直击802.11协议的死穴——邻信道干扰
文/图 tange
无线局域网以及其它无线技术在相同的未经许可的频谱中以惊人的速度被广泛部署，正在迅速增加Wi-Fi(802.11)产品的射频(RF)干扰，从而影响到无线局域网(WLAN)的数据吞吐性能。同时，面对多媒体音频与视频、流媒体、WLAN 语音及其他需要服务质量(QoS)功能和低分组错误率的新型WLAN应用，市场急需更高的数据吞吐量。由于WLAN设备所处环境中的带内及邻道干扰不断增加，一方面通过提高无线电及数字过滤的设计技术，二是改善电磁污染环境。后者在现阶段，更具可行性。
一、无线信道特性
IEEE802.11b/g工作在2.4~2.4835GHz频段（如无特别说明，本文所涉及到的频段或信道仅对中国采用的标准，目前中国普遍的标准为欧标ETSI），这些频段被分为11或13个信道（operating channels）。802.11a工作在5150～5350、5725～5825MHz频段，被分为8～13个信道。2.4G频段位于扩频数据通信和工业、科学、医疗（ISM）设备工作频段，因而让WLAN的信道特性更具复杂性。
信道在WLAN中是具有固定带宽的频带。数据经调制后以各个标准规范中的载波技术向外传送。
信道特性对无线信号的传输至关重要，信号通过不同的信道发生不同的失真和畸变。通信系统的收发设备必须依据信道特征来设计。相对于广播电台、卫星信号，无线信道的特性恶劣得多，表现为路径损耗、多径损耗和多普普勒衰落等，多径衰落会使信号产生码间干扰，接收端必须采用均衡技术来消除信道的影响。
WLAN收发器采用信道编码对信号进行变换，使数据信号能经受许多信道损伤的影响，如噪声、衰落和干扰等，从而提高通信质量。 小知识：
室内信号存在的三种物理模式
●反射：信号反射的程度取决于被它所到达到表面弹回还是吸收。大多数情况下，同时发生这两种情况：一部分信号继续传播；另外被吸收的信号则损耗了。两种情况是相互转移的，这取决于到达的物质。墙、地板、家具都会反射信号，而人体和水则吸收信号。 ●绕射：当信号遇到障碍物时，它会绕过障碍物，在障碍物后面或旁边生成信号。尖锐的角度和边缘会产生绕射。
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●散射：信号在传输过程中遇到大量物体时，散射向所有方面发送信号，产生了干扰并降低信号强度。金属建筑材料和管道是造成信号散射的主要来源。
发射和绕射是信号与障碍物和环境地形状态相作用的结果。通信信号的失真包括延时扩展、信号强度的衰减和频率的展宽。
下图中一部分信号绕过墙产生绕射；一部分产生反射形成自由空间损耗等路径损耗；另一部分穿过介质。携带着数据的无线信号，由于其经绕射、反射后，反而对正常的无线信号形成了干扰，虽然可以通过设计将非正常信号消除，但其造成的信号衰减却降低了无线信号的质量。
下图最终到达的信号情况是：快速变化的波动叠加在慢速变化的波动上，当平均的包络信号强度经受巨大减小时，信号就认为经历了信号强度的衰落，这种强度的减小来自不同路径的相位相消的结果。这就是绕射造成的同道干扰和反射造成的相位干扰，后者称为自由空间损耗，统称为多径衰落。
图1 WLAN信号经受反射、洐射导致失真
二、WLAN的信道
2.4G~2.4835GMHz被划分有11个信道，信道数因各国划归的频段有关，频段越宽其信道数相应增加，如日本增加了2.471GHz~2.497GHz，其信道数为14。注意信道带宽并不是=总带宽÷信道数。不管哪个地区标准，每个信道带宽均为5MHz，且信道频带所在范围都是一样的。
802.11b和802.11g中只有3条是非重叠信道：信道1、6和11。在理想状态下，这3
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个信道1、6和11永远不会与同一信道相邻，这样它们就不会相互干扰，但却是不现实的。上节所述特性中的各种损耗以及相互之间的漫游协议都会产生一定量的频率覆盖重叠。802.11a的8～13个的非重叠信道可以在很大程度上缓解信道分配带来的问题。同时802.11a尚未大规模普及，其使用的5GHz频带比较清静，这就有效降低邻道干扰的机率，而且信道数多用户也不太可能遇到相邻802.11a接入点。这点802.11a具有较强的优势。
信道
频率
2400241224052417243724272425244224472452245724732422243224621 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
图2 11个信道频率范围
在此需特别说明的是，很多人都以为信道是按频带平均间隔分布的。事实并非如此，如上图，1、6、11信道位于频谱的两端和，所以说是非重叠的信道。而其它信道都与相邻信道重叠。如信道2与信道1和信道3是重叠的。每个信道的带宽为22MHz，试运算可知若不重叠则所有信道带宽总和远远大于各国分配的带宽数量。
中国实行欧洲标准，但是市场上11和13信道的产品都有，其主要原因是WLAN主芯片是进口的，自主权自然不多。但是无论何种标准，IEEE规范中802.11b/g其频段中心间隔都为5MHz。802.11a工作在5GHz频段，802.11a的优点是5GHz在全球频宽较大（不像2.4G）。较宽的频段意味着更多的无线信道共存而不致引发冲突，每个无线信道负责协调同一网络中的分离子网或交换网段的通信。
