WLAN抗干扰分析

WLAN抗干扰分析一个没有经过仔细设计、部署和维护的WLAN网络，其整体性能将会大打折扣，因此发现和解决干扰一直是伴随WLAN发展的任务之一。文/徐国祥今天，WLAN已经不再仅仅是最初的一种简便的网络接入方式，企业的许多重要应用，诸如语音、视频、定位等服务都逐渐部署到无线网络上。即便是普通的网络访问，用户也是希望带宽越高越好。随着应用的增加，无线干扰问题对网络服务的质量影响日显突出一、无线干扰的分类和来源无线干扰按照类型可划分为WLAN干扰和非WLAN干扰。WLAN干扰是指干扰源发送的RF信号也符合802.11标准，除此之外都是非WLAN干扰。对WLAN干扰，可进一步按照频率范围分为同频干扰和邻频干扰。按照来源划分，可分为WLAN网络自身的互干扰和网络外的干扰1.WLAN网络自身的同频干扰同频干扰是指两个工作在相同频率上的WLAN设备之间的相互干扰。WLAN工作ISM（Industry,ScienceandMedicine）频段，包括2.4G和5G两个频段。对某些国家或地区来说，仅有2.4G频段可用。在2.4G频段上，互不干扰的频段十分有限，通常只有1、6、11信道（如图1所示）。图12.4G频段信道划分示意图因此，对一个大的WLAN网络来说，尤其是高密度部署的网络，同一信道常常需要被不同AP使用。而这些AP之间存在着重复区域时，就存在互相干扰问题。图2是一幅学生公寓的AP部署信道排列图，由于墙壁隔离度差，不仅同一层楼的同信道AP之间可见，上下楼层之间的同信道AP也存在互相干扰的情况。图2学生公寓的AP部署信道排列图同频AP之间如果可见，以802.11为基础的WLAN，空口是所有设备的公共传输媒介，两个AP之间将根据CSMA/CA原则，进行互相退避，这势必会大大降低性能，两个AP的总性能将不会超过一个信道的性能。如果同频AP之间不可见但覆盖区域有交集，则对处于交集区域的Client而言可能会形成隐藏节点或暴露节点问题（如图3所示）。左图：AP1给client发送数据，AP2不能感知，同时也发送数据，导致在AP1的client处冲突。右图：AP1的client要数据，但感知AP2正在发送，从而退避不能发送。图3隐藏节点和暴露节点干扰隐藏节点和暴露节点会产生两个方面的问题，其一是报文发送时需要退避或不断重传；其二是由于报文重传时会降低报文发送的物理速率，导致同一AP的影响范围扩大，也使得报文发送占用更多的空口时长，冲突几率加大，引起更多的重传。2.邻频干扰根据802.11标准，RF信号发送时其频谱宽度有一定的要求。以2.4G为例，信号的频谱掩码如图4所示：图42.4G信号的频谱掩码其发射频宽为22MHz，在距离中心频率11MHz之外时，要求衰减超过30dB。对任何WLAN发射机来说，在发射频宽之外，信号也不可能马上降低为0，而是逐渐衰减。如果两个中心频率不同的WLAN设备之间的发射频宽有重叠的部分，就会产生相互影响，形成了邻频干扰。即使对不重叠的相邻信道（如2.4G的1、6信道，11a的161、162信道），如果两个设备之间距离过近且发送功率比较大，也会产生影响。对一个WLAN网络来说，邻频干扰包括自身的邻频干扰和来自邻居网络的邻频干扰。WLAN网络应首先避免自身的邻频干扰，所有设备建议部署在不重叠的信道上，并且设备之间避免过近。对5G来说，相邻设备最好部署为不相邻的信道，完全避免相邻信道之间可能产生的干扰。3.来自WLAN网络外部的干扰来自WLAN网络外部的干扰也分为WLAN干扰和非WLAN干扰。WLAN干扰主要包括Rogue设备、邻居WLAN网络、Adhoc网络等。WLAN工作在ISM频段，除了WLAN设备外，还有许多非WLAN设备也工作在该频段，如微波炉、无绳电话、蓝牙设备、无线摄像机、户外微波链路、无线游戏控制器、Zigbee、WiMax等等。