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关于校园无线网络信号（AP）技术的研究

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李晓斌

[导读] 摘要：本文以贵州某大学新校区校园无线网络建设为例，重点论述无线网络信号（AP）技术在数字化校园中的应用及对其网络的优化，实现全网有线网络和无线网络的一体化，推动学校信息化建设。

        中铁二十四局集团上海电务电化有限公司上海市 200071
        摘要：本文以贵州某大学新校区校园无线网络建设为例，重点论述无线网络信号（AP）技术在数字化校园中的应用及对其网络的优化，实现全网有线网络和无线网络的一体化，推动学校信息化建设。
        关键词：无线网络信号（AP）；校园无线网；信号覆盖；网络优化
        1 研究目标
        应对新校区远期规划用户数量，数据中心系统应满足远期使用的功能要求，通过优化网络，提高网络覆盖质量。
        2 无线局域网系统概述
        无线局域网属于一种短距离无线通信技术，是一种便利的传输系统，利用电磁波在空气中传输数据，打破了传统有线网络的局限性，使网络覆盖更加适度化。在信息高速发展的今天，给人们的生活带来了极大的方便。其主要特点是组网灵活、安装方便、经济节约、易于扩展、使用方便等。
        3 无线覆盖方案
        贵州某大学新校区占地面积3000多亩，教职工人数在1200人左右，未来学生容量在20000人左右，图书馆2栋，办公楼6栋，实验室3栋，教学楼18栋，学生宿舍27栋，教职工宿舍28栋，大型食堂3座。基于以上规模，学校将无线网络技术纳入新校区校园信息网建设，实现了全网有线网络和无线网络的覆盖范围，覆盖部分没有有线网布线的空间，实现了公共区域移动体验，促进了教学和科研发展，提升了校园网络环境，有力地推动了学校信息化建设。校园网络结构以2台核心交换机为中心，下挂若干汇聚交换机的校园骨干网，同时接入老校区网络及Internet网，支持多种认证及计费技术（Portal、802.1x、MAC）。具体拓扑结构见如图1。

        图1 贵州某大学新校区校园网络拓扑示意图
        4 无线局域网室内传播模型
        无线局域网室内传播虽然受气候因素小，但受建筑物的形态、结构及房间布局的影响比较大，一般情况下我们选取以下两种WLAN的模型进行分析。由于室内传播距离小，室内无线环境复杂多变，在规划中需根据实际情况选择参考模型与模型系数。
        4.1 线性路径衰减模型（Devasirvatham）公式如下：

        d：传播路径；f：电波频率；a：模型系数
        4.2 衰减因子模型
        2.4GHz频段的电磁波路径传播损耗。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。其理论计算值如表1。
               表1 典型路径传播损耗理论计算值

        5 AP技术参数
        5.1 AP信号链路损耗计算
        根据模型，室内路径损耗等于自由空间损耗加上附加损耗因子，且随距离成指数增长，接收电平估算公式如下：[1]
        Pr[dB]=Pt[dB]+Gt[dB]_Pl[dB]+Gr[dB]
        其中：Pr[dB]为最小接收电平，即为AP在不同传输速率下的接收灵敏度；
        Pt[dB]为最大发射功率；
        Gt[dB]为发射天线增益；
        Gr[dB]为接收天线增益；
        Pl[dB]为路径损耗；
        理论室内传播最大距离如表2所示。
                  表2 理论室内传播最大距离

