一個沒有經(jīng)過仔細設計、部署和維護的WLAN網(wǎng)絡,其整體性能將會大打折扣,因此發(fā)現(xiàn)和解決干擾一直是伴隨WLAN發(fā)展的任務之一。
今天,WLAN已經(jīng)不再僅僅是最初的一種簡便的網(wǎng)絡接入方式,企業(yè)的許多重要應用,諸如語音、視頻、定位等服務都逐漸部署到無線網(wǎng)絡上。即便是普通的網(wǎng)絡訪問,用戶也是希望帶寬越高越好。隨著應用的增加,無線干擾問題對網(wǎng)絡服務的質(zhì)量影響日顯突出
一、 無線干擾的分類和來源
無線干擾按照類型可劃分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾是指干擾源發(fā)送的RF信號也符合802.11標準,除此之外都是非WLAN干擾。對WLAN干擾,可進一步按照頻率范圍分為同頻干擾和鄰頻干擾。按照來源劃分,可分為WLAN網(wǎng)絡自身的互干擾和網(wǎng)絡外的干擾
1. WLAN網(wǎng)絡自身的同頻干擾
同頻干擾是指兩個工作在相同頻率上的WLAN設備之間的相互干擾。WLAN工作ISM(Industry, Science and Medicine)頻段,包括2.4G和5G兩個頻段。對某些國家或地區(qū)來說,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)。
圖1 2.4G頻段信道劃分示意圖
因此,對一個大的WLAN網(wǎng)絡來說,尤其是高密度部署的網(wǎng)絡,同一信道常常需要被不同AP使用。而這些AP之間存在著重復區(qū)域時,就存在互相干擾問題。
圖2是一幅學生公寓的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,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,以802.11為基礎的WLAN,空口是所有設備的公共傳輸媒介,兩個AP之間將根據(jù)CSMA/CA原則,進行互相退避,這勢必會大大降低性能,兩個AP的總性能將不會超過一個信道的性能。 如果同頻AP之間不可見但覆蓋區(qū)域有交集,則對處于交集區(qū)域的Client而言可能會形成隱藏節(jié)點或暴露節(jié)點問題(如圖3所示)。
隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點會產(chǎn)生兩個方面的問題,其一是報文發(fā)送時需要退避或不斷重傳;其二是由于報文重傳時會降低報文發(fā)送的物理速率,導致同一AP的影響范圍擴大,也使得報文發(fā)送占用更多的空口時長,沖突幾率加大,引起更多的重傳。
2.鄰頻干擾
根據(jù)802.11標準,RF信號發(fā)送時其頻譜寬度有一定的要求。以2.4G為例,信號的頻譜掩碼如圖4所示:
其發(fā)射頻寬為22MHz,在距離中心頻率11MHz之外時,要求衰減超過30dB。對任何WLAN發(fā)射機來說,在發(fā)射頻寬之外,信號也不可能馬上降低為0,而是逐漸衰減。如果兩個中心頻率不同的WLAN設備之間的發(fā)射頻寬有重疊的部分,就會產(chǎn)生相互影響,形成了鄰頻干擾。即使對不重疊的相鄰信道(如2.4G的1、6信道,11a的161、162信道),如果兩個設備之間距離過近且發(fā)送功率比較大,也會產(chǎn)生影響。
對一個WLAN網(wǎng)絡來說,鄰頻干擾包括自身的鄰頻干擾和來自鄰居網(wǎng)絡的鄰頻干擾。WLAN網(wǎng)絡應首先避免自身的鄰頻干擾,所有設備建議部署在不重疊的信道上,并且設備之間避免過近。對5G來說,相鄰設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。
3.來自WLAN網(wǎng)絡外部的干擾
來自WLAN網(wǎng)絡外部的干擾也分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾主要包括Rogue設備、鄰居WLAN網(wǎng)絡、Ad hoc網(wǎng)絡等。WLAN工作在ISM頻段,除了WLAN設備外,還有許多非WLAN設備也工作在該頻段,如微波爐、無繩電話、藍牙設備、無線攝像機、戶外微波鏈路、無線游戲控制器、Zigbee、WiMax等等。非WLAN干擾源會干擾WLAN信號,導致WLAN信號無法被正確接收。還有一些非ISM頻段上的設備會在ISM頻段上產(chǎn)生射頻信號泄露,當臨近距離很近的情況下,會對WLAN設備形成干擾。如3G基站,當和WLAN共存于一個機架,或者共用室內(nèi)饋路系統(tǒng)時。
