文永鑫

（邁普通信技術(shù)股份有限公司 成都 610041）

1 背景

隨著我國(guó)信息化技術(shù)的不斷深入，城市及城郊等地方的寬帶日益成熟，從以前的ADSL逐步演進(jìn)到FTTH。農(nóng)村地區(qū)基本還沒(méi)有有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，特別是我國(guó)西部的省份。而農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化離不開(kāi)農(nóng)村的信息化，將寬帶推廣到農(nóng)村勢(shì)在必行。運(yùn)營(yíng)商在農(nóng)村進(jìn)行寬帶建設(shè)，面臨設(shè)備和人工成本高、施工難度大、售后維護(hù)量大的難題。隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，WLAN技術(shù)將為農(nóng)村寬帶建設(shè)提供有力的支撐。WLAN產(chǎn)品能否成為農(nóng)村信息化建設(shè)的無(wú)線(xiàn)首選設(shè)備，取決于WLAN的技術(shù)成熟性和運(yùn)營(yíng)商的基站布局。

1.1 WLAN技術(shù)發(fā)展

近幾年無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，最主流的技術(shù)有WiMAX、3G及WLAN，這3種技術(shù)都能有效解決農(nóng)村“最后一公里”覆蓋的問(wèn)題。

在全球很多典型的 “最后一公里”的覆蓋實(shí)例中，WiMAX由于國(guó)內(nèi)頻率分配問(wèn)題，沒(méi)有得到有效普及。隨著3G技術(shù)特別是WCDMA技術(shù)的成熟，一個(gè)扇區(qū)的帶寬最高可以達(dá)到42 Mbit/s，理論上能有效解決農(nóng)村“最后一公里”覆蓋的問(wèn)題，但因?yàn)閷?shí)施成本和使用費(fèi)用等未能被大規(guī)模采用。WLAN經(jīng)過(guò)近10年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從最早的IEEE 802.11的 2 Mbit/s速率到現(xiàn)在IEEE 802.11ac的超過(guò)1 Gbit/s的速率，已經(jīng)取得巨大的成就?，F(xiàn)在的智能通信設(shè)備（如智能終端、電腦）均嵌入了WLAN模塊。而目前應(yīng)用最廣泛的IEEE 802.11n 2×2設(shè)備，在40 MHz頻率下的理論速率可達(dá)到300 Mbit/s，實(shí)際速率也超過(guò)150 Mbit/s。WLAN在協(xié)議演進(jìn)的同時(shí)，設(shè)備也在逐步演進(jìn)，從普通功率的家用路由器到高功率的WLAN AP，再到具有智能算法的WLAN基站，這些設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的使用。

電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）成立IEEE 802.11ac工作組（TG），全面轉(zhuǎn)入下一代高速通信標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目標(biāo)是帶來(lái)吉比特級(jí)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)傳輸速度。IEEE 802.11ac的核心技術(shù)主要基于IEEE 802.11a，繼續(xù)工作在5.0 GHz頻段上以保證向下的兼容性，新標(biāo)準(zhǔn)的理論傳輸速度最高有望達(dá)到1 Gbit/s。該工作組2012年9月在美國(guó)圣地亞哥召開(kāi)會(huì)議，完成了Draft 3.0的審核；在2012年11月審核Draft 4.0。芯片廠(chǎng)商 Broadcom、Realtek、Ralink相繼推出了支持IEEE 802.11ac的芯片。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的進(jìn)度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況，筆者預(yù)計(jì)，2014年、2015年IEEE 802.11ac芯片將會(huì)大規(guī)模商用。現(xiàn)階段的WLAN設(shè)備仍然以IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)為主。

由于農(nóng)村信息化薄弱，用戶(hù)的電腦以臺(tái)式機(jī)為主，無(wú)法有效接入WLAN基站；農(nóng)村居住分散，距離WLAN基站有一定的距離，最遠(yuǎn)達(dá)到3 km，因此高功率WLAN CPE（customer-provided equipment）作為農(nóng)村寬帶建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備被引入。

