高速無線局域網(wǎng)室外信號抗干擾探討

陳國先

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350003)

在高速無線局域網(wǎng)(IEEE.11n技術(shù))的信號在室外傳送中遇到建筑物、山脈、植被、水體等遮擋物時(shí)，特別遇到金屬的遮擋物、金屬的房頂?shù)日系K物時(shí)，信號會發(fā)生反射、繞射或其他干擾。因?yàn)榉瓷浜屠@射的原因?qū)е滦盘栔鞑ǔ霈F(xiàn)振幅和相位的變化，造成發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)地的傳播延遲，這些波的振幅的合并被增加到信號主波中，導(dǎo)致主信號受到影響。反射波與主波不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致在接收器端的信號振幅下降［1－5］。

當(dāng)主信號波的振幅降低時(shí)，可能導(dǎo)致信號傳輸錯誤或出現(xiàn)零信號情況。當(dāng)反射波與到達(dá)接收器的主波不協(xié)調(diào)時(shí)，會導(dǎo)致信號的振幅大量的減少，這樣信噪比一般非常低，信號自身將非常接近噪聲的底線，造成要求發(fā)送器重新發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少無線局域網(wǎng)的吞吐量。

高速無線局域網(wǎng)工作頻段是2.4 GHz和5.8 GHz，這些無線信道為共享信道，頻率資源非常有限。隨著工作頻率及數(shù)據(jù)率的提高，無線的傳播范圍也會降低，因此，如果不考慮高速無線局域網(wǎng)的各種干擾，傳輸速率會隨著距離的增加而降低。當(dāng)移動端遠(yuǎn)離AP節(jié)點(diǎn)時(shí)，會造成通信質(zhì)量差甚至無法連接。

1 室外傳播路徑干擾

1.1 地面?zhèn)鞑シ瓷鋼p耗

在高速無線局域網(wǎng)中，當(dāng)發(fā)射天線向接收天線發(fā)送信號時(shí)，室外的地面通信收發(fā)天線之間的建筑物、山脈和植被等會阻礙接收天線與發(fā)射天線之間的視距。在這種情況下，通常依靠各種地表面反射波和直射波來完成通信。

假設(shè)發(fā)射天線和接收天線之間是一塊平坦的地面，都處于地球海拔高度之上，發(fā)射天線高度為Ht，接收天線的高度為Hr，發(fā)射天線與接收天線之間距離為D，如圖1所示。這樣發(fā)射天線與接收天線之間由直接路徑和地面反射路徑組成一個雙射線傳輸。

圖1 地面反射示意圖

直接路徑的長度

反射路徑的長度

由于直接入射波與地面反射波之間不同路徑長度引起的衰減較小，可以忽略不計(jì)，但2條路徑的相位差對路徑長度影響較大，不能忽略。反射線和入射線之間的路徑差ΔD=D2－D1。如果D比Ht和Hr都要大，則直接路徑長度約為

2條路徑相應(yīng)的相位差為

式(5)中λ為傳輸波長，2條路徑相應(yīng)的相位差與傳輸波長成反比。

在接收天線處的接收功率為

式(6)［1］中:Pt為輸入功率;Gt為發(fā)送天線的增益;Gr為接收天線的增益。如果D比Ht和Hr大很多，而sinθ可用 θ來近似表示，則式(6)可簡化為

用對數(shù)表示為

式(8)表明:天線高度加倍，接收功率增加6 dB;收發(fā)天線之間的距離加倍，接收功率下降12 dB。

以上公式D大于Ht和Hr，故Δφ很小，且地面?zhèn)鞑シ匠滩豢紤]λ，使得地面?zhèn)鞑?shí)際上與頻率無關(guān)。地面?zhèn)鞑シ瓷浞匠瘫硎景l(fā)射天線和接收天線的高度對傳播影響較大。接收信號功率按收發(fā)天線之間距離的4次冪的衰減。