非WLAN干扰源会干扰WLAN信号，导致WLAN信号无法被正确接收。还有一些非ISM频段上的设备会在ISM频段上产生射频信号泄露，当临近距离很近的情况下，会对WLAN设备形成干扰。如3G基站，当和WLAN共存于一个机架，或者共用室内馈路系统时。总的来说，一个WLAN网络，影响它的干扰源可以从以下几个方面来考虑：网络自身的干扰自身的同频干扰自身的邻频干扰来自外部的干扰WLAN干扰非WLAN干扰二、无线干扰的检测大型的WLAN网络一般采用瘦AP架构。对无线干扰的检测和消减既可以利用提供接入服务的AP来扫描，也可以通过专门的设备组成的网络来进行，甚至还可以配合专门的手持RF设备来进行干扰定位。后两者属于频谱分析的范围。手持RF设备的定位，一般适用于小的网络或小范围的精确定位。而大的网络，一般需要部署专门的网络来监控。这种专门的网络，其设备一般是处于Monitor状态的AP，或者是专门的Sensor。这些设备会将从空口监控到的数据发给服务器，进行分析、保存和处理。专门的检测网络和提供接入的网络之间有两种协作方式，其一是相互独立方式，即检测网络的设备和接入网络的设备是由不同控制器管理的，二者无任何交互；另一种是集成方式，即检测网络的设备和接入网络的设备是由相同的控制器管理的，检测网络的服务器也能处理来自接入网络的AP的监控数据。集成方式的网络相比较独立方式的网络来说，具有能够统一管理、充分利用接入网络的资源、检测和定位方便等特点。无线干扰的检测实际就是持续地监视空口信号。当空口信号能量超过一定值后，就进行FFT变换，并进一步输出给WLAN接收机和各种识别器（Classifier），前者判断干扰是否为WLAN信号，并进一步分析MAC信息，后者判断非WLAN干扰源的类型（如图5所示）。图5无线干扰检测芯片的工作原理图三、无线干扰的避免和消减对无线干扰的避免和消减，目前有以下5种措施：网络部署勘测和优化。即在部署网络时需要勘测部署环境、各种阻挡物的衰减系数、规划网络的应用服务、规划AP覆盖范围、选择AP安装位置、选择合适的发射天线等。没有良好的网络部署，很难达到最佳的网络性能。RRM（射频资源管理）。即对整个网络中的各个AP进行功率优化和信道优化；频谱分析；信道复用；频谱导航；即将双频用户尽量引导到5G频段上，降低2.4G上的负荷。5G上的非WLAN设备要相对少得多，信道数量多，能够获得非常好的性能。1.RRMRRM是WLAN网络的频谱资源管理模块，负责空口噪声、网络外的WLAN干扰、空口利用率，以及AP和Client的流量交互等信息的监控和分析，并根据这些信息动态调整AP的信道，选择最佳信道进行传输。信道调整必须进行整网考虑，并需要考虑对Client的影响最小。如图6所示，要覆盖的目标办公区外有两个其他网络的AP，分别工作在信道11和信道6上，则RRM能够根据空口扫描结果，将和它们临近的AP自动调整到其他非干扰信道上。图6信道自动调整示意图另一方面，RRM能够监控本网络中各个AP的邻居信息、Client的RF信息等，并根据这些信息动态调整每个AP的发送功率。当发现覆盖黑洞时，将加大发射功率；当发现同信道的邻居AP的信号强度高于一定程度时，将降低发送功率，从而降低相互干扰（如图7所示）。图7发送功率调整后，两个同频AP不再干扰2.频谱分析频谱分析能够及时、全面地检测出来自周围环境的非WLAN干扰。当频谱分析检测到新的干扰时，将会发出告警，并显示干扰的类型、干扰的信道、干扰强度、占空比等信息，并可以进一步定位干扰所在位置，便于及时排除。频谱分析还能监控整个网络的空口性能的情况，并适时发出告警。频谱分析和RRM结合，能够使得整个网络在无需人工介入的情况下，及时规避干扰信道，从而保证网络的可用性。