WLAN系統干擾分析與規避措施研究

馬向辰，薛 強

（中國移動通信集團設計院有限公司 北京100080）

1 概述

隨著WLAN 終端及業務應用的普及，各大運營商均加大了WLAN的建設規模，并將其作為蜂窩網絡在承載無線數據方面的重要補充。由于WLAN 在使用頻率、資源分配方式等方面與蜂窩網絡差異很大，WLAN 大規模組網后，WLAN的頻率規劃和干擾問題變得尤為突出，影響了WLAN的接入質量和用戶體驗。

在目前的網絡規劃和優化過程中，只是按照一些簡單的基本原則（如在2.4 GHz頻段上使用1、6、11這3個不重疊的頻點）進行設計和優化，對WLAN 系統的干擾進行規避。在WLAN 大規模組網時，由于AP 部署密度較大、可以使用的頻點少，實際應用效果往往不是十分理想，有必要從大規模網絡工程建設和優化角度，在頻率干擾規劃、設備自動設置、底層參數調整等多方面研究干擾規避措施及方案。

2 WLAN的工作機制與使用頻段

WLAN 基于IT 局域網方式的非電信網絡設計，在工作機制、資源分配方式、頻率使用等方面與蜂窩網差異很大。

2.1 WLAN的工作機制

WLAN 與GSM的時分多址復用方式和TD的時分/碼分多址復用方式不同，WLAN 系統采用CSMA/CA（載波監聽/沖突避免）機制，用戶間采用搶占方式占用資源，WLAN 分布式幀間隔（DCF）工作機制如圖1 所示。

（1）干擾評估

WLAN 設備在發送數據前，通過信號能量檢測與特征檢測相結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送數據。根據標準規定：

如幀測到為WLAN 信號，判決門限-82 dBm；

如未檢測出WLAN 信號，判決門限-62 dBm。

從CSMA/CA 機制可以看出，WLAN的終端與AP（access point，訪問接入點）是對等的，某一時刻只有一個終端或AP 在發送數據。同時，WLAN 缺乏根據網絡資源與終端業務的帶寬需求，進行接入控制的機制。

（2）隨機退避

多個設備同時傳輸造成空口碰撞時，接收端無法正常解析報文，發送端要進行重傳，發送端重傳退避使空閑等待時間延長，降低信道占用率。為避免多個節點在發現信道空閑后，同時發送數據而造成沖突，802.11 采用了二進制隨機退避算法來實現退避。

回退值（back off time） 與競爭窗口（contention w indow）設置相關，回退值會在[0，CW-1]選擇一個隨機數，并乘以Slot time（9 us）。CW 為CWmax與CWmin之間的一個數值，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，隨著接入用戶數的增多，數據并發、退避幾率增加，網絡整體吞吐量、用戶接入速率會顯著下降。

2.2 WLAN的使用頻段

WLAN 主要使用2.4 GHz 和5 GHz 兩段非專用授權頻段，在此頻段，各運營商、企業和個人WLAN設備以及其他通信設備（藍牙、對講機等）共存。

（1）2.4 GHz頻段

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

（2）5 GHz頻段

世界各國5 GHz的工作頻率不完全一致，各國常用頻段包括5 150～5 350 MHz、5 350～5 725 MHz、5 725～5 850 MHz，我國采用5 725～5 850 MHz 頻段，共5個信道，每個信道帶寬為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 系統頻率干擾

3.1 WLAN 系統同頻干擾

WLAN 系統同頻干擾是指2個工作在相同頻率上的WLAN 設備之間的相互干擾，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，各運營商、企業、個人均可以搭建和使用WLAN，所以，同頻干擾可能來自于同一運營商、不同運營商、企業和個人。

CSMA/CA 機制使整個WLAN 信道帶寬為所有用戶共享，只有當信道空閑時，才允許用戶發送信息。因此，當多AP 處于同頻沖突區域且AP 間信號彼此可達時，由于CSMA/CA 機制某一時刻只能有一個AP在接收或發送，所以，多個AP的總吞吐量不能多于一個AP的吞吐量。從另一個角度講，當同一個區域內出現同頻AP，則平均每個AP的容量就會降低。

