频点无正确规划及系统外的干扰对802.11WLAN造成的影响

频点无正确规划及系统外的干扰对802.11WLAN造成的影响随着无线联网技术以及其他无线技术在无许可限制的同一频谱范围内的迅速推广应用，Wi-Fi(802.11)产品遭受的射频(RF)干扰与日俱增，从而严重影响无线局域网(WLAN)的数据吞吐性能。与此同时，对诸如多媒体音频与视频、流媒体、WLAN语音以及其他需要服务质量(QoS)功能与较低分组误差率的应用等新型WLAN应用，市场要求更高的数据吞吐速率。由于在环境中对WLAN设备的带内干扰与邻带干扰不断增加，因此射频与数字过滤的设计至关重要。本文分析了邻信道干扰(ACI)的来源以及射频设计实践，通过此实践可以改善WLAN的相邻信道抑制(ACR)而全面提高其性能。概述在2.4GHz与5.xGHx无许可限制的频带中，ACI问题以及改善RF接收机的Wi-Fi与WLAN技术性能的需求已倍受制造商、系统设计人员、集成商与美国联邦通信委员会(FCC)的关注。事实上，在FCC发布用于802.11WLAN的额外250MHz频谱(起始于5.4GHz)时，它就注明了不久将要针对WLAN拥挤频谱带调整有关规定。FCC近期可能发布一个“调查通知”(NOI)，以收集有关建立在该频谱中设计射频接收机的政府标准的可能性信息。何谓标桩？在干扰问题解决之前，WLAN市场的未来发展将大受影响。目前，WLAN接入点设备(AP)或客户端基站将受到其它相邻WLANAP与基站以及在同一无许可限制的频带中运行的非802.11设备的干扰。该情况与移动电话行业面临的问题类似，其使用信道频率重用解决方案使该问题得以解决。随着802.11市场的发展与WLAN技术的使用密度不断增大，该问题在如下应用中将愈演愈劣：●公司/企业部署●密集商务热点部署(商业街等等)●住宅公寓楼宇部署●高密度市内部署许多干扰源会对WLAN的性能造成不利影响，包括以下非802.11设备：●无绳电话(2.4或5.xGHz)●蓝牙个人区域联网设备(2.4GHz)●蓝牙无线耳机是特殊的情况●脉冲雷达(美国正在研究将5.4GHz频带用于脉冲雷达)●微波炉(在2.4GHz频带中50%的忙闲度将产生脉冲干扰)●低能量RF光源(2.4GHz)●采用包括蜂窝、蓝牙与WLAN在内的多种无线技术的集成设备、手持终端与PDA中假讯号RF噪声●满足新兴全频段要求的宽频带5GHz设备干扰还可能来源于相邻的信道。在这种情况下，802.11系统的RF子系统与数字过滤的设计还可以对AP或基站的性能造成极大影响。此外，WLAN网络的物理设计可以消除带内干扰的很多反射。通常由信号干扰比率(S/I或SIR)决定WLAN的性能，该比率的定义是数据信号与干扰信号的比率。对于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的图1解释了这一概念。显然，由商用无线设备生成的信号不尽完美。的确，从802.11射频发出的信号生成超出其许可频带范围的一些能量，称之为边带发射。这种情况也会出现在其他无线设备上，如蓝牙、无绳电话以及其他与802.11占用相同频带的设备。虽然通过过滤可以将来自相邻信道的RF干扰降至最低，但是此干扰还会生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量属于802.11WLAN信号的通频带范围内。如果ACI比802.11信号强，来自ACI的边带能量将主导信道的噪声层。如图2所示。WLANRF接收机可以设计为带有有效的ACR，其可发送约具有802.11信号0.10带宽的窄带信号。这些窄带信号包括无绳电话以及蓝牙信号。然而，宽带ACI可生成大量进入802.11接收机通频带的边带能量。在这些条件下，链路裕度的数量或SIR的大小将对WLAN的数据吞吐量造成决定性的影响。提供可跨越全世界无许可限制频带中所有频率的5.xGHz射频架构是无线行业的发展趋势。下图(图3)展示了这些所谓的全频段射频是如何从5.150GHz到5.875GHz运行的。