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贵州电信贵阳地区WLAN网络规划与设计.rar

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    编号:20181030002150201    类型:共享资源    大小:1.93MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    贵州 电信 贵阳 地区 WLAN 网络 规划 设计
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    唐雄燕. 宽带无线接入技术及应用[J]. 电子工业出版社,20061.2.1 无线局域网的优缺点:无线局域网(WLAN)是一项起步于 20 世纪 80 年代的技术,是计算机网络技术和无线通信技术相结合的产物。进入 90 年代,随着因特网和无线通信技术的快速发展,WLAN 的标准、技术也获得了快速发展,WLAN 产品逐渐成熟。近年来,WLAN 成为当前无线领域中一个引人关注的热点,得到了业界及公众的热情关注,WLAN 与有线局域网相比,有以下优点: (1)移动性:在服务区域,WLAN 用户可随时随地访问信息;(2)设备安装快速、简单、灵活:WLAN 系统省略了布线的繁琐工作,网络遍及有线所不能到达的地方;(3)网络建设及维护成本低:尽管 WLAN 硬件初始投资比有线硬件高,但无线网络节省了与网络布线相关的人力与材料成本,也简化了网络变动的过程,长期来看,一套 WLAN 的安装与维护成本要大大低于传统的局域网;(4)扩展能力强:WLAN 可组成多种拓扑结构,容易从少数用户的对等网络模式扩展到上千用户的结构化网络。无 线 局 域 网 的 缺 点 : 无 线 局 域 网 在 能 够 给 网 络 用 户 带 来 便 捷和 实 用 的 同 时 , 也 存 在 着 一 些 缺 陷 。 无 线 局 域 网 的 不 足 之 处 体 现在 以 下 几 个 方 面 : ( 1) 性 能 。 无 线 局 域 网 是 依 靠 无 线 电 波 进 行传 输 的 。 这 些 电 波 通 过 无 线 发 射 装 置 进 行 发 射 , 而 建 筑 物 、 车 辆 、树 木 和 其 它 障 碍 物 都 可 能 阻 碍 电 磁 波 的 传 输 , 所 以 会 影 响 网 络 的性 能 。 ( 2) 速 率 。 无 线 信 道 的 传 输 速 率 与 有 线 信 道 相 比 要 低 得多 。 目 前 , 无 线 局 域 网 的 最 大 传 输 速 率 为 150Mbit/s, 只 适 合 于个 人 终 端 和 小 规 模 网 络 应 用 。 ( 3) 安 全 性 。 本 质 上 无 线 电 波 不要 求 建 立 物 理 的 连 接 通 道 , 无 线 信 号 是 发 散 的 。 从 理 论 上 讲 , 很容 易 监 听 到 无 线 电 波 广 播 范 围 内 的 任 何 信 号 , 造 成 通 信 信 息 泄 漏 。中国移动通信集团. 3G (TD-SCDMA)网络工程室内分布系统建设指导原则[R]一、前言为指导各省公司开展 3G(TD-SCDMA)网络工程室内分布系统的建设工作,特制定本指导原则,请各省公司在 TD 网络三期及后续工程的室内分布系统建设中严格遵照本指导原则的技术指标、建设及配置原则执行,对于 TD 一期、二期已建设的室内分布系统,请参照执行。本指导原则由中国移动通信集团公司计划部负责解释。二、TD-SCDMA 室内分布系统建设总体原则(一) TD-SCDMA 室内分布建设应面向数据卡、上网本、家庭信息机及上网手机客户等重点目标市场,满足业务发展的需要,要求有数据业务需求的室内分布系统 100%建设 TD-SCDMA 系统。(二) TD-SCDMA 室内分布系统建设应考虑 GSM900、DCS1800、TD-SCDMA 和 WLAN 共用的需求。(三) 建设室内分布系统的物业点应能保证优质的室内覆盖,同时要控制好室内信号,避免对室外构成强干扰。(四) TD 室内分布系统建设应保证扩容的便利性,尽量做到在不改变分布系统架构的情况下,通过空分复用、增加载波及小区分裂等方式快速扩容,满足业务需求。