3.1　Wi-Fi的信道特性

研究Wi-Fi的信道特性和信道模型对规划、设计与部署Wi-Fi网络有着十分重要的意义。根据信道特性和信道模型，可以确定AP的覆盖范围，规划AP的位置（即小区位置），尽量降低小区之间的干扰。

3.1.1　无线信道特性

在无线信道中，发射机和接收机之间的传播路径可能是两点之间的直视射线，也可能存在山脉、建筑物和各种植被等多种障碍物。在实际环境中，对电波传播起主要作用的各种反射、衍射和散射体可能是不断运动的，因而这类无线信道与固定信道有着非常显著的差别，它是随机而不可预测的。无线信道对于系统性能有非常重要的影响，无线电在信道中的传播特性直接影响着物理层和协议层的设计，以及对接收信号的处理方法。

1．无线电波传播方式

无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线，这些方式的无线电波包括自由空间波、地波、对流层反射波和电离层反射波。

就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。

第二种方式是地波。陆地无线通信系统中，无线电波主要是以地波的形式传播。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波的综合。从发射天线发出的一些能量通过直射路径直接到达接收机，另外一些能量经从地球表面反射后到达接收机，还有部分能量通过表面波方式到达接收机。表面波在地面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。由于表面波随着频率的升高衰减增大，传播距离很有限，所以在分析无线通信信道时，在距离较远时主要考虑直达波和反射波的影响。而在距离较近时，如室内场景，就要考虑表面波。

第三种方式是对流层反射波。对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。

第四种方式是电离层反射波。对于波长小于1m（频率大于300MHz）的电磁波，电离层可看作反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃。这种传播用于长距离通信。

2．电波传播机制

电磁波的传输机制非常复杂，通常有直射传播、反射传播、绕射传播、散射传播和透射传播等几种。

（1）直射传播

直射传播又称视线（Line of Sight,LoS）传播，是指在视距范围内无遮挡的传播。它是超短波和微波的主要传播方式。由于直射波是无遮挡的传播，因此该方式传播的信号强度最强。

（2）反射传播

电磁波在传播过程中如果遇到比波长大得多的障碍物时，就会发生反射。反射通常发生在地球表面、墙面、天花板和地板以及其他物体的表面。

反射是产生多径效应的重要原因。在室外应用中，经过多次反射后，信号强度已经减弱了很多，有时甚至可以忽略。而在室内，由于距离较短，反射物较多，因此要特别重视。

（3）绕射传播

移动信道中，电磁波在传播时，如果遇到的障碍物有比较尖锐的断面，那么电磁波还会发生衍射。由于衍射，电磁波会越过障碍物到达接收天线，即便在收发天线之间没有视线路径存在，接收天线仍然可以接收到电磁信号。这是因为，电磁波在障碍物的表面产生了二次波，其效果仿佛电磁波绕过了障碍物；障碍物前方的各点可以作为新的波源产生次级球面波波，次级波在障碍物的后方形成了绕射场强，从而向后逐级传播。

在移动信道中（频率较高），衍射的物理性质取决于障碍物的几何形状、衍射点电磁波的振幅、相位以及极化状态。通常当障碍物大小与波长处于同一数量级时发生衍射，在该种情况下所引起的损耗称为绕射损耗。

设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图3-1所示。图中，x表示障碍物顶点P到直射波TR的距离，称之为菲涅尔余隙。当障碍物阻挡直射波时，x＜0；当障碍物未阻挡直射波时，x＞0。

图3-1　障碍物与余隙

由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图3-2所示。图中，纵坐标为绕射所引起的绕射损耗，单位为dB；横坐标为x/x₁，其中x₁是第一菲涅尔区在P点横截面的半径。根据天线理论知识，x₁可由式（3-1）得到：

图3-2　绕射损耗与余隙关系

由图3-2可见，当x/x₁＞0.5时，绕射损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。因此，在选择天线高度时，应根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x₁；当x＜0时，绕射损耗急剧增加；当x＝0时，绕射损耗约为6dB。

（4）散射传播

在实际的移动通信中，传播介质中包含有大量几何尺寸远小于无线电波波长或者表面粗糙的颗粒，这些颗粒将会反射能量而使其散布于各个方向，即发生散射。散射的结果是造成接收信号的能量比上述反射模型和绕射模型预测的场强要大。