1.2 運(yùn)營(yíng)商基站條件

通過(guò)WLAN基站與用戶(hù)家庭安裝的WLAN CPE的配合，能為農(nóng)村用戶(hù)解決“最后一公里”的覆蓋問(wèn)題，但必須具備另外兩個(gè)條件：數(shù)據(jù)回程、WLAN基站設(shè)備的架設(shè)選址。而運(yùn)營(yíng)商的2G/3G基站正好具備這兩個(gè)必要條件。成熟的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效地解決了數(shù)據(jù)回傳問(wèn)題，而且運(yùn)營(yíng)商本身的2G/3G基站亦可作為WLAN基站。典型應(yīng)用如圖1所示，WLAN CPE作為周邊設(shè)備連接到中心點(diǎn)的WLAN基站，用戶(hù)可以通過(guò)WLAN CPE接入Internet。

2 WLAN CPE產(chǎn)品及功能選擇

近10年WLAN技術(shù)不斷更新，IEEE 802.11b最高支持 11 Mbit/s，IEEE 802.11g和 IEEE 802.11a最高支持54 Mbit/s。目前，我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)將標(biāo)準(zhǔn)提升到IEEE 802.11n，并且以 IEEE 802.11n的 2×2為主，最高可以支持300 Mbit/s。

由于運(yùn)營(yíng)商的WLAN基站采用IEEE 802.11n設(shè)備，為了能夠?yàn)橛脩?hù)提供足夠的帶寬，CPE也應(yīng)該支持IEEE 802.11n的2×2。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可以選擇工作在2.4 GHz的IEEE 802.11b/g/n設(shè)備或工作在5.8 GHz的IEEE 802.11a/n設(shè)備。

2.1 2.4 GHz頻段、5.8 GHz頻段

根據(jù)國(guó)家無(wú)線(xiàn)電委員會(huì)頒布的標(biāo)準(zhǔn)，在 2.4 GHz頻段，將頻率范圍2 400～2 483.5 MHz劃分為13個(gè)信道，見(jiàn)表1。

表1 2.4 GHz頻段信道配置

2.4 GHz頻段可劃分為13個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為5 MHz，實(shí)際頻譜占用帶寬為22 MHz，如圖2所示。實(shí)際建網(wǎng)中進(jìn)行頻率規(guī)劃時(shí)，相鄰小區(qū)應(yīng)盡量使用互不交迭的信道以減小干擾，一般選用1、6、11這3個(gè)信道。

根據(jù)國(guó)家無(wú)線(xiàn)電委員會(huì)頒布的標(biāo)準(zhǔn)，WLAN在5.8 GHz頻段，頻率范圍為 5 725～5 850 MHz，其頻段信道配置見(jiàn)表2。

表2 5.8 GHz頻段信道配置

5.8 GHz頻段可劃分為5個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為20 MHz。實(shí)際建網(wǎng)中進(jìn)行頻率規(guī)劃時(shí)，相鄰小區(qū)應(yīng)盡量使用互不交迭的信道以減小干擾，其頻段劃分如圖3所示。

2.2 WLAN CPE部署考慮的因素

在實(shí)際的組網(wǎng)中應(yīng)該考慮的因素如下。

·抗干擾能力：2.4 GHz的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，繞射能力較5.8 GHz的要好一些。在安裝時(shí)，若用戶(hù)周邊有一些樹(shù)木等遮擋物，2.4 GHz的效果較好。

·環(huán)境因素：使用2.4 GHz的設(shè)備相對(duì)較多，如藍(lán)牙、微波爐、無(wú)繩電話(huà)、游戲機(jī)遙控器等，使用環(huán)境的干擾較多；5.8 GHz設(shè)備的環(huán)境干擾較少。

·天線(xiàn)角度：2.4 GHz天線(xiàn)的角度較大，可以設(shè)計(jì)到水平和垂直角度都能達(dá)到60°。安裝時(shí)基站和CPE有一定的高度差也不會(huì)有影響；5.8 GHz的產(chǎn)品角度小很多，通常只有30°左右，若安裝距離近并且有一定的高度差，用戶(hù)感知較差。

