WLAN抗干擾分析

　　今天，WLAN已經不再僅僅是最初的一種簡便的網絡接入方式，企業的許多重要應用，諸如語音、視頻、定位等服務都逐漸部署到無線網絡上。即便是普通的網絡訪問，用戶也是希望帶寬越高越好。隨著應用的增加，無線干擾問題對網絡服務的質量影響日顯突出

　　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干擾是指干擾源發送的RF信號也符合802.11標準，除此之外都是非WLAN干擾。對WLAN干擾，可進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網絡自身的互干擾和網絡外的干擾

　　1. WLAN網絡自身的同頻干擾

　　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網絡來說，尤其是高密度部署的網絡，同一信道常常需要被不同AP使用。而這些AP之間存在著重復區域時，就存在互相干擾問題。圖2是一幅學生公寓的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為基礎的WLAN，空口是所有設備的公共傳輸媒介，兩個AP之間將根據CSMA/CA原則，進行互相退避，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域有交集，則對處于交集區域的Client而言可能會形成隱藏節點或暴露節點問題(如圖3所示)。

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　　隱藏節點和暴露節點會產生兩個方面的問題，其一是報文發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送的物理速率，導致同一AP的影響范圍擴大，也使得報文發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802.11標準，RF信號發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發射機來說，在發射頻寬之外，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設備之間的發射頻寬有重疊的部分，就會產生相互影響，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)，如果兩個設備之間距離過近且發送功率比較大，也會產生影響。

　　對一個WLAN網絡來說，鄰頻干擾包括自身的鄰頻干擾和來自鄰居網絡的鄰頻干擾。WLAN網絡應首先避免自身的鄰頻干擾，所有設備建議部署在不重疊的信道上，并且設備之間避免過近。對5G來說，相鄰設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生的干擾。

　　3.來自WLAN網絡外部的干擾

　　來自WLAN網絡外部的干擾也分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾主要包括Rogue設備、鄰居WLAN網絡、Ad hoc網絡等。WLAN工作在ISM頻段，除了WLAN設備外，還有許多非WLAN設備也工作在該頻段，如微波爐、無繩電話、藍牙設備、無線攝像機、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，導致WLAN信號無法被正確接收。還有一些非ISM頻段上的設備會在ISM頻段上產生射頻信號泄露，當臨近距離很近的情況下，會對WLAN設備形成干擾。如3G基站，當和WLAN共存于一個機架，或者共用室內饋路系統時。

　　總的來說，一個WLAN網絡，影響它的干擾源可以從以下幾個方面來考慮：

　　網絡自身的干擾

　　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網絡一般采用瘦AP架構。對無線干擾的檢測和消減既可以利用提供接入服務的AP來掃描，也可以通過專門的設備組成的網絡來進行，甚至還可以配合專門的手持RF設備來進行干擾定位。后兩者屬于頻譜分析的范圍。手持RF設備的定位，一般適用于小的網絡或小范圍的精確定位。而大的網絡，一般需要部署專門的網絡來監控。這種專門的網絡，其設備一般是處于Monitor狀態的AP，或者是專門的Sensor。這些設備會將從空口監控到的數據發給服務器，進行分析、保存和處理。

　　專門的檢測網絡和提供接入的網絡之間有兩種協作方式，其一是相互獨立方式，即檢測網絡的設備和接入網絡的設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，即檢測網絡的設備和接入網絡的設備是由相同的控制器管理的，檢測網絡的服務器也能處理來自接入網絡的AP的監控數據。集成方式的網絡相比較獨立方式的網絡來說，具有能夠統一管理、充分利用接入網絡的資源、檢測和定位方便等特點。

　　無線干擾的檢測實際就是持續地監視空口信號。當空口信號能量超過一定值后，就進行FFT變換，并進一步輸出給WLAN接收機和各種識別器(Classifier)，前者判斷干擾是否為WLAN信號，并進一步分析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：

　　網絡部署勘測和優化。即在部署網絡時需要勘測部署環境、各種阻擋物的衰減系數、規劃網絡的應用服務、規劃AP覆蓋范圍、選擇AP安裝位置、選擇合適的發射天線等。沒有良好的網絡部署，很難達到最佳的網絡性能。