總的來說,一個WLAN網(wǎng)絡,影響它的干擾源可以從以下幾個方面來考慮: 網(wǎng)絡自身的干擾 自身的同頻干擾 自身的鄰頻干擾 來自外部的干擾 WLAN干擾 非WLAN干擾
二、無線干擾的檢測
大型的WLAN網(wǎng)絡一般采用瘦AP架構。對無線干擾的檢測和消減既可以利用提供接入服務的AP來掃描,也可以通過專門的設備組成的網(wǎng)絡來進行,甚至還可以配合專門的手持RF設備來進行干擾定位。后兩者屬于頻譜分析的范圍。手持RF設備的定位,一般適用于小的網(wǎng)絡或小范圍的精確定位。而大的網(wǎng)絡,一般需要部署專門的網(wǎng)絡來監(jiān)控。這種專門的網(wǎng)絡,其設備一般是處于Monitor狀態(tài)的AP,或者是專門的Sensor。這些設備會將從空口監(jiān)控到的數(shù)據(jù)發(fā)給服務器,進行分析、保存和處理。
專門的檢測網(wǎng)絡和提供接入的網(wǎng)絡之間有兩種協(xié)作方式,其一是相互獨立方式,即檢測網(wǎng)絡的設備和接入網(wǎng)絡的設備是由不同控制器管理的,二者無任何交互;另一種是集成方式,即檢測網(wǎng)絡的設備和接入網(wǎng)絡的設備是由相同的控制器管理的,檢測網(wǎng)絡的服務器也能處理來自接入網(wǎng)絡的AP的監(jiān)控數(shù)據(jù)。集成方式的網(wǎng)絡相比較獨立方式的網(wǎng)絡來說,具有能夠統(tǒng)一管理、充分利用接入網(wǎng)絡的資源、檢測和定位方便等特點。 無線干擾的檢測實際就是持續(xù)地監(jiān)視空口信號。當空口信號能量超過一定值后,就進行FFT變換,并進一步輸出給WLAN接收機和各種識別器(Classifier),前者判斷干擾是否為WLAN信號,并進一步分析MAC信息,后者判斷非WLAN干擾源的類型(如圖5所示)。
三、無線干擾的避免和消減
對無線干擾的避免和消減,目前有以下5種措施: 網(wǎng)絡部署勘測和優(yōu)化。即在部署網(wǎng)絡時需要勘測部署環(huán)境、各種阻擋物的衰減系數(shù)、規(guī)劃網(wǎng)絡的應用服務、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。沒有良好的網(wǎng)絡部署,很難達到最佳的網(wǎng)絡性能。 RRM(射頻資源管理)。即對整個網(wǎng)絡中的各個AP進行功率優(yōu)化和信道優(yōu)化; 頻譜分析; 信道復用; 頻譜導航;即將雙頻用戶盡量引導到5G頻段上,降低2.4G上的負荷。5G上的非WLAN設備要相對少得多,信道數(shù)量多,能夠獲得非常好的性能。
1.RRM
RRM是WLAN網(wǎng)絡的頻譜資源管理模塊,負責空口噪聲、網(wǎng)絡外的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)這些信息動態(tài)調(diào)整AP的信道,選擇最佳信道進行傳輸。信道調(diào)整必須進行整網(wǎng)考慮,并需要考慮對Client的影響最小。如圖6所示,要覆蓋的目標辦公區(qū)外有兩個其他網(wǎng)絡的AP,分別工作在信道11和信道6上,則RRM能夠根據(jù)空口掃描結果,將和它們臨近的AP自動調(diào)整到其他非干擾信道上。
另一方面,RRM能夠監(jiān)控本網(wǎng)絡中各個AP的鄰居信息、Client的RF信息等,并根據(jù)這些信息動態(tài)調(diào)整每個AP的發(fā)送功率。當發(fā)現(xiàn)覆蓋黑洞時,將加大發(fā)射功率;當發(fā)現(xiàn)同信道的鄰居AP的信號強度高于一定程度時,將降低發(fā)送功率,從而降低相互干擾(如圖7所示)。
2.頻譜分析
