WLAN抗干擾分析 - 全文

　　WLAN抗干擾分析

　　今天，WLAN已經(jīng)不再僅僅是最初的一種簡便的網(wǎng)絡(luò)接入方式，企業(yè)的許多重要應(yīng)用，諸如語音、視頻、定位等服務(wù)都逐漸部署到無線網(wǎng)絡(luò)上。即便是普通的網(wǎng)絡(luò)訪問，用戶也是希望帶寬越高越好。隨著應(yīng)用的增加，無線干擾問題對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量影響日顯突出

　　一、 無線干擾的分類和來源

　　無線干擾按照類型可劃分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾是指干擾源發(fā)送的RF信號也符合802.11標(biāo)準(zhǔn)，除此之外都是非WLAN干擾。對WLAN干擾，可進(jìn)一步按照頻率范圍分為同頻干擾和鄰頻干擾。按照來源劃分，可分為WLAN網(wǎng)絡(luò)自身的互干擾和網(wǎng)絡(luò)外的干擾

　　1. WLAN網(wǎng)絡(luò)自身的同頻干擾

　　同頻干擾是指兩個工作在相同頻率上的WLAN設(shè)備之間的相互干擾。WLAN工作ISM(Industry, Science and Medicine)頻段，包括2.4G和5G兩個頻段。對某些國家或地區(qū)來說，僅有2.4G頻段可用。在2.4G頻段上，互不干擾的頻段十分有限，通常只有1、6、11信道(如圖1所示)。

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　　因此，對一個大的WLAN網(wǎng)絡(luò)來說，尤其是高密度部署的網(wǎng)絡(luò)，同一信道常常需要被不同AP使用。而這些AP之間存在著重復(fù)區(qū)域時，就存在互相干擾問題。圖2是一幅學(xué)生公寓的AP部署信道排列圖，由于墻壁隔離度差，不僅同一層樓的同信道AP之間可見，上下樓層之間的同信道AP也存在互相干擾的情況。

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　　同頻AP之間如果可見，以802.11為基礎(chǔ)的WLAN，空口是所有設(shè)備的公共傳輸媒介，兩個AP之間將根據(jù)CSMA/CA原則，進(jìn)行互相退避，這勢必會大大降低性能，兩個AP的總性能將不會超過一個信道的性能。

　　如果同頻AP之間不可見但覆蓋區(qū)域有交集，則對處于交集區(qū)域的Client而言可能會形成隱藏節(jié)點(diǎn)或暴露節(jié)點(diǎn)問題(如圖3所示)。

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　　隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生兩個方面的問題，其一是報文發(fā)送時需要退避或不斷重傳;其二是由于報文重傳時會降低報文發(fā)送的物理速率，導(dǎo)致同一AP的影響范圍擴(kuò)大，也使得報文發(fā)送占用更多的空口時長，沖突幾率加大，引起更多的重傳。

　　2.鄰頻干擾

　　根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)，RF信號發(fā)送時其頻譜寬度有一定的要求。以2.4G為例，信號的頻譜掩碼如圖4所示：

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　　其發(fā)射頻寬為22MHz，在距離中心頻率11MHz之外時，要求衰減超過30dB。對任何WLAN發(fā)射機(jī)來說，在發(fā)射頻寬之外，信號也不可能馬上降低為0，而是逐漸衰減。如果兩個中心頻率不同的WLAN設(shè)備之間的發(fā)射頻寬有重疊的部分，就會產(chǎn)生相互影響，形成了鄰頻干擾。即使對不重疊的相鄰信道(如2.4G的1、6信道，11a的161、162信道)，如果兩個設(shè)備之間距離過近且發(fā)送功率比較大，也會產(chǎn)生影響。

