康欣 曹仲晴

（1 桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林 541004）

（2 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛 266107）

建筑物内无线局域网信道特性分析

康欣1曹仲晴2

（1 桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林 541004）

（2 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛 266107）

随着社会信息化的快速发展，无线局域网通信技术日益普及。作为电脑、手机及电视等智能终端无线上网的重要场所，建筑物内部结构和设施复杂多样，为了合理设计和利用无线局域网，需要深入分析和掌握建筑物内的无线信道特性。根据无线局域网技术特点和建筑物内主要环境特征，基于电波传播机制，具体分析了无线信道传播损耗数据及预测模型并指出了工程应用中应注意的问题。

无线局域网 建筑物 信道 电波传播 模型

1 引言

社会信息化使移动互联网以及智能终端如电脑、手机和电视的应用日益普及，通过无线上网获取数据、语音和视频等服务已成为个人、家庭和企业的重要交流方式，无线局域网（WLAN）面临着强大的市场需求，一方面通过WLAN实现蜂窝网络分流，支撑移动业务增长，另一方面标准组织、设备商及运营商正推动WLAN技术向着千兆宽带迈进。因此，无线局域网将成为应用最广泛的宽带无线通信接入技术。

无线局域网的特点主要体现在：①可移动性，在网内任一地点都可实时上网；②组网灵活，可组成多种拓扑结构；③成本低，可节省大量费用。目前室内WLAN主要与无线接入系统、蓝牙设备、无绳电话、点对点或点对多点扩频通信系统等共享2.4～2.4835 GHz频段。移动WLAN采用802.11b/g/n标准，理论速率为54 Mbps和300 Mbps，通过移动终端以无线方式高速接入互联网，其热点已覆盖重要交通枢纽、人气商圈、各大高校、公共服务及休闲娱乐场所等。随着2.4 GHz无线技术的发展，特别是智能手机和平板电脑等便携WLAN设备越来越多，干扰问题也日益突出。2012年开放5.15～5.85 GHz作为新的WLAN频段，新一代主流WLAN技术802.11ac将推动其成为WLAN主要工作频段[1-4]。

作为无线上网的主要场所，建筑物内WLAN的信道受具体环境的影响很大，建筑物结构和室内设施随用途不同而变化，在组建无线局域网时应合理设计通信覆盖范围、减少通信盲区或电磁辐射的干扰及不良影响，因此，为有效利用无线局域网，需要深入分析和研究建筑物内的信道传输特性[5-7]。根据无线局域网技术特点和建筑物内的环境特征，基于电波传播机制具体分析了无线信道传播损耗模型与参数，指出了设计和应用中应注意的问题。

2 无线局域网技术及特点

无线局域网是基于IEEE802.11标准（Wi-Fi)，工作于不必授权的ISM频段中的2.4 GHz或5 GHz频段且以无线方式构成的局域网，利用射频（RF）技术和简单的存取架构让用户接入Internet热点AP（Access Point），随时随地获取信息。使用无线网卡及无线访问接入点，配合有线架构在建筑物环境和移动空间中分享网络资源，设备架设费用和系统复杂程度远低于传统的有线网络。例如有线宽带网络(ADSL和光纤等）到户后连接到AP，然后使用安装有无线网卡的电脑和智能手机即可共享上网。用户可在宾馆、住宅、机场、图书馆以及咖啡厅等无线覆盖区域内快速浏览网页、网络游戏、收发电子邮件和音视频下载等。Wi-Fi无线保真技术类似于蓝牙技术，属于主要在家庭、办公室和商业区等建筑物中使用的短距离无线技术，但具有较大的覆盖范围和更高的传输速率。无线AP作为无线用户进入有线网络的接入点，典型距离覆盖几十米至上百米，通过接入点客户端模式可以和其他AP无线连接，延伸网络覆盖范围。

图1 2.4 G频段信道划分

目前较成熟的无线局域网标准有IEEE802.11b、802.11g和802.11a，其中11b、11g标准工作在2.4 GHz频段，如图1所示。11a工作在5.15～5.825 GHz频段。IEEE802.11n标准采用OFDM、MIMO和聚合帧等技术，采用2.4 GHz和5 GHz双频带，作为下一代WLAN标准，可以同时兼容802.11a/b/g，将传输速率提高到150～600 Mbps。