頻譜分析能夠及時、全面地檢測出來自周圍環(huán)境的非WLAN干擾。當頻譜分析檢測到新的干擾時,將會發(fā)出告警,并顯示干擾的類型、干擾的信道、干擾強度、占空比等信息,并可以進一步定位干擾所在位置,便于及時排除。頻譜分析還能監(jiān)控整個網(wǎng)絡的空口性能的情況,并適時發(fā)出告警。 頻譜分析和RRM結合,能夠使得整個網(wǎng)絡在無需人工介入的情況下,及時規(guī)避干擾信道,從而保證網(wǎng)絡的可用性。
3.信道復用
在高密度部署的環(huán)境中,如寬敞的會議大廳、學生宿舍、圖書館等,AP部署密度比較高,常會導致同信道的AP之間可見,相互干擾嚴重。利用信道復用技術,可以進一步降低AP的覆蓋范圍,從而消彌相互干擾,提高信道重用程度。 信道復用實際上是提高AP的CCA門限并降低接收靈敏度。CCA,即信道空閑評估,是指WLAN芯片在向空口發(fā)射信號前需要評估信道是否為空閑。若為空閑,則在執(zhí)行完沖突退避算法后就可以發(fā)送報文;若為忙,則需等待。接收靈敏度是指要求到達WLAN接收機的RF信號強度不能低于一定值,才能被正確接收。
實際上,當RF信號強度低于接收靈敏度時,WLAN芯片將不啟動接收動作。 當接收靈敏度降低時,將會縮小AP的覆蓋范圍,但同時能夠忽略同信道的鄰居AP信號,從而不影響各自范圍內(nèi)的接收。當提高CCA門限時,即使同信道的鄰居AP在發(fā)送信號,只要信號強度不超過CCA門限,AP仍能夠發(fā)送自己的信號。此時只要該信號到達Client處能夠滿足SNR(信噪比)要求,仍能被Client正確接收。
四、 其他無線干擾避免和消減措施
上述幾種技術給WLAN網(wǎng)絡性能能夠帶來非常大的性能改善,業(yè)界普遍都實現(xiàn)了這些技術特性。這些技術特點從802.11報文傳輸或WLAN整網(wǎng)協(xié)調(diào)等細節(jié)上進一步完善整個網(wǎng)絡,降低相互干擾,對提高WLAN網(wǎng)絡性能也有很好的效果。這些技術特點包括: 報文發(fā)送速率調(diào)整; 逐包功率控制; 智能負載均衡技術; 降低低質(zhì)量用戶的影響。 報文發(fā)送速率調(diào)整就是動態(tài)計算每個報文發(fā)送速率。當發(fā)送失敗時,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,當采用高速率導致報文發(fā)送失敗時,不會采用非常低的速率來重發(fā)報文。這是由于高密度環(huán)境下,報文發(fā)送失敗一般是由報文沖突引起的,采用非常低的發(fā)送報文時,只會導致發(fā)送報文的空口時長變長,影響的范圍更大,從而導致更大可能的沖突,引起其他AP也進一步降低發(fā)送速率,使得整個網(wǎng)絡處于低性能狀態(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制,最終不影響上層應用的可用性。 逐包功率控制和RRM動態(tài)調(diào)整AP功率的目的一樣,在于減少同頻AP之間的干擾。
AP在發(fā)送每個報文時,都會根據(jù)Client的RF狀態(tài)調(diào)整當前報文的發(fā)送功率。逐包功率控制能夠最大程度減小信號發(fā)送影響的范圍,還能同時保證AP的覆蓋范圍。 智能負載均衡技術不同于簡單的負載均衡技術,無線控制器會根據(jù)Client的位置進行判斷,只有處于兩個AP重疊區(qū)域的Client才啟動均衡,讓其Client接入到負載輕的AP上。智能負載均衡能夠減輕單個AP的負荷,從而降低這個AP下各個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,常會出現(xiàn)個別用戶的速率非常低的情況。
如果某AP下存在一個高速率用戶,一個低速率用戶,則由于兩個人搶到的空口機會差不多相等,導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。因此通過抑制低速率用戶占用的空口時間,降低其對空口的影響,從而提高整個網(wǎng)絡的吞吐性能。
五、結束語
隨著WLAN網(wǎng)絡的發(fā)展,其應用也越來越廣泛和重要。WLAN干擾的檢測和定位已經(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)絡管理人員也能輕松完成。未來隨著WLAN傳輸制式的發(fā)展和其他硬件技術的完善,WLAN干擾將會有更多的克服方法,用戶也會獲得更完美的WLAN體驗。