WLAN系統(tǒng)干擾分析與規(guī)避措施研究

馬向辰，薛 強(qiáng)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京100080）

1 概述

隨著WLAN 終端及業(yè)務(wù)應(yīng)用的普及，各大運(yùn)營(yíng)商均加大了WLAN的建設(shè)規(guī)模，并將其作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)在承載無線數(shù)據(jù)方面的重要補(bǔ)充。由于WLAN 在使用頻率、資源分配方式等方面與蜂窩網(wǎng)絡(luò)差異很大，WLAN 大規(guī)模組網(wǎng)后，WLAN的頻率規(guī)劃和干擾問題變得尤為突出，影響了WLAN的接入質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。

在目前的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化過程中，只是按照一些簡(jiǎn)單的基本原則（如在2.4 GHz頻段上使用1、6、11這3個(gè)不重疊的頻點(diǎn)）進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，對(duì)WLAN 系統(tǒng)的干擾進(jìn)行規(guī)避。在WLAN 大規(guī)模組網(wǎng)時(shí)，由于AP 部署密度較大、可以使用的頻點(diǎn)少，實(shí)際應(yīng)用效果往往不是十分理想，有必要從大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)和優(yōu)化角度，在頻率干擾規(guī)劃、設(shè)備自動(dòng)設(shè)置、底層參數(shù)調(diào)整等多方面研究干擾規(guī)避措施及方案。

2 WLAN的工作機(jī)制與使用頻段

WLAN 基于IT 局域網(wǎng)方式的非電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在工作機(jī)制、資源分配方式、頻率使用等方面與蜂窩網(wǎng)差異很大。

2.1 WLAN的工作機(jī)制

WLAN 與GSM的時(shí)分多址復(fù)用方式和TD的時(shí)分/碼分多址復(fù)用方式不同，WLAN 系統(tǒng)采用CSMA/CA（載波監(jiān)聽/沖突避免）機(jī)制，用戶間采用搶占方式占用資源，WLAN 分布式幀間隔（DCF）工作機(jī)制如圖1 所示。

（1）干擾評(píng)估

WLAN 設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過信號(hào)能量檢測(cè)與特征檢測(cè)相結(jié)合判斷信道是否被占用，如果信道被占用，則要等到信道空閑后再發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

如幀測(cè)到為WLAN 信號(hào)，判決門限-82 dBm；

如未檢測(cè)出WLAN 信號(hào)，判決門限-62 dBm。

從CSMA/CA 機(jī)制可以看出，WLAN的終端與AP（access point，訪問接入點(diǎn)）是對(duì)等的，某一時(shí)刻只有一個(gè)終端或AP 在發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，WLAN 缺乏根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源與終端業(yè)務(wù)的帶寬需求，進(jìn)行接入控制的機(jī)制。

（2）隨機(jī)退避

多個(gè)設(shè)備同時(shí)傳輸造成空口碰撞時(shí)，接收端無法正常解析報(bào)文，發(fā)送端要進(jìn)行重傳，發(fā)送端重傳退避使空閑等待時(shí)間延長(zhǎng)，降低信道占用率。為避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)信道空閑后，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而造成沖突，802.11 采用了二進(jìn)制隨機(jī)退避算法來實(shí)現(xiàn)退避。

回退值（back off time） 與競(jìng)爭(zhēng)窗口（contention w indow）設(shè)置相關(guān)，回退值會(huì)在[0，CW-1]選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并乘以Slot time（9 us）。CW 為CWmax與CWmin之間的一個(gè)數(shù)值，CWmax與CWmin可用公式CWmax=CWmin×2n-1表示，其中，CWmax取值最大不超過1 024，CWmin最小取值為32。

從以上算法可以看出，隨著接入用戶數(shù)的增多，數(shù)據(jù)并發(fā)、退避幾率增加，網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量、用戶接入速率會(huì)顯著下降。

2.2 WLAN的使用頻段

WLAN 主要使用2.4 GHz 和5 GHz 兩段非專用授權(quán)頻段，在此頻段，各運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)和個(gè)人WLAN設(shè)備以及其他通信設(shè)備（藍(lán)牙、對(duì)講機(jī)等）共存。

（1）2.4 GHz頻段

在我國(guó)，2.4 GHz 工作頻段范圍為2.4000～2.4835 GHz，劃分為13個(gè)子信道，每個(gè)子信道帶寬為22 MHz。其中，互不干擾的頻率只有3個(gè)，常用的是1、6、11 這3個(gè)頻點(diǎn)。2.4 GHz頻段信道分配如圖2 所示。

（2）5 GHz頻段

世界各國(guó)5 GHz的工作頻率不完全一致，各國(guó)常用頻段包括5 150～5 350 MHz、5 350～5 725 MHz、5 725～5 850 MHz，我國(guó)采用5 725～5 850 MHz 頻段，共5個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為20 MHz。5.8 GHz頻段信道分配如圖3 所示。