WLAN与有线网络相比具有如下特点：①灵活性和移动性：无线局域网在信号覆盖区域内的任何位置都可以接入网络，同时，用户可以在移动中与网络保持连接；②安装便捷：无线局域网只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络；③易于规划和调整：无线局域网网络拓扑的改变方便灵活；④故障定位容易：无线网络只需更换故障设备即可迅速恢复网络连接；⑤易于扩展：无线局域网可以从几个用户的小型局域网通过节点间漫游扩展到拥有更多用户的网络。

无线局域网的不足之处主要体现在以下几个方面：①网络性能易受环境影响：无线局域网依靠无线电波进行信息传输，空间中的建筑物、车辆、树木、墙壁、家具、人体和其他障碍物都可能影响电磁波的传播，产生路径损耗和多径衰落，从而影响网络性能；②无线信道的传输速率低于有线信道：目前适合于个人终端和小规模网络应用；③易受内部或外界干扰：对多AP网络，同频AP子网间存在重复区域时会互相干扰；④信息和健康安全：发射功率或覆盖范围过大容易被监收从而造成信息泄漏，位置不当会影响人体健康。

因此，建筑物内无线局域网需要支持高速宽带业务、解决不同类型环境的区域覆盖、多径衰落、子网串扰以及对人体和周边环境的电磁辐射问题。建筑物内无线局域网的主要组成结构，如图2所示。主AP用于与外部互联网连接并实现对室内主要区域的覆盖，其他2个AP用于对覆盖区域在水平向（同楼层）和垂直向（不同楼层）扩展，满足整个建筑物内所有用户的无线上网需求。

图2 建筑物内WLAN区域覆盖拓扑结构

3 建筑物内环境及信道特性

无线局域网的基本特点是利用无线信号在开放空间进行信息传输，因此在建筑物内构建无线局域网需要分析建筑物及其内部环境特点和信道特性，为无线局域网设计提供依据。

3.1 建筑物内环境特征

建筑物内无线局域网信道特性主要受建筑物结构和设施的影响。建筑物是指用建筑材料构筑的空间和实体并供人们居住和进行各种活动的场所。按用途分类有：①居住建筑：供家庭或个人居住使用的建筑，又可分为宿舍、普通住宅、高档公寓和别墅；②公共建筑：供人们购物、办公、学习、医疗、旅行和体育等使用的建筑，如办公楼、商店、旅馆、影剧院、体育馆、展览馆和医院等；③工业或农业建筑：供工业或农业生产使用或直接为工业或农业生产服务的建筑，如厂房、仓库和养殖场等。

建筑结构或材料是指建筑物中由承重构件(基础、墙体、柱、梁、楼板和屋架等)组成的体系，大致有：①砖木结构建筑：这类建筑物的竖向承重构件的墙体和柱采用砖砌，水平承重构件的楼板，屋架采用木材，古代建筑和五六十年代的建筑多为此种结构；②砖混结构建筑：这类建筑物的竖向承重构件采用砖墙或砖柱，水平承重构件采用钢筋混凝土楼板；③钢筋混凝土结构建筑：这类建筑物的承重构件如梁、板、柱、墙和屋架等是由钢筋和混凝土材料构成，其围护构件如外墙和隔墙等由轻质砖或其他砌体做成；④钢结构建筑：这类建筑物的主要承重构件均是用钢材构成，多用于多层公共建筑或跨度大的建筑。

建筑物空间内的设施主要由功能和用途而定，例如家庭居住建筑一般包括客厅、卧室、书房、厨房、餐厅和卫生间，高档公寓和别墅还可能包括健身房、娱乐室、育儿室和车库等，相应地确定了其空间结构的划分和家具的布设，进一步限定了人的活动及无线上网区域。在家庭居住面积较大且内部空间分割较多时可采用一个主区域和多个无线AP形成扩展区覆盖。公共建筑的用途不同其内部设施种类多样，一般具有空间范围大、人员流动性强和局部区域密度大等特点。因此，在设计无线局域网时应了解建筑物的设计图、功能用途、结构和设施等条件，根据实际情况进行信道特性的具体分析和测试。