另外，WLAN 系統通過底層持續地監聽空口信號并判定信道是否被占用，此過程出現的誤判也會造成干擾，這類干擾的結果主要是形成隱藏節點和暴露節點。

3.2 WLAN 系統鄰頻干擾

WLAN 系統鄰頻干擾是指2個工作在相鄰信道上的WLAN 設備之間的相互干擾，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 兩個相鄰信道之間的干擾。在2.4 GHz頻段，信道間隔小于5 時，信道之間有重疊，會產生比較明顯的干擾。

3.3 WLAN 工作頻段其他無線系統干擾

WLAN 系統工作在ISM 頻段，同時，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、脈沖雷達（5 GHz）等，這些設備工作時，也會與WLAN 系統之間形成干擾。在WLAN 設計與規劃時，應注意與這些系統之間的空間隔離度。

3.4 WLAN 與蜂窩網絡間的干擾

WLAN 與蜂窩網絡間的干擾主要是指與LTE、PHS、GSM、WCDMA、TD-SCDMA等蜂窩系統之間的雜散干擾、交調干擾和阻塞干擾，其中，帶外雜散干擾通常是主要干擾。為減小和規避雜散干擾，需要各個系統之間保持一定的隔離度。

根據各系統的協議標準計算得到的雜散干擾隔離度見表1。

4 WLAN 干擾規避主要措施

4.1 合理規劃頻率，規避同鄰頻干擾

4.1.1 2.4 GHz 同鄰頻規劃

（1）測試內容

我國2.4 GHz頻段共劃分為13個子信道，中心頻率間隔20 m 以內的信道有重疊部分。國內外相關領域目前僅針對互不干擾的1、6、11 信道組網研究較多，對于鄰頻組網缺乏深入研究和明確結論，所以需對采用鄰頻時的網絡性能進行分析測試，以更好地指導頻率規劃工作。

（2）測試結果

2.4 GHz 同鄰頻組網測試結果如圖4 所示，從圖4可以看出：在2個AP 距離較遠（5 m）時，AP 信道間隔在5 以上，則2個AP 之間沒有相互干擾；在2個AP 距離較近（1 m）時，則AP 信道間隔≥7 時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同鄰頻組網測試結果

（3）應用建議

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，規劃時可采用1、6、11組網。

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。在實際規劃中對重疊信道的應用應綜合AP 之間的距離進行考慮：

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

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

4.1.2 5.8 GHz 同鄰頻規劃

（1） 測試內容

我國5.8 GHz頻段共有5個互不重疊的信道，組網時一般考慮相鄰AP 不同頻即可，本測試對該原則進行驗證。

（2）測試結果

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

（3）應用建議

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 各信道中心頻點間隔為20 m，20 m 帶寬邊緣處相對于峰值雖只有10 dB的差異，仍會對鄰頻產生明顯影響。所以，5.8 GHz 在規劃時需要注意相鄰AP 不采用鄰頻，且鄰頻AP 之間需通過合理的距離或功率規劃規避干擾。

與2.4 GHz 類似，5.8 GHz的AP 距離過近時，即使采用非鄰頻也會有干擾，所以AP 距離應避免過近，否則很難規避干擾。

4.2 利用設備自動配置功能，動態選擇信道和功率

4.2.1 動態信道調整

（1）工作原理

動態信道調整是指AP 自動掃描各信道占用率、信號場強等情況，并考慮整網信道分布，選擇工作在質量好的信道。

通過動態信道調整，AP 應能夠自動選擇最合適的信道，以降低干擾、提高網絡容量。

圖5 5.8 GHz 同鄰頻組網測試結果

（2）測試結果

通過測試發現，在周邊強干擾AP 較少的情況下，AP 能自動調整到空閑信道；在周邊強干擾AP 較多的情況下，AP 無法調整到空閑信道，且AP 信道有時會在不同信道較為頻繁地切換。

（3）應用建議

在無線環境簡單的區域，動態信道調整能得到較好的效果；在無線環境復雜的區域，效果較差。目前，AP 廠家通過掃描無線信號強度選擇信道，算法不科學，調整效果受到限制，建議考慮信道忙閑程度因素，進一步優化信道選擇算法。