圖1 WLAN 分布式幀間隔（DCF）工作機(jī)制

圖2 2.4 GHz頻段信道分配

圖3 5.8 GHz頻段信道分配

3 WLAN 系統(tǒng)頻率干擾

3.1 WLAN 系統(tǒng)同頻干擾

WLAN 系統(tǒng)同頻干擾是指2個(gè)工作在相同頻率上的WLAN 設(shè)備之間的相互干擾，包括AP 與AP 之間干擾、AP 與STA 之間干擾以及STA 與STA 之間干擾。

由于WLAN 工作在開放頻段，各運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)、個(gè)人均可以搭建和使用WLAN，所以，同頻干擾可能來自于同一運(yùn)營(yíng)商、不同運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)和個(gè)人。

CSMA/CA 機(jī)制使整個(gè)WLAN 信道帶寬為所有用戶共享，只有當(dāng)信道空閑時(shí)，才允許用戶發(fā)送信息。因此，當(dāng)多AP 處于同頻沖突區(qū)域且AP 間信號(hào)彼此可達(dá)時(shí)，由于CSMA/CA 機(jī)制某一時(shí)刻只能有一個(gè)AP在接收或發(fā)送，所以，多個(gè)AP的總吞吐量不能多于一個(gè)AP的吞吐量。從另一個(gè)角度講，當(dāng)同一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)同頻AP，則平均每個(gè)AP的容量就會(huì)降低。

另外，WLAN 系統(tǒng)通過底層持續(xù)地監(jiān)聽空口信號(hào)并判定信道是否被占用，此過程出現(xiàn)的誤判也會(huì)造成干擾，這類干擾的結(jié)果主要是形成隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)。

3.2 WLAN 系統(tǒng)鄰頻干擾

WLAN 系統(tǒng)鄰頻干擾是指2個(gè)工作在相鄰信道上的WLAN 設(shè)備之間的相互干擾，一般主要是指2.4 GHz頻段信道間隔小于5的信道之間的干擾和5.8 GHz 兩個(gè)相鄰信道之間的干擾。在2.4 GHz頻段，信道間隔小于5 時(shí)，信道之間有重疊，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的干擾。

3.3 WLAN 工作頻段其他無線系統(tǒng)干擾

WLAN 系統(tǒng)工作在ISM 頻段，同時(shí)，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、脈沖雷達(dá)（5 GHz）等，這些設(shè)備工作時(shí)，也會(huì)與WLAN 系統(tǒng)之間形成干擾。在WLAN 設(shè)計(jì)與規(guī)劃時(shí)，應(yīng)注意與這些系統(tǒng)之間的空間隔離度。

3.4 WLAN 與蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的干擾

WLAN 與蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的干擾主要是指與LTE、PHS、GSM、WCDMA、TD-SCDMA等蜂窩系統(tǒng)之間的雜散干擾、交調(diào)干擾和阻塞干擾，其中，帶外雜散干擾通常是主要干擾。為減小和規(guī)避雜散干擾，需要各個(gè)系統(tǒng)之間保持一定的隔離度。

根據(jù)各系統(tǒng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的雜散干擾隔離度見表1。

4 WLAN 干擾規(guī)避主要措施

4.1 合理規(guī)劃頻率，規(guī)避同鄰頻干擾

4.1.1 2.4 GHz 同鄰頻規(guī)劃

（1）測(cè)試內(nèi)容

我國(guó)2.4 GHz頻段共劃分為13個(gè)子信道，中心頻率間隔20 m 以內(nèi)的信道有重疊部分。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域目前僅針對(duì)互不干擾的1、6、11 信道組網(wǎng)研究較多，對(duì)于鄰頻組網(wǎng)缺乏深入研究和明確結(jié)論，所以需對(duì)采用鄰頻時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析測(cè)試，以更好地指導(dǎo)頻率規(guī)劃工作。

（2）測(cè)試結(jié)果

2.4 GHz 同鄰頻組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，從圖4可以看出：在2個(gè)AP 距離較遠(yuǎn)（5 m）時(shí)，AP 信道間隔在5 以上，則2個(gè)AP 之間沒有相互干擾；在2個(gè)AP 距離較近（1 m）時(shí)，則AP 信道間隔≥7 時(shí)才有可能避免下行干擾，上行干擾基本無法避免。2.4 GHz重疊信道（如信道1、2、3 等）存在明顯干擾，且干擾隨信道間隔的增大而減小、隨距離的增大而減小。