(五) TD 室内分布系统建设应充分考虑 A、B 频段使用。在频率资源足够的情况下室内外尽量采用异频组网方式,在频率资源紧张的情况下也应保证与室外有切换关系的室内小区的主载频与室外主载频保持异频。(六) 分布系统建设应考虑多系统间的干扰,尤其关注室内 PHS 天线和 TD-SCDMA 天线的隔离,保证其他系统不会对室内 TD-SCDMA 信号源产生干扰。(七) TD 室内分布系统应按照“多天线、小功率”的原则进行建设,电磁辐射必须满足国家和通信行业相关标准。三、TD-SCDMA 室内分布系统技术指标要求TD-SCDMA 室内分布系统按照以下技术指标要求进行建设:(一) 室内分布无线覆盖边缘信号要求:1.普通建筑物:PCCPCH RSCP>=-80dBm C/I>=0dB。2.地下室、电梯等封闭场景:PCCPCH RSCP>=-85dBm C/I>=-3dB。(二) 室内信号的外泄要求:在室外 10 米处应满足 PCCPCH RSCP≤-95dBm 或室内分布外泄的 PCCPCH RSCP 比室外宏站最强 PCCPCH RSCP 低 10dB。(三) 块差错率目标值(BLER Target):话音 1%,CS64k0.1~1%,PS 数据 5~10%。[14]江连山,陈伟萍. 无线局域网 MAC 层信道利用效率分析[J]. 无线通信,2006,7:27.基于 IEEE802.11g 的 WLAN 具有速率高、覆盖范围较大、价格较低,设备的互用性好(WiFi 联盟统一认证)且向后兼容 IEEE802.11b 等优点,已经成为当今 WLAN 的主流标准。IEEE802.11g 的标称数据率最高可达 54Mb/s。然而在实际使用中,发现基于 IEEE802.11g 的 WLAN 传输的净数据率远低于标称值。由此,对其 MAC 层信道利用效率进行分析,并将分析结果与实测结果进行了比较。1 MAC 层信道利用效率分析 因为本文着重分析 MAC 层信道利用效率,所以不考虑物理层传输错误,即假设物理层能保证无误传输。定义 MAC 层信道利用效率 η: 式(1)中,“净数据率”指的是应用层用户数据的传输速率,而“标称数据率”为 IEEE802.11g 规范中标称的数据速率。当不考虑物理层传输的错误时,式(1)可以表示为:其中,η1 为成帧效率,其值等于一帧中用户数据的传输时间与一帧的传输时间之比;η2 为信道共享效率,即考虑到 MAC 层退避和应答过程后,每帧的传输时间与平均每帧占用信道的时间之比;η3 为冲突避免效率,其值等于不发生冲突的时间与总传输时间之比。 1.1 成帧效率 IEEE802.11g 数据帧由前同步信号(Preamble)、信头(Header)和净荷(Payload)三部分组成。当前同步信号、信头及净荷都采用 OFDM 调制时称为OFDM/OFDM 模式,即“纯 802.11g 模式”。纯 802.11g 模式下的数据帧结构如图 1 所示。帧的开端是一个由 10 个短训练序列及 2 个长训练序列组成的前同步信号,持续时间为 16μs;随之是 1 个持续时间为 4μs 的 OFDM SIGNAL,二者组成20μs 的前导开销。此外,将用户数据填充到帧中时,要引入头比特、尾比特、CRC 以及填充位等。每帧传输的比特数 N0 为:其中,[x]表示取≥x 的最小整数;ND 为每帧中用户数据比特数,最多2312×8b;NH 为每帧中的头比特数与 CRC 校验比特之和,共计 34×8b;NT 为每帧中的尾比特和服务比特之和,共计 22b;Ns 为 1 个 OFDM 符号承载的比特数。通过上述分析可以得到每帧总的传输时间 tF为: 其中,R0 为规范标称的数据速率,有 6/9/12/18/24/36/48/54 Mb/s 等;τ1 为前同步信号持续时间,规定为 16μs;τ2 为 OFDM SIGNAL 持续时间,规定为 4μs。那么容易得到成帧效率 η 1: 由于其他参数都根据标准采用固定值,那么只能通过改变帧长对成帧效率进行优化。例一:求每帧中用户数据比特数 ND=2048×8b,标称速率 R0=54Mb/s 时的成帧效率。 当采用 54Mb/s 的传输速率时,使用 48 个 OFDM 子载波承载数据,子载波的调制方式为 64QAM,信道编码效率为 3/4,容易得到 1 个 OFDM 符号承载的 MAC层比特数为 48×6×3/4=216。