3.信道复用在高密度部署的环境中，如宽敞的会议大厅、学生宿舍、图书馆等，AP部署密度比较高，常会导致同信道的AP之间可见，相互干扰严重。利用信道复用技术，可以进一步降低AP的覆盖范围，从而消弥相互干扰，提高信道重用程度。信道复用实际上是提高AP的CCA门限并降低接收灵敏度。CCA，即信道空闲评估，是指WLAN芯片在向空口发射信号前需要评估信道是否为空闲。若为空闲，则在执行完冲突退避算法后就可以发送报文；若为忙，则需等待。接收灵敏度是指要求到达WLAN接收机的RF信号强度不能低于一定值，才能被正确接收。实际上，当RF信号强度低于接收灵敏度时，WLAN芯片将不启动接收动作。当接收灵敏度降低时，将会缩小AP的覆盖范围，但同时能够忽略同信道的邻居AP信号，从而不影响各自范围内的接收。当提高CCA门限时，即使同信道的邻居AP在发送信号，只要信号强度不超过CCA门限，AP仍能够发送自己的信号。此时只要该信号到达Client处能够满足SNR（信噪比）要求，仍能被Client正确接收。图8采用信道复用后，AP的覆盖效果以及不同距离内的吞吐性能对比四、其他无线干扰避免和消减措施上述几种技术给WLAN网络性能能够带来非常大的性能改善，业界普遍都实现了这些技术特性。除了上述方法外，H3C公司还创新地实现了下述技术特点。这些技术特点从802.11报文传输或WLAN整网协调等细节上进一步完善整个网络，降低相互干扰，对提高WLAN网络性能也有很好的效果。这些技术特点包括：报文发送速率调整；逐包功率控制；智能负载均衡技术；降低低质量用户的影响。报文发送速率调整就是动态计算每个报文发送速率。H3CAP能够针对每个Client每次发送报文或重传报文时，都会考虑Client的信号强度、历史发送信息等，动态计算当前报文合适的发送速率。当发送失败时，可以根据不同环境采用不同的速率调整算法。例如，高密度部署环境下，当采用高速率导致报文发送失败时，不会采用非常低的速率来重发报文。这是由于高密度环境下，报文发送失败一般是由报文冲突引起的，采用非常低的发送报文时，只会导致发送报文的空口时长变长，影响的范围更大，从而导致更大可能的冲突，引起其他AP也进一步降低发送速率，使得整个网络处于低性能状态。而只采用高速率重传，即使多次发送不成功，也可以利用上层的重传机制，最终不影响上层应用的可用性。逐包功率控制和RRM动态调整AP功率的目的一样，在于减少同频AP之间的干扰。H3CAP在发送每个报文时，都会根据Client的RF状态调整当前报文的发送功率。逐包功率控制能够最大程度减小信号发送影响的范围，还能同时保证AP的覆盖范围。智能负载均衡技术不同于简单的负载均衡技术，无线控制器会根据Client的位置进行判断，只有处于两个AP重叠区域的Client才启动均衡，让其Client接入到负载轻的AP上。智能负载均衡能够减轻单个AP的负荷，从而降低这个AP下各个Client的冲突比例。因用户所使用网卡的差异（或者所处位置等其他差异），同一AP下各用户的表现往往也有差异，常会出现个别用户的速率非常低的情况。如果某AP下存在一个高速率用户，一个低速率用户，则由于两个人抢到的空口机会差不多相等，导致高速率每次快速发完自己的数据后都要等待低速用户慢腾腾地发完它的数据。所以高速率用户的性能受到了低速率用户的很大制约。因此通过抑制低速率用户占用的空口时间，降低其对空口的影响，从而提高整个网络的吞吐性能。五、结束语随着WLAN网络的发展，其应用也越来越广泛和重要。WLAN干扰的检测和定位已经能够集中监控和管理，RF管理不再是只有专业人士才能解决的范畴，一般的网络管理人员也能轻松完成。未来随着WLAN传输制式的发展和其他硬件技术的完善，WLAN干扰将会有更多的克服方法，用户也会获得更完美的WLAN体验