　　對一個WLAN網(wǎng)絡(luò)來說，鄰頻干擾包括自身的鄰頻干擾和來自鄰居網(wǎng)絡(luò)的鄰頻干擾。WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首先避免自身的鄰頻干擾，所有設(shè)備建議部署在不重疊的信道上，并且設(shè)備之間避免過近。對5G來說，相鄰設(shè)備最好部署為不相鄰的信道，完全避免相鄰信道之間可能產(chǎn)生的干擾。

　　3.來自WLAN網(wǎng)絡(luò)外部的干擾

　　來自WLAN網(wǎng)絡(luò)外部的干擾也分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾主要包括Rogue設(shè)備、鄰居WLAN網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)等。WLAN工作在ISM頻段，除了WLAN設(shè)備外，還有許多非WLAN設(shè)備也工作在該頻段，如微波爐、無繩電話、藍(lán)牙設(shè)備、無線攝像機(jī)、戶外微波鏈路、無線游戲控制器、Zigbee、WiMax等等。非WLAN干擾源會干擾WLAN信號，導(dǎo)致WLAN信號無法被正確接收。還有一些非ISM頻段上的設(shè)備會在ISM頻段上產(chǎn)生射頻信號泄露，當(dāng)臨近距離很近的情況下，會對WLAN設(shè)備形成干擾。如3G基站，當(dāng)和WLAN共存于一個機(jī)架，或者共用室內(nèi)饋路系統(tǒng)時。

　　總的來說，一個WLAN網(wǎng)絡(luò)，影響它的干擾源可以從以下幾個方面來考慮：

　　網(wǎng)絡(luò)自身的干擾

　　自身的同頻干擾

　　自身的鄰頻干擾

　　來自外部的干擾

　　WLAN干擾

　　二、無線干擾的檢測

　　大型的WLAN網(wǎng)絡(luò)一般采用瘦AP架構(gòu)。對無線干擾的檢測和消減既可以利用提供接入服務(wù)的AP來掃描，也可以通過專門的設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行，甚至還可以配合專門的手持RF設(shè)備來進(jìn)行干擾定位。后兩者屬于頻譜分析的范圍。手持RF設(shè)備的定位，一般適用于小的網(wǎng)絡(luò)或小范圍的精確定位。而大的網(wǎng)絡(luò)，一般需要部署專門的網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控。這種專門的網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備一般是處于Monitor狀態(tài)的AP，或者是專門的Sensor。這些設(shè)備會將從空口監(jiān)控到的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，進(jìn)行分析、保存和處理。

　　專門的檢測網(wǎng)絡(luò)和提供接入的網(wǎng)絡(luò)之間有兩種協(xié)作方式，其一是相互獨(dú)立方式，即檢測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備是由不同控制器管理的，二者無任何交互;另一種是集成方式，即檢測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備是由相同的控制器管理的，檢測網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器也能處理來自接入網(wǎng)絡(luò)的AP的監(jiān)控數(shù)據(jù)。集成方式的網(wǎng)絡(luò)相比較獨(dú)立方式的網(wǎng)絡(luò)來說，具有能夠統(tǒng)一管理、充分利用接入網(wǎng)絡(luò)的資源、檢測和定位方便等特點(diǎn)。

　　無線干擾的檢測實(shí)際就是持續(xù)地監(jiān)視空口信號。當(dāng)空口信號能量超過一定值后，就進(jìn)行FFT變換，并進(jìn)一步輸出給WLAN接收機(jī)和各種識別器(Classifier)，前者判斷干擾是否為WLAN信號，并進(jìn)一步分析MAC信息，后者判斷非WLAN干擾源的類型(如圖5所示)。

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　　三、無線干擾的避免和消減

　　對無線干擾的避免和消減，目前有以下5種措施：

　　網(wǎng)絡(luò)部署勘測和優(yōu)化。即在部署網(wǎng)絡(luò)時需要勘測部署環(huán)境、各種阻擋物的衰減系數(shù)、規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)、規(guī)劃AP覆蓋范圍、選擇AP安裝位置、選擇合適的發(fā)射天線等。沒有良好的網(wǎng)絡(luò)部署，很難達(dá)到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。