由式(3)可以得到每帧传送的比特数为:再由式(4)可以得到帧总的传输时间 tF:最后由式(5)可以得出成帧效率 η 1。 同理: 当每帧中用户数据比特率 ND=1024×8b 时,可以得到 η1=84.3%。 当每帧中用户数据比特率 ND=256×8b 时,可以得到 η1=59.3%。 可见,帧越长,成帧效率越高。 1.2 信道共享效率 在 IEEE802.11 MAC 规范中,各节点采用 CSMA/CA 机制竞争信道,默认工作模式分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)。在 DCF模式下,每个节点检测到信道空闲后,需要等待 DIFS(分布式帧间间隔)加上一个随机退避时间(退避次数×时隙长)后才能传输数据。在传统的802.11a/b/g 中,各节点地位平等,具备相同的访问信道的机会,各节点从[0,CW)之间等效率随机选择某一整数作为退避次数,节点每隔一个时隙就检测一下信道,每次检测到信道空闲将退避次数减 1;节点若检测到信道忙,则退避次数停止减少,直到信道在 DIFS 内部空闲才重新开始减少退避次数,当退避次数减到 0 时,节点开始发送数据。节点成功传输一帧后,在传输第二帧之前,仍然需要检测信道,如果信道忙,那么节点必须重新选择一个退避次数。当多个节点都在等待占用信道,哪个节点随机选择的退避次数越小,哪个节点就先发送数据。当 2 个以上节点选择的退避次数相同,同时发送数据时,将产生一次冲突。冲突器件同时发送的帧都被损坏,帧中的所有数据都将被丢失。如果产生冲突,接收节点肯定不会向发送节点返回应答帧(ACK),那么发送节点将重传该帧,并且按照二进制退避算法重新选择退避次数(即在[0,2CW]之前等概率随机选择某一整数作为退避次数),以减少冲击产生的概率。当连续多次发生冲突时,竞争窗口 CW 也不能无限增加下去,只会增加到一个最大值CWmax。节点成功传输一帧后,CW 将减为最小值 CWmin。与 IEEE802.11a/b/g 相关的参数值如表 1 所示。冲突避免以及应答两个过程是影响 MAC 层信道共享效率的两个主要因素。此外,虽然使用 RTS/CTS 机制可以减少冲突,但是会引入较大的开销,因此本文不采用 RTS/CTS 机制。由表 1 可以看出,纯 802.1lg 模式具有最高的信道共享效率。影响 IEEE802.11g MAC 层信道共享效率的主要因素如下:DIFS:分布式帧间间隔,规定为 28μs。每个节点检测到信道空闲之后,需要等待 28μs,才能开始退避计数;平均退避时间:平均退避次数(7.5)×时隙长(9μs)=67.5μs;应答时间:成功发送一帧后,都要等待接收方发来的应答 ACK,持续时间为 SIFS+ACK=10+24=34μs。通过上述分析可以得出 MAC 层信道共享效率 η 2为:式(9)中,tF,tDIFS,tBO 和 tACK 分别表示 1 帧的传输时间、分布式帧间间隔、平均退避时间和应答时间。例二:当每帧中的数据比特数分别为 2 048×8,1 024×8 以及 256×8 时,IEEE802.11g 的信道共享效率。由规范知:tDIFS=28μs,t BO=9×7.5=67.5μs,t ACK=34μs。当数据比特数为 2 048×8 时,1 帧的传输时间为 332μs,由式(9)可得信道共享效率:同理,当数据比特数为 1 024×8 时,信道共享效率 η2=56.3%;当数据比特数为 256×8 时,信道共享效率 η2=233.1%。显而易见,随着帧长的增加,MAC 层信道共享效率逐渐增加。同时,通过减小退避过程的持续时间可以进一步提高信道共享效率,而减少退避时间的随机部分将增大发生冲突的概率。1.3 冲突避免效率如果 IEEE802.11 WLAN 工作在 DCF 模式下,那么冲突发生的概率随着活动节点数的增加而增加。表 2 给出了 IEEE802.11g 的实际传输的数据率随活动节点数变化的测量结果。这里假设只要信道空闲,每一节点都试图发送数据;各节点和 AP 之间没有任何阻挡,各节点位于以 AP 为中心,半径约 2m 的圆周上。由表 2 可见,随着活动节点数的增多,网络实际传输的数据率逐渐降低。2 结语基于 IEEE802.11g 的 WLAN 由于工作在较低的 2.4 GHz 频段,且采用 0FDM调制,使其具有较大的覆盖范围以及较高的传输速率。