3.3　通信距离与覆盖范围

3.3.1　影响Wi-Fi通信距离的因素

在Wi-Fi系统中，AP的覆盖范围是一个非常重要的技术指标。影响AP覆盖范围的因素如下。

（1）发射机输出功率

标准中指明的等效全向辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power,EIRP）就是发射机的输出功率。对于工作在2.4GHz频段的AP，欧洲一般规定其输出功率为20dBm，美国一般规定其输出功率为30dBm；对于工作在5GHz频段的AP，欧洲一般规定其输出功率为23dBm，美国一般规定其输出功率为23dBm。

（2）接收机的灵敏度

接收机的灵敏度与信号速率、调制解调方式、需要的信噪比和误码情况等因素有关。实际上，Wi-Fi网络的吞吐量随着AP与无线站点（Station,STA）间的距离增加而减少。信号速率越低，接收机的灵敏度越高，通信距离越远。此外，低速率的可靠性高。

（3）天线特性

天线的增益、方向性和极化等参数对通信距离的影响很大，尤其是方向性对覆盖范围的影响较大。

（4）工作环境

周围无线环境的物理特性影响路径损耗，从而影响通信距离。工作环境主要指视距/非视距（Non Line Of Sight,NLOS）、室内/室外、干扰和多径等方面。一般情况下，室外通信距离比室内环境要远些。

此外，AP的天线类型和AP安装的位置对通信距离也有影响。

（5）工作频率

无线电工作的频率影响通信距离，一般来说电磁波在空中的传输损耗与频率的平方成正比。

3.3.2　计算Wi-Fi通信距离的步骤

根据影响通信距离的因素，确定计算Wi-Fi通信距离的步骤如下。

（1）系统参数与变量的定义

根据设备技术指标或测试结果确定发射机的输出功率。标准中指明的最大允许EIRP就是发射机的输出功率，接收机灵敏度和天线增益等参数也可以根据设备技术指标或通过测试来确定。

（2）信号路径损耗模型的建立

依据3.1.1、3.1.2、3.1.3节介绍的信道特性和信道模型结合具体的使用环境，建立信号的路径损耗模型。

（3）计算Wi-Fi无线链路距离

根据链路方程计算通信距离。

3.3.3　Wi-Fi通信距离

1．无线链路预算

链路预算是移动通信无线网络覆盖分析最重要的手段之一，不仅应用于网络规划设计阶段，也应用于网络的优化和运营维护阶段。

链路预算能够指导规划区内单AP的覆盖范围的设置、所需AP数量的估算和站址的分布。链路预算是在保证数据传输质量的前提下，确定AP和终端之间的无线链路所能允许的最大路径损耗。由于覆盖半径和最大路径损耗直接相关，因此，只要确定传播模型，根据最大允许路径损耗就可以计算出单AP的有效覆盖范围。

微波无线链路增益损耗计算模型如图3-12所示。

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图3-12　微波无线链路增益损耗计算模型

以下是图3-12中的参数说明：

设备射频输出功率——Pt（dBm）；

系统接收灵敏度——Pro（dBm）；

发射端天线增益——Gt（dB）；

接收端天线增益——Gr（dB）；

发射端室外单元（Out Door Unit,ODU）和天线间的电缆损耗——Lft（dB）；

接收端ODU和天线间的电缆损耗——Lfr（dB）；

空间传输损耗——Ls（dB）。

则由以上变量可以推导出如下关系式：

链路储备余量

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在以上计算模型的基础上，可以计算出某具体无线链路的功率预算。但其中空间损耗Ls需要针对室内和室外两种情况分别讨论。目前许多经典的传播模型描述了传播损耗与距离的关系，3.1.2节及3.1.3节分别介绍了适合于Wi-Fi网络的室外和室内无线传播模型。