1.2 繞射損耗

繞射指電磁波通過一個小裂縫遠(yuǎn)端發(fā)生擴(kuò)散的現(xiàn)象，繞射機(jī)理經(jīng)常用惠更斯原理來描述，這個原理可描述為“波陣面的每個點(diǎn)可視為進(jìn)一步傳播的一個點(diǎn)源，該點(diǎn)源在波陣面的所有方向上不是等輻射的，在波陣面的向前方向輻射更強(qiáng)”。當(dāng)在發(fā)射天線到接收天線之間遇到起伏地形、高大建筑物、樹林等障礙物時(shí)，會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，這相當(dāng)于在收發(fā)兩端有一塊隔板，這塊隔板被稱為單刃障礙，如圖2所示。如果該隔板的頂部低于視距路徑，則其影響很小。當(dāng)隔板的高度增加時(shí)，場強(qiáng)將隨視距路徑之下第1個菲涅耳區(qū)屏蔽塊［2］的增加而上下波動。如果將收發(fā)視距連線與障礙物最高點(diǎn)之間的垂直距離定義為傳播余隙h，r1為第一菲涅耳區(qū)圓半徑，則可用相對余隙h/r1來定義一個菲涅耳繞射參數(shù):

從式(9)可以看出繞射參數(shù)隨著距接收機(jī)障礙物距離d2的縮短而趨于增大。隨著接收機(jī)越來越移進(jìn)障礙物陰影區(qū)，損耗越來越接近無限大。

圖2 單刃障礙繞射傳播示意圖

根據(jù)繞射理論，接收機(jī)的場強(qiáng)由障礙物上方的平面內(nèi)所有惠更斯源的總和來計(jì)算［3］，可以用式(10)表示:

式(10)稱為復(fù)數(shù)菲涅耳積分，v表示菲涅耳－基爾霍夫參數(shù)圖3給出了單刃障礙繞射損耗與菲涅耳－基爾霍夫參數(shù)v之間的函數(shù)關(guān)系曲線(也稱單刃障礙繞射損耗)。從圖3可以看出，當(dāng)繞射參數(shù)v=0，障礙高度與收發(fā)視距連線相切，即傳播余隙h=0時(shí)，阻擋損耗約為6 dB;當(dāng)障礙物低于收發(fā)視距連線時(shí)，即繞射參數(shù)v為負(fù)值時(shí)，幾乎沒有繞射損耗;當(dāng)障礙物高于收發(fā)視距連線時(shí)，即繞射參數(shù) v為正值時(shí)，繞射損耗增加很快。

圖3 單刃障礙繞射損耗

在實(shí)際傳播中，經(jīng)常遇到多種障礙物。這種情況可以用許多種模型來分析，常用Deykgout模型［4］。這模型假設(shè)發(fā)射天線和接收天線之間沒有直射路徑，各種障礙物沒有反射波。根據(jù)發(fā)射天線和接收天線之間所遇到的障礙物按順序排列，繞射損耗由h/r1比值的最大值來確定，計(jì)算公式為

式中:h為繞射點(diǎn)相對于連線發(fā)射天線和接收天線的高度;r1為路徑中第1個菲涅耳區(qū)圓的半徑，即該點(diǎn)的垂直上的長度。

1.3 多徑信道衰落

在高速無線局域網(wǎng)的信道中，電波從發(fā)射天線到接收天線不是單一路徑，而是由很多條路徑來的直射波、反射波、折射波和繞射波的疊加，稱為多徑信道。多徑信道傳播的每一條路徑的傳播損耗和時(shí)延是不同的，接收到信號的相位也是不同的，這樣引起接收點(diǎn)的場強(qiáng)隨每一個路徑中的時(shí)延、距離和頻率不同而產(chǎn)生多徑衰落。由于無線接收信號的電腦不是固定的終端，常常從一個地方移到另一個地方進(jìn)行通信，因此當(dāng)無線接收的電腦的移動很小距離時(shí)，無線波的相位發(fā)生了變化，路徑長度也發(fā)生變化，這些變化取決于移動位置和傳輸頻率。

