WLAN抗干擾分析

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

一、 無(wú)線干擾的分類(lèi)和來(lái)源

無(wú)線干擾按照類(lèi)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(hào)也符合802.11標(biāo)準(zhǔn)，除此之外都是非WLAN干擾。對(duì)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(lái)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(gè)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(gè)頻段。對(duì)某些國(guó)家或地區(qū)來(lái)說(shuō)，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）。

因此，對(duì)一個(gè)大的WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，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(shí)，就存在互相干擾問(wèn)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(jiàn)，上下樓層之間的同信道AP也存在互相干擾的情況。

同頻AP之間如果可見(jiàn)，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(gè)AP之間將根據(jù)CSMA/CA原則，進(jìn)行互相退避，這勢(shì)必會(huì)大大降低性能，兩個(gè)AP的總性能將不會(huì)超過(guò)一個(gè)信道的性能。

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

隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題，其一是報(bào)文發(fā)送時(shí)需要退避或不斷重傳；其二是由于報(bào)文重傳時(shí)會(huì)降低報(bào)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(bào)文發(fā)送占用更多的空口時(shí)長(zhǎng)，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(hào)發(fā)送時(shí)其頻譜寬度有一定的要求。以2.4G為例，信號(hào)的頻譜掩碼如圖4所示：

其發(fā)射頻寬為22MHz，在距離中心頻率11MHz之外時(shí)，要求衰減超過(guò)30dB。對(duì)任何WLAN發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，在發(fā)射頻寬之外，信號(hào)也不可能馬上降低為0，而是逐漸衰減。如果兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生相互影響，形成了鄰頻干擾。即使對(duì)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(gè)設(shè)備之間距離過(guò)近且發(fā)送功率比較大，也會(huì)產(chǎn)生影響。

對(duì)一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，鄰頻干擾包括自身的鄰頻干擾和來(lái)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(guò)近。對(duì)5G來(lái)說(shuō)，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。

來(lái)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(wú)繩電話、藍(lán)牙設(shè)備、無(wú)線攝像機(jī)、戶外微波鏈路、無(wú)線游戲控制器、Zigbee、WiMax等等。非WLAN干擾源會(huì)干擾WLAN信號(hào)，導(dǎo)致WLAN信號(hào)無(wú)法被正確接收。還有一些非ISM頻段上的設(shè)備會(huì)在ISM頻段上產(chǎn)生射頻信號(hào)泄露，當(dāng)臨近距離很近的情況下，會(huì)對(duì)WLAN設(shè)備形成干擾。如3G基站，當(dāng)和WLAN共存于一個(gè)機(jī)架，或者共用室內(nèi)饋路系統(tǒng)時(shí)。

總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)，影響它的干擾源可以從以下幾個(gè)方面來(lái)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(lái)自外部的干擾

WLAN干擾

二、無(wú)線干擾的檢測(cè)

大型的WLAN網(wǎng)絡(luò)一般采用瘦AP架構(gòu)。對(duì)無(wú)線干擾的檢測(cè)和消減既可以利用提供接入服務(wù)的AP來(lái)掃描，也可以通過(guò)專門(mén)的設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行，甚至還可以配合專門(mén)的手持RF設(shè)備來(lái)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(mén)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控。這種專門(mén)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(mén)的Sensor。這些設(shè)備會(huì)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(mén)的檢測(cè)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(cè)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(wú)任何交互；另一種是集成方式，即檢測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器也能處理來(lái)自接入網(wǎng)絡(luò)的AP的監(jiān)控?cái)?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(lái)說(shuō)，具有能夠統(tǒng)一管理、充分利用接入網(wǎng)絡(luò)的資源、檢測(cè)和定位方便等特點(diǎn)。

無(wú)線干擾的檢測(cè)實(shí)際就是持續(xù)地監(jiān)視空口信號(hào)。當(dāng)空口信號(hào)能量超過(guò)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(shí)別器（Classifier），前者判斷干擾是否為WLAN信號(hào)，并進(jìn)一步分析MAC信息，后者判斷非WLAN干擾源的類(lèi)型（如圖5所示）。