　　RRM(射頻資源管理)。即對整個網(wǎng)絡(luò)中的各個AP進(jìn)行功率優(yōu)化和信道優(yōu)化;

　　頻譜分析;

　　信道復(fù)用;

　　頻譜導(dǎo)航;即將雙頻用戶盡量引導(dǎo)到5G頻段上，降低2.4G上的負(fù)荷。5G上的非WLAN設(shè)備要相對少得多，信道數(shù)量多，能夠獲得非常好的性能。

　　1.RRM

　　RRM是WLAN網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源管理模塊，負(fù)責(zé)空口噪聲、網(wǎng)絡(luò)外的WLAN干擾、空口利用率，以及AP和Client的流量交互等信息的監(jiān)控和分析，并根據(jù)這些信息動態(tài)調(diào)整AP的信道，選擇最佳信道進(jìn)行傳輸。信道調(diào)整必須進(jìn)行整網(wǎng)考慮，并需要考慮對Client的影響最小。如圖6所示，要覆蓋的目標(biāo)辦公區(qū)外有兩個其他網(wǎng)絡(luò)的AP，分別工作在信道11和信道6上，則RRM能夠根據(jù)空口掃描結(jié)果，將和它們臨近的AP自動調(diào)整到其他非干擾信道上。

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　　另一方面，RRM能夠監(jiān)控本網(wǎng)絡(luò)中各個AP的鄰居信息、Client的RF信息等，并根據(jù)這些信息動態(tài)調(diào)整每個AP的發(fā)送功率。當(dāng)發(fā)現(xiàn)覆蓋黑洞時，將加大發(fā)射功率;當(dāng)發(fā)現(xiàn)同信道的鄰居AP的信號強(qiáng)度高于一定程度時，將降低發(fā)送功率，從而降低相互干擾(如圖7所示)。

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　　2.頻譜分析

　　頻譜分析能夠及時、全面地檢測出來自周圍環(huán)境的非WLAN干擾。當(dāng)頻譜分析檢測到新的干擾時，將會發(fā)出告警，并顯示干擾的類型、干擾的信道、干擾強(qiáng)度、占空比等信息，并可以進(jìn)一步定位干擾所在位置，便于及時排除。頻譜分析還能監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)的空口性能的情況，并適時發(fā)出告警。

　　頻譜分析和RRM結(jié)合，能夠使得整個網(wǎng)絡(luò)在無需人工介入的情況下，及時規(guī)避干擾信道，從而保證網(wǎng)絡(luò)的可用性。

　　3.信道復(fù)用

　　在高密度部署的環(huán)境中，如寬敞的會議大廳、學(xué)生宿舍、圖書館等，AP部署密度比較高，常會導(dǎo)致同信道的AP之間可見，相互干擾嚴(yán)重。利用信道復(fù)用技術(shù)，可以進(jìn)一步降低AP的覆蓋范圍，從而消彌相互干擾，提高信道重用程度。

　　信道復(fù)用實(shí)際上是提高AP的CCA門限并降低接收靈敏度。CCA，即信道空閑評估，是指WLAN芯片在向空口發(fā)射信號前需要評估信道是否為空閑。若為空閑，則在執(zhí)行完沖突退避算法后就可以發(fā)送報文;若為忙，則需等待。接收靈敏度是指要求到達(dá)WLAN接收機(jī)的RF信號強(qiáng)度不能低于一定值，才能被正確接收。實(shí)際上，當(dāng)RF信號強(qiáng)度低于接收靈敏度時，WLAN芯片將不啟動接收動作。

　　當(dāng)接收靈敏度降低時，將會縮小AP的覆蓋范圍，但同時能夠忽略同信道的鄰居AP信號，從而不影響各自范圍內(nèi)的接收。當(dāng)提高CCA門限時，即使同信道的鄰居AP在發(fā)送信號，只要信號強(qiáng)度不超過CCA門限，AP仍能夠發(fā)送自己的信號。此時只要該信號到達(dá)Client處能夠滿足SNR(信噪比)要求，仍能被Client正確接收。