虽然在 IEEE802.11g 规范中,标称数据率最高达 54 Mb/s,但是实际传输的数据率远远达不到标称值,原因如下:一是在 IEEE802.1lg 成帧过程中引入了较大的开销;二是基于CSMA/CA 的 MAC 层,其退避过程时间较长,信道共享效率低;三是由于多个节点竞争信道引起冲突,导致帧的重传。即便只有一个节点使用信道(不存在冲突,即冲突避免效率为 1),当每帧的数据比特数为 2 048×8 时,信道利`用效率η=η1×η2=O.914×O.719=65.7%;当每帧的数据比特数分别为 1 024×8 以及 2 564×8 时,信道利用效率分别只有 47.5%和 19.6%。通过上述分析和计算,可见帧长越长,MAC 层信道利用效率越高。然而,基于 IEEE802.11g 的 WLAN 只在 MAC 层进行检错而不纠错,一旦 CRC 校验发现错误,就会要求重传该帧。WLAN 工作的无线传播环境比较恶劣,实际物理层传输误比特率的量级一般在 10-5 左右。显而易见,帧长越长,误帧率越高;例如,当帧长为 20 000 b 时,误帧率将达到 10%以上。考虑到物理层传输误码之后,帧长不能过大,所以基于 IEEE802.11g 的 WLAN 的实际传输速率往往在 24 Mb/s 以下,实测结果也证实了分析结论的有效性。[5]Yan Zhang ,Jijun Luo ,Honglin Hu,Wireless Mesh Networking Architectures Protocols and Standards,Auerbach,Dec.2006:17.2.1 无线局域网技术优势和两种主要的拓扑结构一个无线局域网可当作有线局域网的扩展来使用,也可以独立作为有线局域网的替代设施,因此无线局域网提供了很强的组网灵活性。 无线局域网(WLAN)技术的成长始于 20 世纪 80 年代中期,它是由美国联邦通信委员会(FCC)为工业、科研和医学(ISM)频段的公共应用提供授权而产生的。这项政策使各大公司和终端用户不需要获得 FCC 许可证,就可以应用无线产品,从而促进了 WLAN 技术的发展和应用。 与有线局域网通过铜线或光纤等导体传输不同的是,无线局域网使用电磁频谱来传递信息。同无线广播和电视类似,无线局域网使用频道(Airwave)发送信息。传输可以通过使用无线微波或红外线实现,但要求所使用的有效频率且发送功率电平标准,在政府机构允许的范围之内。 2.1.1WLAN 技术的优势 WLAN 是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络,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,提供传统有线局域网的功能,能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。 WLAN 技术使网上的计算机具有可移动性,能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。WLAN 利用电磁波在空气中发送和接收数据,而无需线缆介质。 与有线网络相比,WLAN 具有以下优点: ◆ 安装便捷:无线局域网的安装工作简单,它无需施工许可证,不需要布线或开挖沟槽。它的安装时间只是安装有线网络时间的零头。 ◆ 覆盖范围广:在有线网络中,网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而无线局域网的通信范围,不受环境条件的限制,网络的传输范围大大拓宽,最大传输范围可达到几十公里。 ◆ 经济节约:由于有线网络缺少灵活性,这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要,所以往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划,又要花费较多费用进行网络改造。WLAN 不受布线接点位置的限制,具有传统局域网无法比拟的灵活性,可以避免或减少以上情况的发生。 ◆ 易于扩展:WLAN 有多种配置方式,能够根据需要灵活选择。