·輸出功率：2.4 GHz頻率較低，功率轉(zhuǎn)換效率高，一般2.4 GHz設(shè)備的輸出功率高于5.8 GHz，距離越遠(yuǎn)，效果越差。

2.4 GHz設(shè)備適合于農(nóng)村及一些丘陵地帶，一定的遮擋和地勢(shì)高低不平對(duì)信號(hào)也不會(huì)造成非常大的影響。5.8 GHz設(shè)備適合于城郊結(jié)合地區(qū)，傳輸距離要求不高，沒(méi)有地勢(shì)高低的變化。但農(nóng)村在2.4 GHz設(shè)備飽和的情況下，也可以根據(jù)環(huán)境適當(dāng)選擇5.8 GHz設(shè)備。

2.3 WLAN CPE設(shè)備功能選擇

CPE部署時(shí)需要充分考慮以下功能因素，選擇適合應(yīng)用的產(chǎn)品。

CPE設(shè)備通常具有 “無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)有線(xiàn)”和 “無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)無(wú)線(xiàn)”（repeater）兩種模式，根據(jù)實(shí)際使用的需要進(jìn)行選擇。無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)有線(xiàn)模式主要是為了滿(mǎn)足以太網(wǎng)終端設(shè)備的接入要求；無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)無(wú)線(xiàn)模式主要是為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備的接入要求。

2.3.1 無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)有線(xiàn)模式

無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)有線(xiàn)模式用于WLAN基站覆蓋到農(nóng)村的家庭，然后通過(guò)有線(xiàn)接入臺(tái)式電腦、IP機(jī)頂盒等設(shè)備，如圖4所示。

2.3.2 無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)無(wú)線(xiàn)模式

無(wú)線(xiàn)轉(zhuǎn)無(wú)線(xiàn)模式用于WLAN基站無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋到農(nóng)村家庭CPE，CPE再次將無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)出，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的二次無(wú)線(xiàn)覆蓋。在CPE只有一個(gè)射頻的情況下，CPE同時(shí)工作在客戶(hù)端模式和AP模式。CPE用客戶(hù)端模式連接WLAN基站，用AP模式實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的無(wú)線(xiàn)覆蓋。為了能夠保證數(shù)據(jù)的有效性和及時(shí)性，CPE從基站側(cè)每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)分組都會(huì)將無(wú)線(xiàn)連接切換到AP側(cè)，及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到另外一端，如圖5所示。

這種CPE只有一個(gè)射頻模塊，在進(jìn)行兩側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)均采用單工模式。CPE將數(shù)據(jù)收下來(lái)之后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這種無(wú)線(xiàn)連接的切換將會(huì)使CPE有限的帶寬打?qū)φ?，以至降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。

（1）用戶(hù)數(shù)量限制

WLAN采用的是CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間資源的競(jìng)爭(zhēng)。如果多個(gè)CPE同時(shí)接入基站AP，一旦用戶(hù)數(shù)量過(guò)多，空中接口的搶占、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制將耗費(fèi)大量的空中時(shí)間片，用戶(hù)實(shí)際可用的時(shí)間、帶寬急劇縮短，用戶(hù)接入效果將變差。若其中一個(gè)用戶(hù)的信號(hào)質(zhì)量非常差，以最低速率傳送數(shù)據(jù)，將嚴(yán)重影響整個(gè)扇區(qū)下的其他所有用戶(hù)。通常單個(gè)基站AP接入終端的數(shù)量為30個(gè)，若用戶(hù)過(guò)多，可以考慮用2.4 GHz和5.8 GHz設(shè)備混合組網(wǎng)。

（2）20 MHz和 40 MHz頻寬選擇

對(duì)于IEEE 802.11n設(shè)備，最高可以支持40 MHz頻寬。若用20 MHz頻寬，2.4 GHz頻段有3個(gè)獨(dú)立信道；若用40 MHz頻寬，2.4 GHz則只有一個(gè)獨(dú)立信道。農(nóng)村CPE對(duì)距離有一定要求，40 MHz頻寬極易受到干擾，建議采用20 MHz頻寬的方式，一個(gè)基站上由3個(gè)扇區(qū)組裝，每個(gè)扇區(qū)覆蓋 120°。