3.2 建筑物内信道特性

无线电波在空间的传播机制一般包括直射、反射、绕射、散射、吸收和透射等方式，无线信号将产生传播损耗、极化失配和多径效应，也可能因发射端、接收端或传播介质的移动产生多普勒效应。受传播介质的影响，WLAN信道特性随时间、空间和频率而呈现不同程度的变化，具体到建筑物内，对室内信道传播影响的主要因素包括房顶、地板、墙体和家具、陈设物等设施或物品的反射、散射、绕射和透射传播[5]。

直射（LOS）在建筑物内一般发生在无分割或阻挡的空间，电波以自由空间传播为主要特征，且损耗最小（走廊增强效应除外）；反射是室内无线局域网信道的重要传播方式，因为在四周空间受限的建筑物内，无线电信号必然要受到建筑物墙体和室内各种物体的单次和多次反射，其中以一次反射为主，反射次数越多损耗越大[6]。在反射面平滑（如建筑物墙体、天花板和地面）的情况下，反射波的方向位于入射线和法线确定的平面内且与入射波以法线为对称；散射又分为面散射和体散射，面散射是当反射面粗糙时反射波不再是向反射方向传播而是向四周发散的现象，体散射是电波在传播路径上遇到与波长相差不多(如2.4 GHz频率对应波长为12.5 cm，5.2 GHz为5.77 cm)的物品时引起的向周围的再辐射，散射可以把电波传播到直射波达不到的区域，但散射信号微弱；绕射是电波遇到障碍物边缘时改变方向的能力，在建筑物内一般以刃形绕射为主，频率越高绕射能力越小；透射则指电波穿透障碍物如墙体、地板向前传播的现象，透射损耗一般较大且与障碍物的建筑材料或介电特性密切相关。

如图3所示，某房间T点的无线接入发射设备与移动上网终端之间，在同一房间R1点为近距离直射路径，此时其他路径均可忽略；当移动到另一房间R2点时，也存在较远的直射路径，具有较好的通视条件；当移动至R3点时，则可能存在反射、绕射、散射和透射等多径传播，相比散射和绕射路径，因路径损耗相对较小，反射路径可能为主，直射路径受墙体遮挡并受到穿透衰减，若墙体为砖墙、空心墙或木质隔板时，透射信号可能仍高于反射信号。

图3 建筑物内WLAN传播路径

无线信道特性与传播频段关系密切，一般规定2.4～2.4835 GHz频段WLAN无线设备的等效全向辐射功率（EIRP）在天线增益小于10 dBi时不大于100 mW或20 dBm，当天线增益大于10 dBi时不大于500 mW或27 dBm，而2.4 GHz接收机灵敏度为-85 dBm。因此，建筑物内2.4频段的WLAN其允许的最大信道损耗为105 dBm。国际电信联盟无线电通信组在ITU-R P.1238报告[7]中给出了用于900～100 GHz频率范围建筑物内无线通信系统和无线局域网规划的传播数据和预测方法，所推荐的室内平均路径损耗L的统计模型为：

式中：f为频率，N为功率-距离损耗系数，d为发射端与接收端的距离（大于1m），Lf(n)为地板穿透损耗因子，n为发射端与接收端的地板数（n≥1）。室内阴影衰落为对数正态分布，其标准差S(dB)及不同类型建筑物环境传播损耗相关参数如表1所示。

表1 典型建筑物传播损耗相关参数

由表1看出，密集办公区的传播损耗要大于居住区，目前对商业区尚缺少充分的实测数据支持。WLAN两个频段和1.8～2 GHz频段在居住建筑物（公寓）内穿过单层地板时平均传播损耗随距离的变化情况，如图4所示。2层或更多层地板时稍远处的信号损耗将超过105 dBm（同时还应考虑衰落分布的标准差），此时用户将难以上网。参考900 MHz～2 GHz的测试结果，其一般特性为：具有大空间的建筑物环境如大型商场、室内运动场和开放式的工厂或办公区主要以视距分量或自由空间传播为主，功率-距离损耗系数约为20；狭小的空间如密集的办公建筑物内部房间之间障碍物或穿墙传播引起大的传播损耗，功率-距离损耗系数可达约40；因走廊增强效应，走廊内的路径损耗低于自由空间，功率-距离损耗系数约为18；随频率升高，绕射效应减小，墙体和家具等设施引起的传播损耗增大。