这样,WLAN 就能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络,并且能够提供像“漫游”(Roaming)等有线网络无法提供的特性。 ◆ 传输速率高:WLAN 的数据传输速率现在已经能够达到 11Mbit/s,传输距离可远至 20km 以上。应用到正交频分复用(OFDM)技术的 WLAN,甚至可以达到 54Mbit/s。 此外,无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好。对于有线局域网中的诸多安全问题,在无线局域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络,无线局域网的组建、配置和维护较为容易,一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 由于 WLAN 具有多方面的优点,其发展十分迅速。在最近几年里,WLAN 已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。 2.2.2WLAN 的拓扑结构 WLAN 有两种主要的拓扑结构,即自组织网络(也就是对等网络,即人们常称的 Ad-Hoc 网络)和基础结构网络(Infrastructure Network)。 自组织型 WLAN 是一种对等模型的网络,它的建立是为了满足暂时需求的服务。自组织网络是由一组有无线接口卡的无线终端,特别是移动电脑组成。这些无线终端以相同的工作组名、扩展服务集标识号(ESSID)和密码等对等的方式相互直连,在 WLAN 的覆盖范围之内,进行点对点,或点对多点之间的通信,如图 1 所示。 图 1 自组织网络结构 组建自组织网络不需要增添任何网络基础设施,仅需要移动节点及配置一种普通的协议。在这种拓扑结构中,不需要有中央控制器的协调。因此,自组织网络使用非集中式的 MAC 协议,例如 CSMA/CA。但由于该协议所有节点具有相同的功能性,因此实施复杂并且造价昂贵。 自组织 WLAN 另一个重要方面,在于它不能采用全连接的拓扑结构。原因是对于两个移动节点而言,某一个节点可能会暂时处于另一个节点传输范围以外,它接收不到另一个节点的传输信号,因此无法在这两个节点之间直接建立通信。基础结构型 WLAN 利用了高速的有线或无线骨干传输网络。在这种拓扑结构中,移动节点在基站(BS)的协调下接入到无线信道,如图 2 所示。 图 2 基础结构网络结构 基站的另一个作用是将移动节点与现有的有线网络连接起来。当基站执行这项任务时,它被称为接入点(AP)。基础结构网络虽然也会使用非集中式MAC 协议,如基于竞争的 802.11 协议可以用于基础结构的拓扑结构中,但大多数基础结构网络都使用集中式 MAC 协议,如轮询机制。由于大多数的协议过程都由接入点执行,移动节点只需要执行一小部分的功能,所以其复杂性大大降低。 在基础结构网路中,存在许多基站及基站覆盖范围下的移动节点形成的蜂窝小区。基站在小区内可以实现全网覆盖。在目前的实际应用中,大部分无线WLAN 都是基于基础结构网络。 一个用户从一个地点移动到另一个地点,应该被认定为离开一个接入点,进入另一个接入点,这种情形称为“漫游”。漫游功能要求小区之间必须有合理的重叠,以便用户不会中断正在通信的链路连接。接入点之间也需要相互协调,以便用户透明地从一个小区漫游到另一个小区。发生漫游时,必须执行切换操作。切换既可以通过交换局,以集中的方式来控制,也可以通过移动节点,监测节点的信号强度来实现控制,也就是非集中式切换。 在基础结构型网络中,小区大小一般都比较小。小区半径的减小,意味着移动节点传输范围的缩短,这样可以减少功率损耗。并且,小的蜂窝小区可以采用频率复用技术,从而提高系统频谱利用率。目前,提高频谱利用率的常用策略有:固定信道分配(FCA)、动态信道分配(DCA)和功率控制(PC)等。 在使用 FCA 策略时,每个小区分配有固定的资源,但与移动节点数量无关。这种策略的问题在于,它没有充分考虑移动用户的分布。在人口稀少的地区,同样分配相同数量的带宽资源给小区,但小区可能仅包含几个或者是根本不包含任何移动节点,使资源被浪费。因此,在这种情况下,频谱的利用率并不是最优的。
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