表1 雜散干擾隔離度

圖4 2.4GHz同鄰頻組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

（3）應(yīng)用建議

2.4 GHz 重疊信道存在明顯干擾，但1、6、11 作為真正的鄰頻基本沒有干擾，規(guī)劃時(shí)可采用1、6、11組網(wǎng)。

2.4 GHz 重疊信道的相互干擾隨信道間隔的增大而減小、隨距離的增大而減小。在實(shí)際規(guī)劃中對(duì)重疊信道的應(yīng)用應(yīng)綜合AP 之間的距離進(jìn)行考慮：

· 采用信道間隔為4（即1、5、9、13）的信道組網(wǎng)時(shí)，在控制好距離的情況下，單AP 速率下降不多（間距5 m 時(shí)約為13%），但很多終端不支持13 信道，所以應(yīng)慎用；

· 采用信道間隔為3（即1、4、7、11）的信道組網(wǎng)時(shí)，單AP 速率下降較多（間距5 m 時(shí)約為50%），性能下降明顯，不建議使用。

4.1.2 5.8 GHz 同鄰頻規(guī)劃

（1） 測(cè)試內(nèi)容

我國(guó)5.8 GHz頻段共有5個(gè)互不重疊的信道，組網(wǎng)時(shí)一般考慮相鄰AP 不同頻即可，本測(cè)試對(duì)該原則進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）測(cè)試結(jié)果

5.8 GHz 同鄰頻組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，從圖5可以看出：在2個(gè)AP 采用鄰頻時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨距離的增大而增大；在2個(gè)AP 距離較遠(yuǎn)（5 m）時(shí)，只要AP 不采用鄰頻（即信道間隔超過1），則2個(gè)AP 就沒有相互干擾；在2個(gè)AP 距離較近（1 m）時(shí)，則AP 信道間隔≥3 時(shí)才有可能避免干擾。

（3）應(yīng)用建議

雖然5.8 GHz 信道劃分上沒有重疊，但仍然存在鄰頻干擾。從5.8 GHz的頻譜模板可以看出，5.8 GHz 各信道中心頻點(diǎn)間隔為20 m，20 m 帶寬邊緣處相對(duì)于峰值雖只有10 dB的差異，仍會(huì)對(duì)鄰頻產(chǎn)生明顯影響。所以，5.8 GHz 在規(guī)劃時(shí)需要注意相鄰AP 不采用鄰頻，且鄰頻AP 之間需通過合理的距離或功率規(guī)劃規(guī)避干擾。

與2.4 GHz 類似，5.8 GHz的AP 距離過近時(shí)，即使采用非鄰頻也會(huì)有干擾，所以AP 距離應(yīng)避免過近，否則很難規(guī)避干擾。

4.2 利用設(shè)備自動(dòng)配置功能，動(dòng)態(tài)選擇信道和功率

4.2.1 動(dòng)態(tài)信道調(diào)整

（1）工作原理

動(dòng)態(tài)信道調(diào)整是指AP 自動(dòng)掃描各信道占用率、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)等情況，并考慮整網(wǎng)信道分布，選擇工作在質(zhì)量好的信道。

通過動(dòng)態(tài)信道調(diào)整，AP 應(yīng)能夠自動(dòng)選擇最合適的信道，以降低干擾、提高網(wǎng)絡(luò)容量。

圖5 5.8 GHz 同鄰頻組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

（2）測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在周邊強(qiáng)干擾AP 較少的情況下，AP 能自動(dòng)調(diào)整到空閑信道；在周邊強(qiáng)干擾AP 較多的情況下，AP 無法調(diào)整到空閑信道，且AP 信道有時(shí)會(huì)在不同信道較為頻繁地切換。

（3）應(yīng)用建議

在無線環(huán)境簡(jiǎn)單的區(qū)域，動(dòng)態(tài)信道調(diào)整能得到較好的效果；在無線環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，效果較差。目前，AP 廠家通過掃描無線信號(hào)強(qiáng)度選擇信道，算法不科學(xué)，調(diào)整效果受到限制，建議考慮信道忙閑程度因素，進(jìn)一步優(yōu)化信道選擇算法。

4.2.2 動(dòng)態(tài)功率調(diào)整

（1）工作原理

動(dòng)態(tài)功率調(diào)整是指AP 自動(dòng)掃描相臨AP的發(fā)射功率情況，對(duì)AP的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整。

通過動(dòng)態(tài)功率調(diào)整，AP 應(yīng)能夠綜合網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行情況，合理設(shè)定每個(gè)AP的發(fā)射功率，使得同頻AP之間有足夠的空間及功率間隔，以提高網(wǎng)絡(luò)容量。

（2）測(cè)試結(jié)果

由于設(shè)備數(shù)量和實(shí)驗(yàn)面積受限，在試驗(yàn)過程中通過參數(shù)調(diào)整，AP 發(fā)射功率調(diào)整有限，未實(shí)現(xiàn)2個(gè)相鄰?fù)lAP 沖突域的完全獨(dú)立。