在实际环境中，移动信道中不光滑的物体表面、树叶、街头的各种标志以及电线杆等都可以发生散射。

（5）透射传播

当电磁波射向障碍物时可能发生透射。透射产生的损耗与物体的厚薄和材质有关。电磁波的频率也影响信号的穿透能力。

采用IEEE 802.11b/g标准对目标区域进行Wi-Fi网络覆盖时，工作频段为2.4GHz。AP发射的信号在遇到障碍物时，会产生穿透损耗。在Wi-Fi设计和建设过程中尤其需要对RF信号的穿透能力有充分的认识和估计。结合工程经验和实际测试数据，总结了Wi-Fi建设过程中常见的障碍场景下的穿透衰减情况，如表3-1所示。

　　表3-1　　　　　　　　　　　Wi-Fi的RF信号穿透衰减一览表

根据上述各种障碍场景的不同情况，在网络设计过程中需要做出合理的穿透损耗估计，以保证覆盖区域能有良好的覆盖。

在衡量墙壁等对于AP信号的穿透损耗时，需考虑AP信号入射角度。一面0.5m厚的墙壁，当AP信号和墙壁之间直线连接呈45°角入射时，相当于1m厚的墙壁；在2°时相当于超过14m厚的墙壁。所以要获取更好的接收效果应尽量使AP信号能够垂直地（90°）穿过墙壁或天花板。

3．无线信道的传播损耗和效应

无线信道的随机性与不确定性及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将会产生如下三类不同的损耗和两种效应。

（1）路径传播损耗

指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了在宏观大范围空间内传播的接收信号电平平均值的变化趋势。它是距离和障碍物的函数。自由空间的传播损耗为：

其中，f为频率（MHz），d为距离（km）。可以通过增大发射和接收天线的增益来补偿这些损耗。与自由空间的路径损耗相比平坦地面传播的路径损耗为：

式中γ＝4。

（2）慢衰落损耗

典型的慢衰落即阴影衰落，是指由于电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡而产生的阴影效应所造成的损耗。它反映了中等范围内（数百波长量级）的接收电平的均值起伏变化的趋势，一般遵从对数正态分布。

（3）快衰落损耗

大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，从而造成快衰落损耗。它反映了微观小范围内（数十波长以下量级）接收电平的均值起伏变化的趋势，一般遵从瑞利分布或莱斯分布。

慢衰落与快衰落的比较，如图3-3所示。

图3-3　快衰落和慢衰落

（4）阴影效应

当用户在覆盖区内移动，可能会经过建筑物或其他阻挡物的后面，这就会导致信号恶化后又变好的现象。

（5）远近效应

即使各用户站发射功率相同，到达相同基站的信号强弱也可能不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重它们的强弱关系，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象。

3.1.2　Wi-Fi室外信道及其特征

室外部署Wi-Fi网络，服务于室内外用户，无线连接通过空气传输数据，避免了道路使用权问题。而且，Wi-Fi网络的扩容性很好，不易受到地理位置的限制。由于无线传输提供的仅仅是一个完全透明的链路（符合IEEE 802.11），所以符合并支持所有的网络协议（如TCP/IP），兼容各种网络接口标准，满足了各种操作系统的需要。

设立室外Wi-Fi需要考虑很多因素。需要连接的建筑物必须要能保持明确的视线，高大的树木和建筑物等障碍物都会直接影响无线电波的传输。在降低标称速率的情况下，可以增加建筑物之间的传输距离，进行远距离传输。由于Wi-Fi联网设备大都要求“视距”传输，因此天线高度的设定很重要。如果天线的高度不够，靠增加功率放大或增大天线增益的方法得到的效果将非常有限。在无线覆盖区域内，要规划并选择一个不会与其他无线通信干扰的信道。通过Wi-Fi跨路连接建筑物时，天线可以安装在屋顶上，利用小型天线保持电波的集中，并避免来自其他企业的干扰。尽管无线网络利用了跳频技术，使得频率载波很难被检测到，同时，还可以在AP设置网络ID号，这样只有当双方设置了同样的ID号，用户才能和AP同步并接到网络中。此外，将传输的数据进行加密是进一步提高安全性的手段。