三、無(wú)線干擾的避免和消減

對(duì)無(wú)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(cè)和優(yōu)化。即在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要勘測(cè)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(méi)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(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)調(diào)整到其他非干擾信道上。

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

頻譜分析能夠及時(shí)、全面地檢測(cè)出來(lái)自周?chē)h(huán)境的非WLAN干擾。當(dāng)頻譜分析檢測(cè)到新的干擾時(shí)，將會(huì)發(fā)出告警，并顯示干擾的類(lèi)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(shí)排除。頻譜分析還能監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的空口性能的情況，并適時(shí)發(fā)出告警。

頻譜分析和RRM結(jié)合，能夠使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在無(wú)需人工介入的情況下，及時(shí)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(huì)議大廳、學(xué)生宿舍、圖書(shū)館等，AP部署密度比較高，常會(huì)導(dǎo)致同信道的AP之間可見(jiàn)，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(mén)限并降低接收靈敏度。CCA，即信道空閑評(píng)估，是指WLAN芯片在向空口發(fā)射信號(hào)前需要評(píng)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(bào)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(hào)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(hào)強(qiáng)度低于接收靈敏度時(shí)，WLAN芯片將不啟動(dòng)接收動(dòng)作。

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

四、 其他無(wú)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(lái)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(bào)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(gè)網(wǎng)絡(luò)，降低相互干擾，對(duì)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(bào)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(bào)文發(fā)送速率調(diào)整就是動(dòng)態(tài)計(jì)算每個(gè)報(bào)文發(fā)送速率。H3C AP能夠針對(duì)每個(gè)Client每次發(fā)送報(bào)文或重傳報(bào)文時(shí)，都會(huì)考慮Client的信號(hào)強(qiáng)度、歷史發(fā)送信息等，動(dòng)態(tài)計(jì)算當(dāng)前報(bào)文合適的發(fā)送速率。當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)，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(bào)文發(fā)送失敗時(shí)，不會(huì)采用非常低的速率來(lái)重發(fā)報(bào)文。這是由于高密度環(huán)境下，報(bào)文發(fā)送失敗一般是由報(bào)文沖突引起的，采用非常低的發(fā)送報(bào)文時(shí)，只會(huì)導(dǎo)致發(fā)送報(bào)文的空口時(shí)長(zhǎng)變長(zhǎng)，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(gè)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(dòng)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(gè)報(bào)文時(shí)，都會(huì)根據(jù)Client的RF狀態(tài)調(diào)整當(dāng)前報(bào)文的發(fā)送功率。逐包功率控制能夠最大程度減小信號(hào)發(fā)送影響的范圍，還能同時(shí)保證AP的覆蓋范圍。

智能負(fù)載均衡技術(shù)不同于簡(jiǎn)單的負(fù)載均衡技術(shù)，無(wú)線控制器會(huì)根據(jù)Client的位置進(jìn)行判斷，只有處于兩個(gè)AP重疊區(qū)域的Client才啟動(dòng)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(gè)AP的負(fù)荷，從而降低這個(gè)AP下各個(gè)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(huì)出現(xiàn)個(gè)別用戶的速率非常低的情況。如果某AP下存在一個(gè)高速率用戶，一個(gè)低速率用戶，則由于兩個(gè)人搶到的空口機(jī)會(huì)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(guò)抑制低速率用戶占用的空口時(shí)間，降低其對(duì)空口的影響，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著WLAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛和重要。WLAN干擾的檢測(cè)和定位已經(jīng)能夠集中監(jiān)控和管理，RF管理不再是只有專業(yè)人士才能解決的范疇，一般的網(wǎng)絡(luò)管理人員也能輕松完成。未來(lái)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(huì)有更多的克服方法，用戶也會(huì)獲得更完美的WLAN體驗(yàn)。