AP 能夠在一定程度上調(diào)整功率，預(yù)計(jì)在AP 數(shù)量較多時(shí)，自動(dòng)功率應(yīng)能使部分AP 功率降低，實(shí)現(xiàn)一定的容量提升，如某些相距較遠(yuǎn)的同頻AP 在功率調(diào)整時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)沖突域的隔離。

（3）應(yīng)用建議

自動(dòng)功率控制很難實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)lAP的覆蓋域隔離，且用戶功率無法控制，所以，自動(dòng)功率調(diào)整實(shí)現(xiàn)容量提升的作用有限。WLAN 覆蓋范圍容易受限，部分場(chǎng)景下的功率縮小可能加劇這種狀況，且由于存在不同運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)、家庭用戶的干擾，功率降低可能降低本網(wǎng)用戶的接入性能。

建議在僅有本運(yùn)營(yíng)商，覆蓋不會(huì)受限，容量需求較高的情況下選擇該方法。

4.3 優(yōu)化設(shè)備底層參數(shù)，提升競(jìng)爭(zhēng)能力

4.3.1 隱藏節(jié)點(diǎn)影響

（1）工作原理

WLAN 干擾檢測(cè)作為載波監(jiān)聽的基本機(jī)制，實(shí)際就是通過底層持續(xù)地監(jiān)聽空口信號(hào)并判定信道是否被占用，此過程本身的不準(zhǔn)確即會(huì)造成干擾。這類干擾的結(jié)果主要是形成隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)。

（2）測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，WLAN的AP 及終端設(shè)備均支持RTS-CTS，但其開啟的門限值缺省值為2 347 Byte，由于大多數(shù)以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度小于上述值，RTS-CTS 實(shí)際上并沒有發(fā)揮作用。

（3）應(yīng)用建議

在運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)中，AP的管理較容易實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)需要調(diào)整RTS-CTS 門限值，如用戶密集的場(chǎng)所，減小RTS-CTS 開啟門限值。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，隱藏節(jié)點(diǎn)對(duì)上行影響更大，多數(shù)終端沒有開放該參數(shù)的修改權(quán)限，用戶一般也不會(huì)主動(dòng)修改相關(guān)參數(shù)，所以很難得到效果，可以考慮安裝具有調(diào)整RTS-CTS 參數(shù)功能的客戶端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)門限的調(diào)整。

此外，在工程部署中應(yīng)合理規(guī)劃AP的安裝位置，如在室內(nèi)時(shí)，AP 可選擇靠近墻體安裝，使用戶分布在AP 同側(cè)，減少隱藏節(jié)點(diǎn)。

4.3.2 競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)化

（1）工作原理

CW（contention window）即競(jìng)爭(zhēng)窗口，WLAN 中每個(gè)STA 發(fā)送數(shù)據(jù)前需等待一個(gè)IFS的時(shí)間再加上一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的CW 時(shí)間。

（2）測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，CW 優(yōu)化有助于用戶在競(jìng)爭(zhēng)資源時(shí)獲得比較優(yōu)勢(shì)，1 臺(tái)AP 下有多臺(tái)終端接入時(shí)，CW 過大或過小都會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量——等待時(shí)間過短，沖突概率增加。CW 優(yōu)化測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 CW 優(yōu)化測(cè)試結(jié)果

（3）應(yīng)用建議

接入終端較少時(shí)，減少等待時(shí)間可以使網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升；接入終端較多時(shí)，減少等待時(shí)間反而使沖突概率增加、性能下降?？紤]到網(wǎng)絡(luò)整體性能及接入用戶數(shù)量的不確定性，CW 參數(shù)應(yīng)該控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。一般情況下不建議調(diào)整CW 參數(shù)。

5 結(jié)束語

根據(jù)對(duì)WLAN 系統(tǒng)各項(xiàng)干擾規(guī)避措施實(shí)際效果的測(cè)試，建議實(shí)際組網(wǎng)時(shí)遵循以下原則。

· 同鄰頻組網(wǎng)應(yīng)避免使用鄰頻，避免AP 設(shè)備距離過近；

· 動(dòng)態(tài)信道調(diào)整在無線環(huán)境簡(jiǎn)單時(shí)有一定效果，環(huán)境復(fù)雜時(shí)效果受限；

· 動(dòng)態(tài)功率調(diào)整有一定效果，但應(yīng)結(jié)合實(shí)際環(huán)境謹(jǐn)慎選擇是否開啟；

· 隱藏節(jié)點(diǎn)規(guī)避，RTS/CTS 機(jī)制目前較難達(dá)到效果，建議進(jìn)一步推動(dòng)終端對(duì)RTS/CTS的支持能力；

· 競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)化效果明顯，但接入用戶數(shù)相關(guān)性較大，一般情況下不建議調(diào)整CW 參數(shù)。