Wi-Fi在室外主要有以下几种结构：点对点型、点对多点型、多点对点型和混合型。

（1）点对点型常用于固定的要联网的两个位置之间，是无线联网的常用方式。使用这种联网方式建成的网络，传输距离远，传输速率高，受外界环境影响较小。

（2）点对多点型常用于有一个中心点，多个远端点的情况下。其最大优点是组建网络成本低、维护简单。由于中心使用了全向天线，设备调试相对容易。该种网络的缺点也是因为使用了全向天线，波束的全向扩散使得功率大大衰减，网络传输速率低，对于距离较远的远端点，网络的可靠性不能得到保证。其次，由于多个远端站共用一台设备，网络延迟增加，导致传输速率进一步降低，且中心设备损坏后，整个网络就会停止工作。此外，所有的远端站和中心站使用的频率相同，在有一个远端站受到干扰的情况下，其他站都要更换相同的频率；如果有多个远端站都受到干扰，频率更换将更加麻烦，且不能相互兼顾。

（3）多点对点型实际上是多个点对点型的组合，在有一个中心点多个远端点的网络中经常使用，每一个远端点在中心点都有各自对应的设备。这种方式组成的网络由于每个点采用的都是点对点方式，所以，中心点的一台设备损坏后，只会影响相关的一个点，不会使整个网络受到影响。但在组建一个较大的网络时，如果每个点都使用点对点方式，将增加网络成本。

此外，由于点对点方式在两个方向上都使用了定向天线，在设备安装调试过程中会有一些困难。但是，考虑到网络建成后使用上的稳定性以及可靠性，建议使用点对点方式组网。

（4）混合类型适用于所建网络中有远距离的点，近距离的点，还有建筑物或山脉阻挡的点的情况。在组建这种网络时，综合使用上述几种类型的组网方式。对于远距离的点使用点对点方式，近距离的多个点采用点对多点方式，有阻挡的点采用中继方式。

对于室外环境，因为一般Wi-Fi小区的覆盖范围较小，因此采用自由空间传播模型。

（1）自由空间传播损耗

自由空间是指一种充满均匀且各向同性的理想介质的无限大的空间。自由空间传播则是指电磁波在该种环境中的传播，这是一种理想的传播条件。当电磁波在自由空间中进行传播时，其能量没有介质损耗，也不会发生反射、绕射或散射等现象，只有能量进行球面扩散时所引起的损耗。

在实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r都等于1，发射点与接收点之间没有障碍物的阻挡，并且到达接收天线的地面反射信号的强度可以忽略，在这种情况下，电波可视为在自由空间传播。

根据电磁场与电磁波理论，在自由空间中，若发射点采用全向天线，且发射天线和接收天线增益分别为G_T、G_R（单位dB），则距离发射点d处的接收点的单位面积电波功率密度S为：

式中：S为接收点电波功率密度，单位为W/m²；E₀为接收点的电场强度，单位为V/m；H₀为接收点的磁场强度，单位为A/m；P_T为发射点的发射功率，单位为W；d为接收点到发射点之间的距离，单位为m。

根据天线理论，可得接收点的电波功率为：

式中：P_R为接收点的电波功率，单位为W；A_R为接收天线的有效面积，单位为m²；λ为电磁波波长，单位为m；其他变量的意义同式（3-4）。

由式（3-5）不难看出，接收点的电波功率与电波工作频率f的平方成反比、与收发天线间距离d的平方成反比，与发送点的电波功率P_T成正比。

自由空间的传播损耗L定义为有效发射功率和接收功率的比值，可表示为：

其中，L的单位为dB。

当G_T、G_R均为1时，将式（3-5）带入式（3-6）可得：

或者

式（3-7）中，d的单位为m，f的单位为Hz；式（3-8）中，d的单位为km，f的单位为MHz。

由式（3-7）和式（3-8）可知，自由空间的传播损耗仅与传播距离d和工作频率f有关，并且与d²及f²均成正比；当d或f增加一倍时，L增加6dB。

在2.4GHz频段的自由空间电磁波的传播路径损耗符合式（3-9）：

需要说明的是，前面的关系式不能用于任意小的路径长度，这是因为接收天线必须位于发射天线的远场中。对于物理尺寸超过几个波长的天线，通用的远场准则是d≥2l²/λ。其中，l为天线主尺寸。

