼办公 0.38 室 A 楼 4 楼楼道 1.01 B 楼 3 楼楼道 1.49 B 楼实验室 0.18 C 楼 6 楼楼道 4.2 C 楼 6 楼办公 0.21 楼 C 楼 1 楼办公 0.25 楼

磁场强度 (A/m) 0.002 0.001 0.001 0.003 0.002 0.001 0.007 0.001 0.001

功率密度 (W/m2) 0.001 0.001 0.001 0.001 0.003 0.001 0.053 0.001 0.001

对测试结果进行分析, 笔者发现 WLAN 覆盖范围内平均电场强度为 0.9 V/m、 磁场强度为 0.002 A/m、功率密度为 0.007.所有测量结果值远小于《电磁辐射防护规定》中要求的公众照射防 护限值,且仅在办公室工作 8h 左右.因此可以得出结论。WLAN 覆盖范围所产生的高频电磁 辐射,对人体健康没有危害,大家可以放心使用 WLAN。

4、结束语

本文设计了一种楼宇内 WLAN 建设的方案,给出了该方案的详细设计步骤,重点讨论了设计 阶段,对该阶段的关键技术,即信号衰减与信道规划设计结合实例进行了详细的阐述,给出 了合理的解决方案,对今后的 WLAN 建设有一定的借鉴意义,但由于楼宇建筑材料的不同和 办公室分布的不同,加之不同的无线产品性能也有差异,导致 WLAN 的信号衰减程度不同, 因此无法找到一个最佳的规划方案, 设计人员需要根据具体楼宇的情况和终端接人数量做更 细致的规划,在全面覆盖和减少信道干扰之间找到一个合适的方案。

针对 WLAN 的高频电磁辐射对人体健康可能造成的影响,本文通过专业的测试设备证明了 WLAN 所产生的高频电磁辐射量十分微小,比有些电子办公设备的辐射量还要小很多,在实 际检测时甚至低于电磁辐射分析仪的最小精度, 所以在此覆盖范围内工作不必担心电磁辐射 对人体有多大危害。

WLAN 相对于 LAN 有很多优点,但也有信号不稳定、容易受到干扰、不易控制边界、安全性 相对较差等缺点,所以 WLAN 最好作为 LAN 的补充,应用在大型会议室、餐厅等不宜布线的 空间,也可以作为一套单独的网络与办公内网的 LAN 相隔离,起到双网隔离的安全效果.随 着 WLAN 技术的不断发展和 IEEE 802. lln 标准的日趋成熟,WLAN 将会越来越普及,速度和 带宽也会越来越高,抗干扰能力也越来越强,未来我们将步人一个全新的无线网络世界。


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