科学而非艺术 谈无线局域网规划

网络 无线技术
本文作者认为:强加给工业无线局域网(Wireless LAN, WLAN)的要求严重地超过了家庭或者办公室应用的范畴。

工厂管理者深知即使是一个很小的网络故障也可能导致极其严重的损失。除此之外,还有典型工业环境的干扰源以及在自动化解决方案中决定覆盖范围和数据速率的现实难题。幸运的是,目前已经出现了为数不少的软件辅助工具,可以帮助专业人员去掉规划中的臆测部分,从而提供既安全又可靠的无线网络应用。

人们常持有的观点是无线局域网是不能够进行规划的,只有现场安装才能显示出无线局域网的可行性。归结而言,这种观点就像是说在建造房子时可以通过省略建筑计划来节省建筑的费用。事实上,这样做将会导致无穷无尽的问题,以及昂贵的故障整顿费用。

没有可靠的规划,就不可能快速且有效地建造可靠的无线局域网。在规划某一无线局域网时,很多经验丰富的专业人员也仅仅是粗略地计算一下各个路由就制定出了他们的计划。这种情况下,整个区域的网络质量最多是通过测量无线电覆盖域来证实一下而已,若可能的话再作一些改进。而大部分的用户并不熟悉也很难处理那么多对应的公式和数值。更好的办法可以是:在开始之前,把诸如覆盖域、信号质量、干扰以及无线网络所处环境等因素统统考虑进去,准确地进行规划。

对无线电传播的影响

无线局域网一般工作在四个模式之一(IEEE802.11 a/b/g/h),处在2.4GHz或者5 GHz频带。在2.4GHz频带,三个不重叠的频道可供使用;而在5 GHz频带,依据地区规则和所使用模式的不同,供使用的不重叠的信道数目可以达到19个。后者所拥有的更多的不重叠信道数目意味着在同样的区域可以运转更多的接入点而没有相互间的干扰。这就使得接入点信道分配更加容易,并可以增加在给定区域内的无线局域网的传输吞吐量。

最初规划阶段的网络仿真图

微波炉、无绳电话和蓝牙设备也都是可能的干扰源,它们可以通过提高背景噪声来影响无线信号。由于这些设备大都工作在频谱的2.4GHz部分,在工业上使用“不拥挤”的5GHz频带将会产生较少的信号衰减和性能损失。

由于电磁波在空间中的三维传播,随着到信号源的距离的增加,信号的功率级急剧下降,如墙体或机器之类的障碍物可能会加剧这样的衰减。这些因素在规划网络时也是必须要考虑的。但是,5GHz频带的信号衰减要比处于2.4GHz频带的信号衰减更加明显,这是因为波长越短,被吸收和失真的程度越高。

专业人员还要切记工业环境中的空间状况可能会改变,从而导致动态的无线电覆盖域。这种动态的状况,技术上称之为多路径失真,可能会影响信号质量,不过并不一定能导致信号的绝对强度的劣化。

无线局域网规划工具把上述种种情况(干扰、信号吸收与失真等等)统统考虑了进来,去除了网络规划中的诸多臆测。这些工具允许使用者对特定场景下的情况进行仿真,以确定即使在最恶劣的场合,无线网络依然保持有效并且功能齐全。#p#

改善信号质量

很多情况下,通过选择合适的天线类型可以较大程度地补偿电磁场强度的损失。一般而言,有三种类型的天线可用选择:全向天线(omni-directional antenna, omni antenna),定向天线(directional antenna)和所谓的泄漏馈线电缆(leaky feeder cable, RCoax)。

正如其名,全向天线朝所有方向传播统一的无线电信号(在一个依据天线校准的水平或垂直的平面内,360度)。这种天线的典型应用是在覆盖域已经优化了的环境中。其中,在有限的距离内存在大量的用户,而天线朝向各异。

定向天线可以在一个方向上以更大的强度传播电磁波,而在其它方向上电磁场的强度都较低。其中,传播的方向性由波束宽度和提供一半的最大传播功率的两个方向的夹角所决定。常见的方向天线的用途在于建筑物到建筑物之间的通信,或者为下述环境提供无线覆盖,包括沿狭窄的通道,或高架空间,或建筑物内部的金属架以及其它吸收无线电的障碍物之间。

工业环境也常常“造就”无法使用天线系统来提供无线通信的传输和接收的情形。这种情况,典型的如走廊,隧道或是轨道交通工具的通信。泄漏馈线电缆可以用来为固定且较窄的通道提供无线通信。Rcoax天线采用了同轴电缆的形式,并具有插槽用以发射和接收无线电信号。这种天线的好处在于使人们在狭窄的电缆范围内得到了可控的无线电场强,其长度可达200m,而信号范围则可以达到距离电缆7m的地方。此外,电缆的最大长度和信号范围依赖于接入点的功率设定结果和所使用的频率。

为了恰当地预测天线的覆盖域,重要的一点在于把天线的特征集成到所使用的规划工具中。

以仿真促规划

一个网络项目的成败往往在其早期的规划阶段就已经被决定了。在早期阶段,项目经理需要在适当的时候粗略地估计一下自动化网络的可能费用。能够用以确定一个无线局域网的详尽规划的费用及以后的情况,这样的功能是很有益处的。