图4 居住建筑物内传播损耗随距离的变化

对于已知建筑物内部结构和设施的特定场景可进行确定性传播损耗预测，基于一致性绕射理论（UTD）和射线跟踪技术，考虑直射和单次或多次反射、绕射及散射等得出定量的传播损耗值。

3.3 建筑物内无线局域网设计方法

基于信道特性分析可知建筑物内WLAN的设计原则和实施方法如下：

①分析建筑物无线传播环境：建筑物体积、布局、建材及环境内各种干扰源都是影响信号传输质量的因素。将AP置于相对较高的位置可以有效地消除AP与无线终端之间固定或移动遮挡物的影响，从而扩大WLAN的覆盖范围；

②评估覆盖类型和范围：在空旷区域可以AP为中心用圆形和球形来划分其覆盖区域；而在规则的狭长或矩形建筑物内可用条带覆盖。保证AP覆盖区域无间隙且重叠区域最小，由于室内建筑结构和材料的复杂性，必要时通过实地测量确定；

③优先规划高密度用户区域：尽量使AP的可视面积最大且不要穿过太多的墙壁（尤其是钢筋混凝土墙体），如果建筑物是2层或2层以上建筑，或者建筑物内的间隔比较多，AP与WLAN终端之间超过两道墙，则应考虑安装另一个AP；

④根据无线终端用户数确定AP设置：无线AP的带宽由所有接入无线终端共享，如果无线AP同时与较多的无线终端连接，那么每一台无线终端所能分享得到的网络带宽就会变小，要估计无线AP的接入终端数目，保证用户上网带宽和速度；

⑤注意网络安全性：通过科学合理设置网络覆盖区域，避免不必要地扩大覆盖面积，以防止WLAN被非法使用或受到攻击，防止频道干扰并保持AP与用户的安全距离。

4 结束语

利用线局域网通过移动智能终端无线上网已成为人们的重要生活方式，未来城乡主要区域都将实现WLAN覆盖。若使无线局域网在建筑物空间内有效运行，需要对建筑物结构和室内设施环境进行分析，掌握其信道传输特性，合理设计通信覆盖范围、减少盲区或电磁辐射和干扰影响。根据无线局域网的技术要求和特点，具体分析了建筑物内的环境特点和主要电波传播机制，并结合ITU建议分析了信道传播损耗模型及参数随频段的变化，指出了无线局域网设置和工程应用中应注意的主要原则和方法，可为建筑物内的无线局域网设计和运行维护提供参考。

参考文献

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[2]段水福,历晓华,段炼.无线局域网设计与实现[M].浙江:浙江大学出版社,2007.

[3]鲁智勇,等.无线局域网及其对抗技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4]郭渊博,杨奎武,张畅,等.无线局域网安全设计及实现[M].北京:国防工业出版社,2010.

[5]BERTONI H L.现代无线通信系统电波传播[M].北京:电子工业出版社,2002.

[6]GIBSON T B,Jenn D C.Prediction and Measurement of Wall Insertion Loss[J].IEEE Trans Antennas Propagation,1999 (47):55-57.

[7]ITU-R P,1238-7.Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz[M]Geneva Switzerland:ITU-R,2012.

Analysis on Characteristics of Wireless Local Area Networks Channel in Building

KANG Xin1,CAO Zhong-qing2
(1 Information and Communication College,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China;)
(2 National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao Shandong 266107,China)

With the rapid development of society?informatization,the Wireless Local Area Networks(WLAN)technology is increasingly popularizing.Used as the important places for intelligent terminals such as computers,mobile phones,televisions and so on to connect to wireless internet,the buildings have complicated and diverse internal structures and facilities.In order to reasonably design and apply WLAN,the characteristics of wireless channels in buildings should be deeply analyzed and understood.According to the characteristics of WLAN technology and the main environment features in buildings,the propagation loss data of wireless channels and the prediction model are analyzed in detail based on the radiowave propagation mechanisms,and the problems which should be concerned in engineering application are pointed out.

Wireless Local Area Networks(WLAN);building;channel;radiowave propagation;model

TN92

A

1008-1739（2014）10-62-3

定稿日期：2014-04-26