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　　四、 其他無線干擾避免和消減措施

　　上述幾種技術(shù)給WLAN網(wǎng)絡(luò)性能能夠帶來非常大的性能改善，業(yè)界普遍都實(shí)現(xiàn)了這些技術(shù)特性。除了上述方法外，H3C公司還創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了下述技術(shù)特點(diǎn)。這些技術(shù)特點(diǎn)從802.11報文傳輸或WLAN整網(wǎng)協(xié)調(diào)等細(xì)節(jié)上進(jìn)一步完善整個網(wǎng)絡(luò)，降低相互干擾，對提高WLAN網(wǎng)絡(luò)性能也有很好的效果。這些技術(shù)特點(diǎn)包括：

　　報文發(fā)送速率調(diào)整;

　　逐包功率控制;

　　智能負(fù)載均衡技術(shù);

　　報文發(fā)送速率調(diào)整就是動態(tài)計算每個報文發(fā)送速率。H3C AP能夠針對每個Client每次發(fā)送報文或重傳報文時，都會考慮Client的信號強(qiáng)度、歷史發(fā)送信息等，動態(tài)計算當(dāng)前報文合適的發(fā)送速率。當(dāng)發(fā)送失敗時，可以根據(jù)不同環(huán)境采用不同的速率調(diào)整算法。例如，高密度部署環(huán)境下，當(dāng)采用高速率導(dǎo)致報文發(fā)送失敗時，不會采用非常低的速率來重發(fā)報文。這是由于高密度環(huán)境下，報文發(fā)送失敗一般是由報文沖突引起的，采用非常低的發(fā)送報文時，只會導(dǎo)致發(fā)送報文的空口時長變長，影響的范圍更大，從而導(dǎo)致更大可能的沖突，引起其他AP也進(jìn)一步降低發(fā)送速率，使得整個網(wǎng)絡(luò)處于低性能狀態(tài)。而只采用高速率重傳，即使多次發(fā)送不成功，也可以利用上層的重傳機(jī)制，最終不影響上層應(yīng)用的可用性。

　　逐包功率控制和RRM動態(tài)調(diào)整AP功率的目的一樣，在于減少同頻AP之間的干擾。H3C AP在發(fā)送每個報文時，都會根據(jù)Client的RF狀態(tài)調(diào)整當(dāng)前報文的發(fā)送功率。逐包功率控制能夠最大程度減小信號發(fā)送影響的范圍，還能同時保證AP的覆蓋范圍。

　　智能負(fù)載均衡技術(shù)不同于簡單的負(fù)載均衡技術(shù)，無線控制器會根據(jù)Client的位置進(jìn)行判斷，只有處于兩個AP重疊區(qū)域的Client才啟動均衡，讓其Client接入到負(fù)載輕的AP上。智能負(fù)載均衡能夠減輕單個AP的負(fù)荷，從而降低這個AP下各個Client的沖突比例。

　　因用戶所使用網(wǎng)卡的差異(或者所處位置等其他差異)，同一AP下各用戶的表現(xiàn)往往也有差異，常會出現(xiàn)個別用戶的速率非常低的情況。如果某AP下存在一個高速率用戶，一個低速率用戶，則由于兩個人搶到的空口機(jī)會差不多相等，導(dǎo)致高速率每次快速發(fā)完自己的數(shù)據(jù)后都要等待低速用戶慢騰騰地發(fā)完它的數(shù)據(jù)。所以高速率用戶的性能受到了低速率用戶的很大制約。因此通過抑制低速率用戶占用的空口時間，降低其對空口的影響，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能。

　　五、結(jié)束語

　　未來隨著WLAN傳輸制式的發(fā)展和其他硬件技術(shù)的完善，WLAN干擾將會有更多的克服方法，用戶也會獲得更完美的WLAN體驗(yàn)。