（3）多用戶(hù)各自認(rèn)證

在某些特殊情況下，如兩個(gè)或多個(gè)用戶(hù)共享一個(gè)CPE，需要CPE支持多用戶(hù)各自認(rèn)證，其中最主要的是基于Portal模式的多用戶(hù)各自認(rèn)證。Portal技術(shù)能夠較好地解決用戶(hù)的認(rèn)證和計(jì)費(fèi)問(wèn)題，對(duì) Windows、Andriod、MAC OS等操作系統(tǒng)都能良好地兼容。普通CPE使用透明橋接時(shí)，對(duì)于基站AP表現(xiàn)的是一個(gè)MAC地址，對(duì)于多播 IGMP snooping和DCHP snooping等功能無(wú)法提供支持。為了保證IGMP snooping和DHCP snooping技術(shù)較好地實(shí)施，要求CPE對(duì)于每個(gè)終端都能虛擬出一個(gè)MAC地址，在基站的AP上呈現(xiàn)每個(gè)終端一個(gè)MAC地址的接入方式（區(qū)分家庭的每個(gè)用戶(hù)）。從計(jì)費(fèi)方面考慮，多用戶(hù)認(rèn)證可以有效地避免計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的混亂，避免用戶(hù)費(fèi)用的流失。

3 WLAN CPE部署實(shí)踐

現(xiàn)在遼寧、四川等一些省份的運(yùn)營(yíng)商部署了WLAN CPE實(shí)現(xiàn)農(nóng)村和城鄉(xiāng)結(jié)合部家庭用戶(hù)的Internet接入。選用的CPE絕大部分是2.4 GHz單模室外型設(shè)備，這些設(shè)備支持無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)方式連接家庭PC。在實(shí)際部署中發(fā)現(xiàn)使用CPE對(duì)WLAN的覆蓋效果有明顯的提升，能夠獲得5～10 dB增益。對(duì)于單模CPE使用有線(xiàn)方式連接PC，轉(zhuǎn)發(fā)性能遠(yuǎn)比無(wú)線(xiàn)方式連接PC高。同時(shí)在部署中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，在視距內(nèi)使用定向天線(xiàn)的CPE效果更好，在非視距內(nèi)使用全向天線(xiàn)能夠獲得更好的覆蓋效果。運(yùn)營(yíng)商在后期部署時(shí)也考慮引入5.8 GHz的CPE產(chǎn)品。5.8 GHz頻段在部署時(shí)能夠獲得5個(gè)互不干擾的頻段，因此能夠有效地降低干擾，提升網(wǎng)絡(luò)的容量。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著WLAN技術(shù)的日趨成熟，WLAN覆蓋解決農(nóng)村互聯(lián)網(wǎng)接入“最后一公里”問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。通過(guò)在運(yùn)營(yíng)商的基站上進(jìn)行改造，就可完成WLAN基站的部署，無(wú)需額外的基站建設(shè)投資。WLAN CPE終端有效地解決了用戶(hù)終端的網(wǎng)卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接入Internet的問(wèn)題。

1 劉乃安.無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)原理技術(shù)與應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004

2 IEEE 802.11.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications,1999

3 IEEE 802.11b.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications：Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band,1999

4 IIEEE 802.11.IEEE 802 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and PhysicalLayer (PHY)Specifications,Amendment 4:Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band.IEEE Standard,2003

5 GB15629.11-2003.中華人民共和國(guó)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),2003

6 董理球.無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的安全技術(shù)分析.福建電腦，2007(12)

7 沈德海.校園無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)建設(shè)方案淺談.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2008(2)

8 金純.IEEE IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng).北京:電子工業(yè)出版社,2004

9 方汗.無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組建與應(yīng)用完全手冊(cè).重慶:西南師范大學(xué)出版社,2005

10 鐘章隊(duì).無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng).北京:科學(xué)出版社,2004