若此波段射频含有将于2007年生效的日本分配，则该范围还可以扩展到从4.9GHz到5.875GHz。假设此频带中存在某些高功率干扰源，如雷达与导航系统，那么全频段射频还需要一些级别的信道选择性过滤才能避免由这些高功率干扰源造成的任何性能下降。以上述内容为背景，本白皮书的其余内容将主要介绍以下内容：●可以对干扰提供相邻信道抑制(ACR)的RF接收机设计；●ACR过滤技术，可以在蓝牙与802.11技术共存于同一产品平台上的嵌入式应用中实施该技术。特别强调在无线耳机中遇到的问题；●在密集的用户环境中由相邻802.11单元(cell)产生的干扰。提供ACR的接收机设计RF系统抑制源自相邻信道干扰的能力主要取决于接收机的架构。虽然目前可以使用几种接收机架构，但是由于在WLAN系统中普遍使用直接转换(DC)与双通道转换或超外差(super-het)架构，因此本白皮书只对这两种架构进行分析。为了在WLAN接收机的设计中融入有效的ACR功能，必须在接收机链路中考虑两个要点。如下所示：●低噪声放大器(LNA)与IP3的输入信号饱和度；●在系统的信号基带处理器中模数转换器(A/D)的当前信号级别在802.11系统中，大多数LNA的输入信号级别在-20到-30dBm之间达到饱和。如果出现了超过此级别的强输入信号，LNA将停止提供增益，并且实际上将抑制信号的非线性失真。精心设计的LNA能够以高达-10至-15dBm的输入级别进行操作。当输入信号超过-10至-15dBm时，一些系统能够绕过LNA。从而使输入信号可高达+4dBm，但是折衷的结果是造成较低的接收机灵敏度。在LNA的RF处理链路的另一端将输入系统的A/D转换器。这些转换器具有有限的动态范围。因此，无法过滤出ACI，从而造成数字噪声层在接收的信号中占据主导地位。假设WLAN射频设计为至少具有20dB的数字过滤，那么ACI噪声与802.11信号在A/D上的信号功率应该是相同的(相等功率点)。表1显示了2.4GHz频带中干扰源的示例。此表中有效的干扰数字(第5列)解释了LNA的饱和点之所以如此重要的原因。表1中的大多数干扰源均为窄带设备，如：无绳电话或蓝牙产品等。在很多情况下，该类产品可以在一米之内或WLAN客户端设备中进行操作。即使有传播损失，这些干扰源仍然可以为位于802.11接收机链路一端的LNA提供高达0dBm。802.11接收机架构图4将超外差接收机架构与DC接收机架构之间的差别进行了对比。此示例假设源自无绳电话的相邻窄带强干扰为-15dBm，并且接收的WLAN信号级别的目标是-80dBm。也就是说在干扰与WLAN信号之间的接收功率相差将近65dBm。这种情况很容易发生，如某用户可能一边在与本地WLAN相连的便携电脑上进行工作，一边用无绳电话聊天。图4显示了超外差接收机架构的过滤设计可以将ACI降低至可接受的级别。在至少具有20dB数字相邻信道过滤的条件下，超外差接收机在不增加分组误差率的情况下每秒能够接收11兆位(Mbps)CCK或22MbpsPBCC802.11Wi-Fi信号。如果采用DC架构，去除了中频(IF)上的声表面波(SAW)滤波器，从而导致接收机链路中A/D转换器上的干扰信号是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的过采样与回递抽取过滤(recursivedecimationfiltering)，仍然可以恢复802.11信号。例如，GSM接收机使用DC架构，并且通过在大约26MHz上过采样大约300KHz的带宽GSM信号提供大约80dB的ACR。不幸的是，由于技术的局限性与电池供电产品的低功耗要求，过采样所采用的信号几乎百分之百都是像GSM信号这样的窄带信号，不可能是像802.11信号那样的宽带信号。下面的图5显示了在A/D转换器上强ACI的效果。高级别的ACI导致产生在802.11信道的SIR中占据主导地位的噪声层，从而由于造成要处理大气噪声与量化而削弱了WLAN信号的强度。