WLAN CPE部署技術(shù)探討

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逐步演進到FTTH。農(nóng)村地區(qū)基本還沒有有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，特別是我國西部的省份。而農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化離不開農(nóng)村的信息化，將寬帶推廣到農(nóng)村勢在必行。運營商在農(nóng)村進行寬帶建設(shè)，面臨設(shè)備和人工成本高、施工難度大、售后維護量大的難題。隨著無線技術(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)的無線首選設(shè)備，取決于WLAN的技術(shù)成熟性和運營商的基站布局。

1.1 WLAN技術(shù)發(fā)展

近幾年無線技術(shù)發(fā)展越來越成熟，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”覆蓋的問題。

在全球很多典型的 “最后一公里”的覆蓋實例中，WiMAX由于國內(nèi)頻率分配問題，沒有得到有效普及。隨著3G技術(shù)特別是WCDMA技術(shù)的成熟，一個扇區(qū)的帶寬最高可以達到42 Mbit/s，理論上能有效解決農(nóng)村“最后一公里”覆蓋的問題，但因為實施成本和使用費用等未能被大規(guī)模采用。WLAN經(jīng)過近10年突飛猛進的發(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到300 Mbit/s，實際速率也超過150 Mbit/s。WLAN在協(xié)議演進的同時，設(shè)備也在逐步演進，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（IEEE）成立IEEE 802.11ac工作組（TG），全面轉(zhuǎn)入下一代高速通信標準的制定工作，目標是帶來吉比特級的無線局域網(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，新標準的理論傳輸速度最高有望達到1 Gbit/s。該工作組2012年9月在美國圣地亞哥召開會議，完成了Draft 3.0的審核；在2012年11月審核Draft 4.0。芯片廠商 Broadcom、Realtek、Ralink相繼推出了支持IEEE 802.11ac的芯片。根據(jù)標準執(zhí)行的進度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況，筆者預(yù)計，2014年、2015年IEEE 802.11ac芯片將會大規(guī)模商用?，F(xiàn)階段的WLAN設(shè)備仍然以IEEE 802.11n標準為主。

由于農(nóng)村信息化薄弱，用戶的電腦以臺式機為主，無法有效接入WLAN基站；農(nóng)村居住分散，距離WLAN基站有一定的距離，最遠達到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 運營商基站條件

通過WLAN基站與用戶家庭安裝的WLAN CPE的配合，能為農(nóng)村用戶解決“最后一公里”的覆蓋問題，但必須具備另外兩個條件：數(shù)據(jù)回程、WLAN基站設(shè)備的架設(shè)選址。而運營商的2G/3G基站正好具備這兩個必要條件。成熟的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效地解決了數(shù)據(jù)回傳問題，而且運營商本身的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)備連接到中心點的WLAN基站，用戶可以通過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，我國三大運營商已經(jīng)將標準提升到IEEE 802.11n，并且以 IEEE 802.11n的 2×2為主，最高可以支持300 Mbit/s。

由于運營商的WLAN基站采用IEEE 802.11n設(shè)備，為了能夠為用戶提供足夠的帶寬，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)國家無線電委員會頒布的標準，在 2.4 GHz頻段，將頻率范圍2 400～2 483.5 MHz劃分為13個信道，見表1。

表1 2.4 GHz頻段信道配置

2.4 GHz頻段可劃分為13個信道，每個信道帶寬為5 MHz，實際頻譜占用帶寬為22 MHz，如圖2所示。實際建網(wǎng)中進行頻率規(guī)劃時，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個信道。

根據(jù)國家無線電委員會頒布的標準，WLAN在5.8 GHz頻段，頻率范圍為 5 725～5 850 MHz，其頻段信道配置見表2。

表2 5.8 GHz頻段信道配置

5.8 GHz頻段可劃分為5個信道，每個信道帶寬為20 MHz。實際建網(wǎng)中進行頻率規(guī)劃時，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的波長較長，繞射能力較5.8 GHz的要好一些。在安裝時，若用戶周邊有一些樹木等遮擋物，2.4 GHz的效果較好。

·環(huán)境因素：使用2.4 GHz的設(shè)備相對較多，如藍牙、微波爐、無繩電話、游戲機遙控器等，使用環(huán)境的干擾較多；5.8 GHz設(shè)備的環(huán)境干擾較少。

·天線角度：2.4 GHz天線的角度較大，可以設(shè)計到水平和垂直角度都能達到60°。安裝時基站和CPE有一定的高度差也不會有影響；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，效果越差。

2.4 GHz設(shè)備適合于農(nóng)村及一些丘陵地帶，一定的遮擋和地勢高低不平對信號也不會造成非常大的影響。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，沒有地勢高低的變化。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 “無線轉(zhuǎn)有線”和 “無線轉(zhuǎn)無線”（repeater）兩種模式，根據(jù)實際使用的需要進行選擇。無線轉(zhuǎn)有線模式主要是為了滿足以太網(wǎng)終端設(shè)備的接入要求；無線轉(zhuǎn)無線模式主要是為了滿足無線終端設(shè)備的接入要求。