4.2.2 動態功率調整

（1）工作原理

動態功率調整是指AP 自動掃描相臨AP的發射功率情況，對AP的發射功率進行調整。

通過動態功率調整，AP 應能夠綜合網絡整體運行情況，合理設定每個AP的發射功率，使得同頻AP之間有足夠的空間及功率間隔，以提高網絡容量。

（2）測試結果

由于設備數量和實驗面積受限，在試驗過程中通過參數調整，AP 發射功率調整有限，未實現2個相鄰同頻AP 沖突域的完全獨立。

AP 能夠在一定程度上調整功率，預計在AP 數量較多時，自動功率應能使部分AP 功率降低，實現一定的容量提升，如某些相距較遠的同頻AP 在功率調整時，可以實現沖突域的隔離。

（3）應用建議

自動功率控制很難實現相鄰同頻AP的覆蓋域隔離，且用戶功率無法控制，所以，自動功率調整實現容量提升的作用有限。WLAN 覆蓋范圍容易受限，部分場景下的功率縮小可能加劇這種狀況，且由于存在不同運營商、企業、家庭用戶的干擾，功率降低可能降低本網用戶的接入性能。

建議在僅有本運營商，覆蓋不會受限，容量需求較高的情況下選擇該方法。

4.3 優化設備底層參數，提升競爭能力

4.3.1 隱藏節點影響

（1）工作原理

WLAN 干擾檢測作為載波監聽的基本機制，實際就是通過底層持續地監聽空口信號并判定信道是否被占用，此過程本身的不準確即會造成干擾。這類干擾的結果主要是形成隱藏節點和暴露節點。

（2）測試結果

經測試，WLAN的AP 及終端設備均支持RTS-CTS，但其開啟的門限值缺省值為2 347 Byte，由于大多數以太網幀長度小于上述值，RTS-CTS 實際上并沒有發揮作用。

（3）應用建議

在運營商建設的網絡中，AP的管理較容易實現，可以根據需要調整RTS-CTS 門限值，如用戶密集的場所，減小RTS-CTS 開啟門限值。在實際網絡中，隱藏節點對上行影響更大，多數終端沒有開放該參數的修改權限，用戶一般也不會主動修改相關參數，所以很難得到效果，可以考慮安裝具有調整RTS-CTS 參數功能的客戶端軟件實現對相關門限的調整。

此外，在工程部署中應合理規劃AP的安裝位置，如在室內時，AP 可選擇靠近墻體安裝，使用戶分布在AP 同側，減少隱藏節點。

4.3.2 競爭窗口優化

（1）工作原理

CW（contention window）即競爭窗口，WLAN 中每個STA 發送數據前需等待一個IFS的時間再加上一個隨機長度的CW 時間。

（2）測試結果

經測試，CW 優化有助于用戶在競爭資源時獲得比較優勢，1 臺AP 下有多臺終端接入時，CW 過大或過小都會降低網絡吞吐量——等待時間過短，沖突概率增加。CW 優化測試結果如圖6 所示。

圖6 CW 優化測試結果

（3）應用建議

接入終端較少時，減少等待時間可以使網絡吞吐量提升；接入終端較多時，減少等待時間反而使沖突概率增加、性能下降?？紤]到網絡整體性能及接入用戶數量的不確定性，CW 參數應該控制在一個合理范圍內。一般情況下不建議調整CW 參數。

5 結束語

根據對WLAN 系統各項干擾規避措施實際效果的測試，建議實際組網時遵循以下原則。

· 同鄰頻組網應避免使用鄰頻，避免AP 設備距離過近；

· 動態信道調整在無線環境簡單時有一定效果，環境復雜時效果受限；

· 動態功率調整有一定效果，但應結合實際環境謹慎選擇是否開啟；

· 隱藏節點規避，RTS/CTS 機制目前較難達到效果，建議進一步推動終端對RTS/CTS的支持能力；

· 競爭窗口優化效果明顯，但接入用戶數相關性較大，一般情況下不建議調整CW 參數。