位置變化使接收的信號強(qiáng)度發(fā)生變化。多徑的路徑差主要由局部反射引起的，對于發(fā)射信號通過多個路徑到達(dá)接收天線時(shí)，假設(shè)所有路徑相對而言是一樣的，則不存在一條起支配作用的路徑?？梢杂萌鹄ヂ鋪肀硎荆?］，N個信號合成的復(fù)數(shù)向量為

式中:En表示第n條路徑的電場強(qiáng)度;θn表示第n條路徑的相位;向量E是一個隨機(jī)變量，表示多徑信道的效應(yīng)。

在高速無線局域網(wǎng)的信道中，有時(shí)有的路徑存在直接視距路徑，或者存在某條起支配作用的路徑，其他的路徑往往是反射路徑。反射路徑的強(qiáng)度往往比直接路徑弱，這種情況下復(fù)包絡(luò)復(fù)數(shù)向量為

式中常數(shù)項(xiàng)表示直接路徑，而和式表示反射路徑的集合。

這里可以看出，在無線局域網(wǎng)電腦接收信號時(shí)，在任何位置，接收功率保持不變時(shí)，可以選擇一個使局部反射最小的位置，從而得到最大的接收信號強(qiáng)度。

1.4 室外自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境干擾主要是指天氣條件影響了高速無線局域網(wǎng)的性能。如大風(fēng)、煙霧等極端的條件可能導(dǎo)致無線局域網(wǎng)質(zhì)量降低或室外的天線容易受到損壞，對于堆積的大雪或非常厚重的霧連貫于空中會造成信號的衍射。多風(fēng)多雨雪等天氣會對無線電產(chǎn)品的發(fā)射信號帶來巨大影響，這些信號可能將會出現(xiàn)大量的誤碼。

高速無線局域網(wǎng)工作在2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段。在頻段5.8 GHz中工作時(shí)，傾盆大雨可能導(dǎo)致0.5 dB/km的減弱，厚重的大霧能夠產(chǎn)生0.07 dB/km的減弱。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分注意這方面的影響，必須使用增加衰落儲備或較大較多的天線來解決。

高速無線局域網(wǎng)的基站一般建在山頂或樓頂，易遭受雷擊電磁脈沖的干擾和破壞。雷擊電磁脈沖使通信受到干擾，甚至造成基站的天線、設(shè)備和機(jī)房建筑物的損壞。防范保護(hù)措施主要包括屏蔽、接地、等電位連接和防雷擊電源保護(hù)。

2 結(jié)束語

高速無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，其電路高速傳送脈沖信號，對脈沖干擾的反應(yīng)特別敏感。在高速無線局域網(wǎng)傳播電波過程中，會產(chǎn)生各種干擾和信號衰落，解決的辦法為:在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有針對性地進(jìn)行處理，給接收信號強(qiáng)度增加衰落儲備，即增加一些額外發(fā)射功率，可以使用雙天線和瑞利衰落信道，10 dB的容限可以達(dá)到99%的可靠度。對多徑時(shí)延擴(kuò)展的干擾采用調(diào)制技術(shù)如正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)、定向天線或智能天線技術(shù)。有的干擾經(jīng)常出現(xiàn)誤比特率或誤分組率，可以采用差錯控制編碼。采用多天線和增大發(fā)射機(jī)的輸出功率是抗干擾的有效措施。合理布置AP位置，降低AP發(fā)射功率，減少AP覆蓋范圍，也可以減少AP之間的相互干擾。

［1］Abrmowitz M，Stegun I.Handbook of Mathematical Functions［M］.New York:Dover，1964:23 －30.

［2］Saleh A A M，Valenzuela R A.A statistical model for indoor multipath propagation［J］.IEEE J Selected Areas Commun 1987，5:128 －137.

［3］Simon Haykin，Michael Moher.ModernWirelessCommunications［M］.［S.l.］:Pearson Education Inc publishing as Prentice Hall，2005:14 －20.

［4］Jakes W C.MicrowaveMobileCommunications［M］.New York:Wiley，1974:45 －67.

［5］Stutzman W L，Thiele G A.Antenna Theory and Design［M］.New York:Wiley，1998:123 －130.