（2）平坦反射表面（地面）的双线传播模型

除了卫星通信及个别情况外，自由空间传播损耗模型并不适用于陆地等实际环境，而比较适合的模型为平坦反射表面的双线传播模型。

假设收发信机的天线都位于地球海拔高度之上，两天线之间是平坦的地面，到达接收天线的电波是直射波和反射波之和，如图3-4所示。设发射天线和接收天线的高度分别为h_T和h_R，收发天线之间距离为d，且h_T≤d，h_R≤d。

图3-4　反射波与直射波

通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波进行处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性可用反射系数Γ表示，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，其表达式为：

式中，｜Γ｜为反射波场强与入射波场强的振幅比，φ为反射波相对于入射波的相移。

在图3-4中，由发射天线T发出的电磁波分别经直射波TR和反射波TOR到达接收天线R，由于两者之间的传播路径不同，从而会在接收天线R处产生附加相移。直射波与反射波之间的路径差为：

式中，d＝d₁＋d₂。

在实际情况下，一般d》（h_T＋h_R），则式（3-11）根据二项式定理可以展开为（只取展开式的前两项）：

将式（3-12）带入式（3-11）并化简可得：

因此，由路径差Δd引起的附加相移：

式中，2π/λ为传播相移常数。

它影响发射波和直射波之间的相位。在接收天线处的接收功率近似为：

用对数表示为：

上述两式表明，当天线高度加倍时，接收功率增加6dB；收发天线之间的距离加倍时，接收功率下降12dB。接收信号功率近似按收发天线之间的距离的4次幂的规律衰减。

实际传播环境更为复杂，但基本上都按照幂定律规律传播，即P_r＝k/dⁿ。其中n为距离功率斜率。因此，确定n非常重要。通常的做法是对大量实际测量的数值进行线性回归处理，用突变点（Break Point,BP）将双线模型的传播路径分成两个本质截然不同的区域，分别有不同的幂定律路径损耗，或者说有不同的距离功率斜率。在信道情况比较复杂时，也可以将此种方法推广至多个突变点。

理论上可以通过菲涅耳区来确定突变点的位置。突变点的位置实际上就是当地面开始阻挡第一个菲涅耳区时收发天线之间的距离。突变点离波源的距离为：

式中，A＝h_T＋h_R，B＝h_T－h_R。当频率非常高时，上式可简化为

在突变点之前的近区（在微蜂窝测量中约为150m），接收信号电平变化缓慢，距离功率斜率n₁≈2，并且会发生在介于最大值和最小值之间的剧烈震荡，振荡频率约为。在突变点之后的远区，接收信号电平以n₂≈4（通常为2～8）的幂定律衰减。

通过大量实验测量，总结得到的距离功率斜率如表3-2所示。

　　表3-2　　　　　　　　　　　不同环境下距离功率斜率

总结幂定律的传播特性可得路径损耗L_p为：

式中，L₀＝101gP_T－101gP₀为第1m的路径损耗（P₀为第1m处的接收功率），等式右边第二项为相对于第1m的接收功率损耗。实际的接收功率（dB）等于发射功率减去总路径损耗L_p。

3.1.3　Wi-Fi室内信道及其特征

在室内环境中，虽然AP覆盖范围很小，但周围环境却可能变动很大。建筑物内信号的传播受到建筑物的布局、建筑物所使用的材料、建筑物的类型以及各种干扰等因素共同作用的影响。

无线信号在室内传播也同样有4种方式：直射、反射、绕射和散射。但是，在室内环境中对无线电磁波传播的影响因素更多。例如，建筑物内部的门是否开着，收发机之间是否有人走动；同时，天线的安装位置也很重要，天线安装在桌面还是房顶对接收信号的强度有较大影响。

在同一楼层中，从900MHz到4GHz频段的无线信道衰落特性没有太大区别；但随着频率的变化和楼层的不同，就会有显著的差异。对于5GHz频段、17GHz频段和60GHz频段，其室内无线信道特性则会有更大的不同。

与室外信道相比，室内信道的信号在平均强度上表现为快变化和深度衰落。在室内环境中不存在高速移动的用户，因此，多普勒频移可以忽略。此外，室内无线信道不论是在时间还是在空间位置上都是非平稳的。

在建筑物内或室内，还要考虑波导效应对电波传播的附加影响。波导可以看作是在隧道中发生的特殊传播现象。在这种环境下，功率损耗比自由空间要小，可看作是波导增益。随着频率的增加，功率损耗减小。