　　RRM(射頻資源管理)。即對整個網絡中的各個AP進行功率優化和信道優化;

　　頻譜分析;

　　信道復用;

　　頻譜導航;即將雙頻用戶盡量引導到5G頻段上，降低2.4G上的負荷。5G上的非WLAN設備要相對少得多，信道數量多，能夠獲得非常好的性能。

　　1.RRM

　　RRM是WLAN網絡的頻譜資源管理模塊，負責空口噪聲、網絡外的WLAN干擾、空口利用率，以及AP和Client的流量交互等信息的監控和分析，并根據這些信息動態調整AP的信道，選擇最佳信道進行傳輸。信道調整必須進行整網考慮，并需要考慮對Client的影響最小。如圖6所示，要覆蓋的目標辦公區外有兩個其他網絡的AP，分別工作在信道11和信道6上，則RRM能夠根據空口掃描結果，將和它們臨近的AP自動調整到其他非干擾信道上。

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　　另一方面，RRM能夠監控本網絡中各個AP的鄰居信息、Client的RF信息等，并根據這些信息動態調整每個AP的發送功率。當發現覆蓋黑洞時，將加大發射功率;當發現同信道的鄰居AP的信號強度高于一定程度時，將降低發送功率，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境的非WLAN干擾。當頻譜分析檢測到新的干擾時，將會發出告警，并顯示干擾的類型、干擾的信道、干擾強度、占空比等信息，并可以進一步定位干擾所在位置，便于及時排除。頻譜分析還能監控整個網絡的空口性能的情況，并適時發出告警。

　　頻譜分析和RRM結合，能夠使得整個網絡在無需人工介入的情況下，及時規避干擾信道，從而保證網絡的可用性。

　　3.信道復用

　　在高密度部署的環境中，如寬敞的會議大廳、學生宿舍、圖書館等，AP部署密度比較高，常會導致同信道的AP之間可見，相互干擾嚴重。利用信道復用技術，可以進一步降低AP的覆蓋范圍，從而消彌相互干擾，提高信道重用程度。

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

　　當接收靈敏度降低時，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的接收。當提高CCA門限時，即使同信道的鄰居AP在發送信號，只要信號強度不超過CCA門限，AP仍能夠發送自己的信號。此時只要該信號到達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

　　上述幾種技術給WLAN網絡性能能夠帶來非常大的性能改善，業界普遍都實現了這些技術特性。除了上述方法外，H3C公司還創新地實現了下述技術特點。這些技術特點從802.11報文傳輸或WLAN整網協調等細節上進一步完善整個網絡，降低相互干擾，對提高WLAN網絡性能也有很好的效果。這些技術特點包括：

　　報文發送速率調整;

　　逐包功率控制;

　　智能負載均衡技術;

　　報文發送速率調整就是動態計算每個報文發送速率。H3C AP能夠針對每個Client每次發送報文或重傳報文時，都會考慮Client的信號強度、歷史發送信息等，動態計算當前報文合適的發送速率。當發送失敗時，可以根據不同環境采用不同的速率調整算法。例如，高密度部署環境下，當采用高速率導致報文發送失敗時，不會采用非常低的速率來重發報文。這是由于高密度環境下，報文發送失敗一般是由報文沖突引起的，采用非常低的發送報文時，只會導致發送報文的空口時長變長，影響的范圍更大，從而導致更大可能的沖突，引起其他AP也進一步降低發送速率，使得整個網絡處于低性能狀態。而只采用高速率重傳，即使多次發送不成功，也可以利用上層的重傳機制，最終不影響上層應用的可用性。

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

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

　　因用戶所使用網卡的差異(或者所處位置等其他差異)，同一AP下各用戶的表現往往也有差異，常會出現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會差不多相等，導致高速率每次快速發完自己的數據后都要等待低速用戶慢騰騰地發完它的數據。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，從而提高整個網絡的吞吐性能。

　　五、結束語

　　未來隨著WLAN傳輸制式的發展和其他硬件技術的完善，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。