探讨WiFi射频干扰及优化

引言

随着C+W（CDMA加WLAN）天翼3G业务的推广，作为CDMAEV-DO（evolution data only）无线接入的补充和优化，高速的WiFi（wireless fidelity）无线接入应用越来越普及。但是，伴随着应用的普及和用户接入量的逐渐增多，WiFi的射频干扰现象也日益严重。WiFi的射频干扰究竟是如何形成的？作为WiFi的无线优化，又有什么手段可以有效解决这个问题？本文从WiFi的IEEE802.11协议的空口分析着手，对这两个问题进行了分析。

1、WiFi射频介绍

WiFi目前使用最普及的IEEE802.11b/g协议，采用的是2.4GHz频率，从2400MHz到2497MHz共14个频点，由于每个信道的频率带宽为22MHz，所以14个频点最多只有3个是互不干扰的。目前，常用的3个频点为1、6、11。

在无线宽带的使用过程中，影响用户感知最常见的现象是网速慢、网络时延大和掉线。造成这种现象的原因，除信号覆盖不佳和设备负荷过重外，最常见因素，就是射频干扰。但WiFi的射频干扰除常见的对射频物理层上的破坏干扰外，当大量终端共享一个相同的空口信道进行持续性较大流量传输时，会加大信道中数据帧冲突的概率，增多数据帧的重发频率，导致单数据帧的传输时间变长，最终降低空口信道的传输效率。当空口负荷增大到一定程度时，就会出现影响用户感知的网速慢、丢包，甚至掉线等现象。

2、WiFi射频应用原理

WiFi的空口信道是一个TDD（时分双工）的时分系统。一个基本数据帧操作是由多个帧结构组成，帧之间以"帧间间隔"加以区分。访问802.11媒介时，通常以分布式帧间间隔（DIFS）为起点，开始整个帧交换序列，之后的帧则以短帧间间隔（SIFS）加以区分。一个基本的数据帧传送流程见图1。而当station1在某一个时隙中传输数据时，station2发起监听信道的请求。这时，由于信道被使用，于是station2只能退避一个随机的时隙后，再次监听信道传递数据。而在信道利用频繁的时候，多个station监听信道空闲后，同时发送数据，继而在该时隙上出现碰撞，导致数据传递不成功，无ACK（确认帧）返回，于是再次重传，网络时延变大。通常对于长帧的重传设置规定为7次，即此数据帧当退避重传7次仍无ACK响应后，则丢弃此数据帧，这时，对于网络应用而言，出现丢包现象。

图1、一个基本的数据帧传送流程

根据WiFi的802.11协议物理层的规定，可以通过空口协议速率的大小来体现空口信道质量的变化。其原理为数据报文初始以编码效率最高的54Mb/s协议速率在空中信道发起传输，当由于信号强度、距离、干扰等因素，造成在数据的传输中出现较大的时延和误码时，为了能有效应对时延和误码，802.11协议规定采用不同的编码方式〔从64QAM（正交幅度调制）到DBPSK（差分相干二进制相移键控）〕，来提高数据报文在空口中抗误码和时延的能力。但伴随着抗误码能力的提升的，是编码效率的降低，其表征即为空口协议速率的变小。

下面，我们从802.11物理层协议原理的分析来解释这种现象。

在802.11协议中，实现高速的无线接入能力源于其所采用的多载波调制技术OFDM（正交频分复用调制）。在802.11g中，通过52个子载波频道的正交频分复用，实现高效的频带利用率。OFDM采用n-QAM，n表示各种调制映射到星座图上的模数。由于星座图上的点位需精确定位，所以，模数越低，对信号传输条件的要求越低，也就更能适应恶劣的空口传输环境。但这种通过调整编码方式，提高抗干扰能力的同时，每符号bit数越低，传输速率也逐级下降，见表1。以采用64QAM调制方式的54Mb/s为例，64QAM的码率为6b/s。由于OFDM提供52个子载波频道中有48个用于数据传送，故实现了每符号有216bit的码率。但当网络质量下降或退避次数过多时，空口会由于用户数据阻塞、退避、丢失等原因使得无线网卡主动采用模数低甚至抗干扰能力更强的BPSK（二进制移相键控）调制方式，以保证同无线设备间空口的传输质量，而在终端显示上，则以传输速率的降低表现出来。

表1、编码方式与传输速率

以传送一个1500byte的单一数据帧为例做简单计算。在交换一个数据帧前，station需监听信道一段时间（一个DIFS）。如果信道空闲，就传送数据；如果信道繁忙，则继续监听，直到信道空闲并且持续了一个DIFS的时间后，才可以传递相关数据帧，之后等候ACK。ACK会经过一个SIFS的时间后反溃DIFS需耗时50μs，SIFS需耗时10μs。因此，帧间间隔共用掉60μs。在数据帧中，802.11的preamble和signal字段需耗时20μs。1500byte的数据封装在MAC（媒体访问控制）帧中，加上SNAP（子网络访问协议）标头，总长度为1536byte，再加上CCMP（计数