对于室内环境，宜选取衰减因子模型或办公室内路径损耗模型作为室内无线传播模型，下面分别予以详细介绍。

（1）衰减因子模型

衰减因子模型适用于建筑物内的传播预测，它包含了建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化。这一模型灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准偏差约为4dB，而对数距离模型的偏差可达13dB。衰减因子模型为：

式中：d₀表示参考距离，一般取经验值1m；d表示发射机与接收机之间的距离；α表示信道衰减指数，单位为dB/m，典型办公环境取值为0.2；γ_SF表示同层测试的指数值（同层指同一建筑楼层），对于不同类型覆盖区域γ_SF有所不同，见表3-3；FAF（Floor Attenuation Factor）表示附加楼层衰减因子，在遇到障碍物时，可根据障碍物的类型折算相应的损耗，典型障碍物的FAF参考值见表3-4。

　　表3-3　　　　　　　　　　　γ_SF在各种不同区域下的取值

　　表3-4　　　　　　　　　　　典型障碍物的FAF参考值

或者在式（3-19）中，FAF由考虑多楼层影响的指数所代替，即：

式（3-20）中，，γ_MF表示基于测试的多楼层路径损耗指数，典型建筑物的路径损耗指数如表3-5所示。

　　表3-5　　　　　　　　　　　各种建筑物的路径损耗指数

一般取d₀＝1m，f＝2.4GHz，代入式（3-9）有：

根据实际工程经验，写字楼的楼层之间基本采用钢结构或混凝土结构，屏蔽信号的能力非常强，如果只考虑信号对同层的覆盖，可忽略FAF的影响，因此衰减因子模型表达式（3-19）可简化为：

对于室内环境中的传播损耗预测，可以采用经验公式法，即通过多组实际测试数据对上述理论传播模型进行校正，获得接近室内实际使用环境下的Wi-Fi无线信号传播模型。下面以某写字楼单层楼面为例，介绍基于衰减因子模型的模型校正方法。

在模型公式基础上，对某写字楼单层楼面，选取多个典型位置进行测量，通过模型校正得出特定环境的同层衰减指数γ_SF。传播损耗测试记录如表3-6所示。

　　表3-6　　　　　　　　　　　传播损耗测试记录

线性模型校正如图3-5所示。

图3-5　线性模型校正

经过线性模型校正，得到式（3-23）：

通过对理论传播模型进行线性校正确定了类似于这样的办公环境的传播模型：

即γ_SF同层衰减指数为3.5188。

结果显示其功率衰落要远大于自由空间的传播公式所得出的结果。在自由空间模型中，功率衰落同收发信机的距离的平方成反比。本例得出的模型公式显示在室内环境中的功率衰落同距离的3～4次方成反比，这是因为通过不同路径到达接收天线的电磁波产生的多径效应对主信号会产生严重干扰。

（2）办公室内路径损耗模型

参考（Universal Mobile Telecommunications System,UMTS）的路径损耗模型，终端天线高度为1.5m。室内（办公室）路径损耗基于COST 231-Hata模型，定义如下：

式（3-25）中：L_fs为收发信机之间的自由空间损耗；L_c为固定损耗，一般取37dB；k_wi为类型i的透射墙数，墙的类型一般根据墙的厚度、材料等来划分；n_f为被穿透楼层数，室内办公环境的平均值为4，计算容量时通常取3；L_wi为类型i的墙的损耗；L_f为相邻层之间的损耗；b为经验参数。表3-7为损耗类型的加权平均值。

　　表3-7　　　　　　　　　　　损耗类型的加权平均值

在办公室环境下，室内路径损耗模型为：

式（3-26）中：R为收发天线之间的距离，单位为m；n_f为在传播路径中楼层数。在任何情况下，L在数值上应大于自由空间的损耗，对数正态阴影衰落标准偏差为12dB。

如果只考虑在房间内的覆盖，则可不考虑穿墙的透射损耗。模型可简化为：

2.0GHz的UMTS和2.4GHz的Wi-Fi，两者的室内办公化环境下的路径损耗只相差约1.5dB。

与一般无线信道一样，Wi-Fi室内路径损耗模型也可用对数-距离路径损耗模型来描述，即：

式（3-28）中，n为路径损耗指数，L（d₀）为参考距离（如1m）上的路径损耗。使用环境和对应的路径损耗指数见表3-2。在室内办公环境中，路径损耗参考值为37dB，路径损耗指数取3。