        5.2 AP信号穿透损耗
        电磁波穿透各种介质损耗参考表
                           表三穿透损耗表

        在AP信号穿透墙体时，损耗计算需考虑AP信号入射角度。

                   图2 AP信号穿透墙体示意图
        墙体厚度虽然没变，但信号的入射角的变化，引起了信号穿越墙体的厚度成倍增加，信号衰减也相应增加，
        5.3 AP的容量设计
        （1）容量计算公式：每用户速率=（每个AP链接速率*传输效率）/（2*用户数量*用户同时使用率）。
        （2）每个AP基本连接速率：802.11b每个AP的最大连接速率为11Mbps，802.11
        g每个AP的最大连接速率为54Mbps.
        （3传输效率：表示总开销效率因子，包括MAC效率和纠错开销，一般取50%。
        （4）用户数量*用户同时使用率：得到同时使用系统的实际用户数量在计算每户的双向效率时应将计算得到的用户速率在除以2.[2]
        6 网络优化方案
        6.1 无线覆盖存在的问题
        按照校方要求，前期3栋教学楼、1座食堂、5栋学生宿舍要投入使用。随着学生的入住，陆续有学生反应网络覆盖质量有问题。如掉线、无信号、网速慢等。根据学生的反应情况，技术人员及时对宿舍无线网络进行了测试，主要发现了以下问题：
        （1）、下载测试慢；（2）、存在同频干扰；（3）、设计有覆盖，但实际测试时信号非常弱甚至存在盲区；（4）、测试有信号，无法认证成功。
        6.2 解决方案
        根据对以上问题的认真研究分析，技术人员提出了以下的解决方案：
        （1）、调整AP数量和分布；（2）、优化用户终端；（3）、降低同频干扰；（4）、消除临频干扰；（5）、合理正确使用天线；（6）、避让外部干扰；（7）、更换AP设备；（8）、调整馈线的驻波比；（9）、调整合路分部；（10）、均衡AP负载。其中，调整AP数量和分部、均衡AP负载、降低同频干扰为主要优化方案。下面，就这三种的优化方案进行详细阐述。
        6.2.1 调整AP数量和分布
        学生宿舍为业务量最多的区域，下面以学生公寓为例，计算调整AP数量与位置。在设计时，学生宿舍按4-6人间设计，每层楼有30个房间，每楼层约180名学生，使用电脑的学生占70%以上，同时段使用电脑的人数比较集中。每层按4个AP设置，每个AP覆盖7-8个房间，平均每个AP超过30个用户。容量计算（前文叙述），根据公式：每用户速率=（每个AP链接速率*传输效率）/（2*用户数量*用户同时使用率），即：（54Mbps*50%）/（2*20*80%）=0.85Mbps.

                 图三优化前的宿舍AP布置图
        进过现场实际测试，最终确定每个AP覆盖6-7个房间的方案，每个AP接入最多不超过25个用户，每层楼需要5个AP，考虑以后的扩容方便，增加一个功分器，再多增加一个AP，每层共设6个AP，这样保证了每个AP覆盖2个宿舍的保留位置，以后扩容只需要去掉一个功分器，直接连接AP，不需要改动原来的布线，就可以一次性满足后续的用户需求。每用户速率=（每个AP链接速率*传输效率）/（2*用户数量*用户同时使用率），即：（54Mbps*50%）/（2*17*80%）=1.08Mbps.优化后，平均速率比以前提高了30%，解决了高峰期下载慢的现象。

                图四优化后的宿舍AP分布图
        6.2.2 优化均衡负载
        再实际使用中，有些AP会出现在一段时间内分配的业务量很大，出现了超载的现象，而有的业务量确很少。负载均衡主要得目的就是提高系统的运行能力，提高网络的灵活性及可用性，平衡各AP之间的负载差异，使网络资源利用最大化。
        在优化之前，系统没有开启均衡技术，负载有明显不均衡现象。在学生宿舍，由于课程安排及其他原因，造成同一楼层相邻几个房间，有得同学在上课，有的同学在房间上网，就会经常造成邻近2个AP中，其中一个在超负荷运行，一个几乎处于休眠状态，这样造成了网速慢甚至掉网的现象。
        优化办法：在AP控制器中，开启系统的负载均衡功能，设置AP用户数限制，实现负载均衡，优化用户使用的宽带。通过合理设置AP用户数量和AP带宽限制达到负载合理均衡。比如当High Watermark设置为30，LOW设置为25，如果单个AP用户达到了30，将拒绝其他用户接入，当AP用户降到了25个，才允许其接入。
        通过均衡负载，信号堵塞有了明显改善，因负载不平衡造成的AP死机现象的到了很大的改善，也极大的改善了网络覆盖，提高了用户的认可。
        6.2.3 同频干扰优化
        对于使用的802.11g，每隔5MHZ一个信道，每个带宽是22MZH，每隔5个以上的信道，频带完全隔离，互不干扰，考虑边频，相隔越远越不容易产生干扰。但在蜂窝网，或链式网络中，实际只有3组互不相干的信道（1，6，11），他们之间的相隔频率相隔25MHZ.[3]

                            图5 802.11b/g频带结构
        优化前，天线安装在宿舍走廊（如图3），因为天线间隔小且没有阻挡，天线之间存在严重的同频干扰。由于三个信道已全部占用，两相重的频段之间也存在着同频干扰。所以在考虑同层间的干扰时，也要考虑上下楼层、楼与楼之间的干扰。
        优化后，重新调整了天线布放的位置（图四）及各AP的信道。具体信道分布如下图：

             图5 学生宿舍楼层间信道分布图
        经过优化，基本消除了校园网络的同频干扰。
        7 结论
        解决室内无线覆盖问题是校园无线网项目实施成败的关键。本文结合贵州某大学校园无线网络建设实例，通过对校园无线网络的优化，根据实际解决案例，为以后类似校园无线网络建设提供实例参考。
        参考文献：
        [1]Jim Gerier 无线局域网，人民邮电出版社，2001年
        [2]赵立强、张海林公用无线局域网的负载均衡策略，电路与系统学报，2008年
        [3]金纯 IEEE802.11无线局域网，电子工业出版社，2004
        作者简介：
        李晓斌（1984.10.09）男，工程师，本科，南昌大学，网络工程。