2.3.1 無線轉(zhuǎn)有線模式

無線轉(zhuǎn)有線模式用于WLAN基站覆蓋到農(nóng)村的家庭，然后通過有線接入臺式電腦、IP機頂盒等設(shè)備，如圖4所示。

2.3.2 無線轉(zhuǎn)無線模式

無線轉(zhuǎn)無線模式用于WLAN基站無線信號覆蓋到農(nóng)村家庭CPE，CPE再次將無線信號轉(zhuǎn)出，實現(xiàn)對室內(nèi)的二次無線覆蓋。在CPE只有一個射頻的情況下，CPE同時工作在客戶端模式和AP模式。CPE用客戶端模式連接WLAN基站，用AP模式實現(xiàn)對室內(nèi)的無線覆蓋。為了能夠保證數(shù)據(jù)的有效性和及時性，CPE從基站側(cè)每接收到一個數(shù)據(jù)分組都會將無線連接切換到AP側(cè)，及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到另外一端，如圖5所示。

這種CPE只有一個射頻模塊，在進行兩側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時均采用單工模式。CPE將數(shù)據(jù)收下來之后再進行轉(zhuǎn)發(fā)，這種無線連接的切換將會使CPE有限的帶寬打?qū)φ?，以至降低整個網(wǎng)絡(luò)的效率。

（1）用戶數(shù)量限制

WLAN采用的是CSMA/CA競爭方式實現(xiàn)時間資源的競爭。如果多個CPE同時接入基站AP，一旦用戶數(shù)量過多，空中接口的搶占、競爭機制將耗費大量的空中時間片，用戶實際可用的時間、帶寬急劇縮短，用戶接入效果將變差。若其中一個用戶的信號質(zhì)量非常差，以最低速率傳送數(shù)據(jù)，將嚴重影響整個扇區(qū)下的其他所有用戶。通常單個基站AP接入終端的數(shù)量為30個，若用戶過多，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個獨立信道；若用40 MHz頻寬，2.4 GHz則只有一個獨立信道。農(nóng)村CPE對距離有一定要求，40 MHz頻寬極易受到干擾，建議采用20 MHz頻寬的方式，一個基站上由3個扇區(qū)組裝，每個扇區(qū)覆蓋 120°。

（3）多用戶各自認證

在某些特殊情況下，如兩個或多個用戶共享一個CPE，需要CPE支持多用戶各自認證，其中最主要的是基于Portal模式的多用戶各自認證。Portal技術(shù)能夠較好地解決用戶的認證和計費問題，對 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，對于基站AP表現(xiàn)的是一個MAC地址，對于多播 IGMP snooping和DCHP snooping等功能無法提供支持。為了保證IGMP snooping和DHCP snooping技術(shù)較好地實施，要求CPE對于每個終端都能虛擬出一個MAC地址，在基站的AP上呈現(xiàn)每個終端一個MAC地址的接入方式（區(qū)分家庭的每個用戶）。從計費方面考慮，多用戶認證可以有效地避免計費系統(tǒng)的混亂，避免用戶費用的流失。

3 WLAN CPE部署實踐

現(xiàn)在遼寧、四川等一些省份的運營商部署了WLAN CPE實現(xiàn)農(nóng)村和城鄉(xiāng)結(jié)合部家庭用戶的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)備支持無線和有線方式連接家庭PC。在實際部署中發(fā)現(xiàn)使用CPE對WLAN的覆蓋效果有明顯的提升，能夠獲得5～10 dB增益。對于單模CPE使用有線方式連接PC，轉(zhuǎn)發(fā)性能遠比無線方式連接PC高。同時在部署中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，在視距內(nèi)使用定向天線的CPE效果更好，在非視距內(nèi)使用全向天線能夠獲得更好的覆蓋效果。運營商在后期部署時也考慮引入5.8 GHz的CPE產(chǎn)品。5.8 GHz頻段在部署時能夠獲得5個互不干擾的頻段，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

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”問題的優(yōu)勢越來越明顯。通過在運營商的基站上進行改造，就可完成WLAN基站的部署，無需額外的基站建設(shè)投資。WLAN CPE終端有效地解決了用戶終端的網(wǎng)卡通過無線方式接入Internet的問題。

1 劉乃安.無線局域網(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.中華人民共和國無線局域網(wǎng)國家標準,2003

6 董理球.無線局域網(wǎng)的安全技術(shù)分析.福建電腦，2007(12)

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

8 金純.IEEE IEEE 802.11無線局域網(wǎng).北京:電子工業(yè)出版社,2004

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

10 鐘章隊.無線局域網(wǎng).北京:科學(xué)出版社,2004