对于已经实施OFDM调制方案的WLAN来说，从一个频率接收器到另一个频率接收器的往返传输过程中，接收机链路中的快速傅里叶变换(FFT)已经有所损耗。从而导致带外抑制层平均大约为25dB。图6解释了每个FFT接收器的SinX/X响应。接收机虽然已经超出了本白皮书探讨的范围，但是值得一提的是802.11接收机链路中的ACR过滤可以降低功耗，因为基带处理器中A／D的采样速率会有所下降。为了满足防混淆的要求，将加重其他模拟过滤的负担，而不是以更高的速率进行采样。在5GHz频带所谓的全频段射频中，这种防混淆的问题尤为关键，因为这些射频的前端是将近1GHz频宽的信号。这就意味着为接收机链路中的A／D转换器提供数百兆赫的频谱。包含在此信号中的可以是高功率脉冲雷达信号，该信号将在接收机链路中占据主导地位。到目前为止，汇聚已经成为电子领域的主要趋势。在手机与PDA市场中，这意味着汇聚的手持终端、智能电话、无线PDA以及多媒体设备，其中包括三种无线技术：蜂窝技术、802.11Wi-FiWLAN与蓝牙。很多专家预测，具有成本优势的汇聚设备在2004年就将问世。这种新型的移动手持终端将侧重MP3音乐、视频流等多媒体应用。为了提供引人注目的用户体验，这些新型设备必须能够充分利用由新一代蜂窝协议与基础设施提供的更高数据速率以及高速WLAN连接。无线蓝牙耳机及其他类型的外设将为这些设备的便捷性与易用性增色不少。蓝牙与WLAN共存的问题图7解释了在WLAN热点中如何使用这类设备。在这种情形中，用户可以通过WLAN在IP语音(VoIP)连接上进行通信或可以通过设备的802.11调制解调器下载MP3或视频流。此外，汇聚的设备还可以与蓝牙耳机相连，以便进行专用监听。图7中描绘的这种使用情况不久就会出现于市场，但是用户需要共存的解决方案才能充分利用此应用中的所有无线技术。由于汇聚蜂窝电话／PDA设备中的蓝牙与WLAN调制解调器是在同一无许可限制的频带中运行的，因此它们会彼此相互干扰。此外，该区域中的其他802.11客户端设备也将竞相访问作为汇聚蜂窝电话／PDA的同一WLAN接入点。在当前蓝牙标准1。0版本中指定的唯一共存解决方案需要蓝牙与WLAN共享系统的媒体接入控制器(MAC)功能，以便在WLAN或蓝牙的传输过程中，其他技术将保持空闲。在预定义的一段时间内独占MAC之后，蓝牙或WLAN将由其他技术对MAC进行控制。在WLAN上的流量较小，并且存在最少QoS激活的环境中，这种MAC时间共享的安排方式既可以避免WLAN与蓝牙之间出现共存干扰问题，同时也能够提供可接受的性能。在这种环境中，WLAN接入点可以实施主动的自动请求协议，以重新传输丢失或延迟的包。不幸的是，随着高级节能技术的部署及QoS服务的需求猛增，将迅速降低WLAN接入点(AP)单元中的性能。例如，WLAN与蓝牙共存的形势越来越严峻，导致802.11AP无法感测相关的客户端是否正在遭受来自蓝牙设备或无绳电话的非WLAN干扰。采用排队算法或调度例程对需要QoS功能的应用对AP进行编程并不会缓解带内干扰的问题，因为AP并不能意识到干扰是否存在，因此根本无法围绕干扰进行调度。即使AP具备802.11的自动响应队列(ARQ)功能，链路的容错能力也只能够达到5%。随着接近并超过这一个百分点，必须增加AP上的包队列大小，以便它们能够存储与重新汇编零星达到的包。通常需要QoS功能的多媒体应用(如高质量音频或MPEG2视频)很快就背离了802.11标准对QoS的定义。作为一个备选方案，将从需要QoS的链路中删除ARQ，在这种情况下，语音性能会稍有改进，具有低于2%的可接受包误差率，但是任何种类的媒体流的性能都是不可接受的。切记在传输模式中，WLAN客户端只使用802.11WLAN很小一部分带宽。根据典型的经验法则，80%客户端的活动WLAN时间用来进行接收，而只有20%的时间用来进行传输。在进行传输时，客户端通常向AP发送简短的确认包。此法则的例外情况是从客户端进行文件传输，但是在这些文件在传输过程中始终要被划分为不超过1，500字节的包，并且以可用比特速率(ABR)进行传输。通过对图7中列举的汇