大部分使用者可能希望无线覆盖域是可改变的或可以针对潜在的环境变化而升级。这就需要获得在将要进行规划的区域内的各种机器和设备的精确的信息,然后建立合理的环境模型。这些数据将使得可能的模型的弱点在仿真中得到检测,并进而确定接入点和天线的最优安装位置。在验证仿真结果时,通过测量实际的信号质量,来检验上述理论。最后,一份大家都可以看到的报告为所得结果提供了证明,从而避免了因缺少严格规划方式而带来的烦恼。

当然,上述步骤可以手动计算得到,不过使用合适的规划和仿真软件事实上将会更加全面,因为在大规模的计算机信号强度/质量矩阵中不可避免地包含了数目巨大的预测值。使用完全计算机化的流程,其更深层次的关键性的优势在于可以仿真大量的场景,有必要的话也可以使用迭代的方法,而不必与无线硬件掺和在一起。直到可预测的无线局域网阶段已经确定,再购买实际的设备。这样可以排除稍后的昂贵的返工阶段。此外,未来的网络扩展亦可基于已存储的早期规划结果进行。#p#

参数对信号质量的影响

各家独立的制造商提供的无线局域网设备的参数,如模式,信道,功率级,数据传输率,等等,不同程度地影响着网络性能,因而必须是可以配置的。特定区域的规则(包括允许的传输功率输出,频率和开槽)一定要告知这些设定值。其中,允许的功率级在户内和户外应用时可能是不同的,在地区与地区之间也会有变化。

此外,由于无线网络属于一种共享的媒介,因此在每一个接入点所提供的覆盖域和每位用户获得的服务(数据传输率、可靠性等)质量之间必然要有折衷。每位用户获得的服务质量不仅会随着同时连接接入点用户数量的增加而下降,也会由于用户远离接入点(数据传输率自适应)而下降。

只有正确地规划接入点的位置和参数,才能提供给各个用户足够的服务质量。简单地给功率级以少许分贝(dB)或毫瓦(milliwatt)级的改变,或者改变其频率/信道的设定值,就可以产生大的影响。举例来说,如果在规划阶段设定其基础为“更高的功率总是好的”,这将增加在设备和在大面积内超过目标来传播不必要的敏感数据之间的干扰的风险。

信号强度、数据传输率等分布都是可以预测的,其中较弱的区域可以在彩色显示的辅助下得以识别。

在设置完上述参数并开始对所有无线局域网设备的范围、数据传输率、信号衰减和干扰因素进行仿真后,若是恰好处在某一特定高度上(水平),那么就可以使其图形可视化。当把仿真的信号质量和数据传输率等以不同的颜色显示在各个环境区域后,大概的覆盖域就呈现出了整体的情形,可以显示出,例如,一位未授权的用户是否可以在距离要求的区域较远的地方接受到信号。它还可以指示出信号间在什么地方有信道重叠导致的干扰,甚至横跨不同的背景层次。通过优化设备参数(包括天线类型和方向),可以把不良影响降到最小,而参数结果可以在新的仿真中得以显现。#p#

天线仿真

如上所述,很多情况下,可以通过改变接入点天线的类型或方向来优化网络。对于不需要全向天线的全覆盖的应用场合,定向天线甚至RCoax泄漏馈线可被用来从物理上限制无线覆盖域,甚至是在困难的场合。为了使覆盖范围最大化,天线不仅要从频率上与接入点进行分离,并且,其水平和/或垂直位置也常常需要调整。当把由附加的连接电缆所导致的衰减损失也考虑进去时,天线的精确的位置和方向要求必须是可定义的。

对特定信号强度和可能由信道重叠带来的干扰的仿真

市场上提供的大量的天线使得专业人员可以把附加的天线输入到规划工具中,并建立一个必要的目录以记录天线的种种特征,如水平和垂直的发射模式,增益,以及支持的方式。天线数据的输入格式采用非标准化的图形形式要比列表的输入函数形式更有益处,尤其是对于经验不足的用户。#p#

仿真有效果吗?

规划软件预测的仿真结果与网络规划人员输入工具的信息一样准确。当设定值与现实世界中的性能相反时,被丢失或错误建模的障碍物将会影响规划结果的准确性。规划软件中所使用的算法一般都是依据实际环境的测量结果进行改进的,因此,应该准确地把仿真环境(参数)输入进去(然后与已储存的环境库相比较,称之为错误检测(Error detecting, Ed))。一些工具,如我们的Sinema,是专业开发用来为工业环境建模的,因此相比目前许多“闭门造车”的产品更适合于工业应用。

输入新天线的频率、天线增益以及水平和垂直发射模式,进行仿真

在集成附加障碍物和天线类型以更细致的调整预测结果方面,各种规划工具也具有不同的能力。把特定目标的障碍物集成到规划工具中可以显著地增加仿真的准确度。诸如高顶存储货架或者定制的生产机械需要证明其能够被仿真软件理解并作为一个单一的对象被添加到用户目录。规划软件能够描述不同材料制造的物体的能力是相当有益的,并有助于在范围内的仿真的准确性。定制的对象也可以重复使用以便于加快对有它们出现的未来计划的建模。

尽管仿真永远不可能是百分百的真实,但是仔细地建模并正确地使用规划工具还是可以得到与真实情况相当接近的结果。

为了给一个可靠的无线局域网打下坚实的基础,规划、仿真和布局工具就必不可少。使用出色的规划工具,可以避免返工费用,而规划的可靠性也可以得到很大程度的改善。一旦正确地规划并实施,处在自动化环境中的无线局域网将为一般有线应用提供了真正所需的技术和经济的选择。

责任编辑:许凤丽 来源: CNW.com.cn
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