2．Wi-Fi通信距离的计算

（1）室内与室外环境下Wi-Fi通信距离的差别

设定最大发射功率，已知接收机灵敏度并选定天线类型后，就可以确定每个AP的覆盖范围，从而初步确定满足覆盖要求的AP数量和站点位置。设最大发射功率Pt＝16dBm，接收网卡天线增益Gr＝0dBi，发送端与接收端的电缆损耗Lft＝Lfr＝0，室内传播模型中衰减因子γMF＝3.14，频率f＝2.4GHz，预留余量Margin＝10dB。在室外环境下选取自由空间传播模型，计算得到的覆盖范围对应关系如图3-13所示。在室内环境下选取衰减因子模型，计算得到的覆盖范围对应关系如图3-14所示。

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图3-13　室外环境覆盖范围

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图3-14　室内环境覆盖范围

(2)2.4GHz与5GHz Wi-Fi通信距离的差别

2.4GHz和5GHz频段Wi-Fi的最基本区别就是AP的覆盖范围不同。从理论上来讲，在自由空间中，假设有共同的工作环境，系统参数也相同，在保持功率和吞吐率为常数的情况下，由于电磁波在空中传输的损耗与频率平方成正比，2.4GHz频段与5GHz频段相比，可以提供大约2倍的通信距离。

在Wi-Fi实际工作环境中，电磁波传播往往不完全符合自由空间传播模型。需要基于相应环境（如开放建筑物、半开放办公室、封闭办公室等）的特定路径损耗模型才能进行可靠的覆盖分析。在这些环境下电磁波传播过程中存在突变点，其路径损耗不能用单一传播模型进行描述，在突变点距离内和距离外其传输特性符合不同的模型。在突变点以下为自由空间传播，路径损耗指数为2；在突变点（5m）以上的路径损耗指数分别为2.2、3.3和4.5（分别针对开放建筑物、半开放办公室、封闭办公室）。在路径损耗依赖于Tx-Rx（Transmit-Reception，发射—接收）距离的模型中，需要有10dB的容限以克服衰落。对于双天线和瑞利衰落信道，10dB的容限可以达到99%的可靠度。

为了研究在实际环境下通信频率对覆盖范围的影响，假定在2.4GHz频段和5GHz频段都采用IEEE 802.11a协议，只是实现频段不同，就可以看出频段对覆盖范围的影响。相关的仿真结果显示，2.4GHz频段并不能提供相对于5GHz频段2倍的通信距离。

由于Es/N0门限和相应的误比特率（Bit Error Rate,BER）对于高速率发送模式非常严格，以及信号能量随着信号远离发射机而快速扩散，接收机离发射机越远，越难辨别出发送的信息。对于IEEE 802.11a的Wi-Fi网络，在距AP 10～20m的范围内，可以提供高达36～54Mbit/s的标称传输速率，能够很好地满足在用户稠密环境中要求的高吞吐率；在距离超过30～40m处，数据速率接近9～12Mbit/s。通过增加发射功率，IEEE 802.11a系统也可以在2.4GHz系统的通信距离上达到相似的数据速率。

3．Wi-Fi覆盖范围与传输速率

IEEE 802.11标准的实际传输速率与AP覆盖范围是紧密联系的，IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和IEEE 802.11a标准下单个AP的覆盖范围与传输速率的关系分别如表3-14、表3-15、表3-16所示。

　　表3-14　　　　　　　　　　　IEEE 802.11b标准的AP的覆盖范围与传输速率的关系

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注：不同厂家设备的接收机灵敏度不同。

　　表3-15　　　　　　　　　　　IEEE 802.11g标准的AP的覆盖范围与传输速率的关系

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　　表3-16　　　　　　　　　　　IEEE 802.11a标准的AP的覆盖范围与传输速率的关系

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由上表可以看出，Wi-Fi AP的覆盖范围增加时，网络的传输速率将会降低，这对Wi-Fi的规划和设计起着决定性的作用。因为一般最大传输速率只能在非常靠近AP的范围内得到，所以单个AP的标准选择是整个Wi-Fi网络规划的基础。