一般而言，在北美地区有13个信道﹙包括U-NII和ISM频段﹚，在欧洲有8到19个信道，在亚洲有5到12个信道，中国是8个信道。信道越多，总传输率越高；信道带宽越低，受干扰机会越大。
谈到本节，恐怕有人会担心有些产品是11信道，有些是13信道，那这些信道总数不同的产品之间能否通讯呢？担心不是多余，不过也无须过虑。IEEE PHY规范中对美、欧、加标，信道号与其所在的频带都是绝对的。比如信道1其所在的中心频带都为2412MHz。 三、信道与漫游
在对一个工作区间布置AP时，最头痛的恐怕是AP的布点和信道的划分。要实现无缝漫游和有效覆盖很难有规律可循，而且每个地点由于地理和环境的不同，以往的经验并不能完全照搬。但是万变不离信道，牢记非重叠信道：802.11b/g的信道1/6/11一般是非重叠
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信道，牢记这3个信道可以一起使用，可以为相邻AP设置这3个中的任何一个。802.11a相对来说就容易布置了，因为其提供的非重叠信道最少为8个以上，类似于地图最少需要4色一样，8个非重叠信道布置AP覆盖面轻松极多。
信道1信道6
信道6重叠覆盖，干扰最严重区域 信道11
图3 802.11b/g的AP布置图
上图如果用3个AP无缝覆盖，则重叠区域会更大。4个AP可实现无缝覆盖，但是必定会存在使用同信道。此外，由于无线信号的特性，距离越远信号越弱，AP布点视环境不宜太远，特别在楼层等三维布置中，防止同道干扰是极难的。而802.11a非重叠信道多，这一问题基本不存在。
一个区域的AP用户数量的总带宽是3个非重复区域的总和，而802.11a是8个信道带宽之和。通过引入更多的非重叠信道可以使区域容纳更多的并行用户，实现扩大用户数量。
注：这里的漫游仅指AP间的漫游，而不是区域与区域之间的漫游。
1.邻道抑制(Adjacent Channel Rejection，ACR)和邻道干扰（Adjacent Channel Interference，ACI）
WLAN在未来将会受到越来越多的干扰，AP及其工作站性能会受到附近的未经授权的工作在同一信道的AP或工作站干扰，当WLAN普及程度越高，出现这种情况的机会随着增高。正如黑客们使用的“AP欺遍”，不小心你的AP就干扰了他人。非授权的AP和子站是产生邻道干扰的重要因素。邻道抗干扰技术是当前制约WLAN发展的重要因素。
如第一节所述，干扰经常来自同信道或相似频段，802.11设备的RF子系统和数字滤波的设计也影响AP或子站的性能。此外，物理设计能够克服同信道产生的反射干扰，邻道干扰主要取决于系统的信号干扰比(信干比：该比率的定义是数据信号与干扰信号的比率，S/I)指标，S/I定义是数据信号与干扰信号的比率，通常，S/I比SNR（信噪比）更常用来评价WLAN的设计性能。S/I的大小将对WLAN数据的吞吐量造成决定性影响。
未来的WLAN设备会广泛采用邻信道抑制技术（ACR），来克服邻道干扰。
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AP之间须使用不同的无线信道现况在未来极有可能会改变：多家公司正在致力于邻AP都能使用同信道传输数据的技术。
图4 邻近的AP之间产生带内干扰
上图说明了两相邻AP产生干扰的问题。当AP距离很近时，热噪声与路径损失成为重要因素。强度取决于它们的功率大小，信号离其母AP源越近其强度越大，在相互覆盖的区域由信号的强度大小干扰程度，当两信号强度相似时，带内RF干扰使AP重复覆盖区域范围内失效。
当然，WLAN网络的抗干扰程度还不是很糟。使用扩频调制后，能降低受干扰的可能性。扩频信号工作在数M或上百M的频带上，传统的窄带干扰只能影响到扩频信号的一部分，产生错误的几率极低。窄带干扰信号干扰率不低于10dB，一般不会影响扩频传输。
此外，802.11a/g采用了OFDM技术，OFDM可打破无线信道，将高速率的数据流分成一些同时在若干子载波上传输的较低速率数据流，在并行子载波中用较低的数据率增加信号持续时间，并可以相继的OFDM信号插入足够长的保护间距，因而具有非常强的邻道抗干扰能力，大大提升了WLAN的速度和整体信号质量。
真正的威胁是宽带干扰，微波炉是一种，而AP本身更是重要干扰源，下文阐述。 2.双频、多模和信道捆绑（channel bonding）
双频是指2.4G和5G两个频率。多模是指同时采用两个以上标准的产品。多模产品其信道属性仍然与其对应标准相同，并没有大的改变。目前市面上开始流行双频双模产品，像Atheros早在去年就推出了双频三模的芯片组。
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信道捆绑也称增强模式，是将2个信道结合，以达到更高的数据吞吐能力。绑定后的双信道看上去象在一个单独的信道里接收和发送信号。比如802.11b+和802.11a+，可以达到22Mbps和108Mbps的速率，实际增加的速率约在20%~50%，该模式是消耗多个信道来进行传输的，对于家庭用户，或许只用一个AP就足够了，选择增强式产品无疑是个不错的选择。但对于企业，尤其是大范围布置AP则基本上用不到。
信道捆绑使邻道干扰问题更加突出。
注意多模和增强模式的区别，两者是完全不同的概念。 四、预防信道干扰
预防邻道抑制和邻道干扰，主要有如下几种： 1.正确分配信道
前面曾说邻近的AP也是干扰无线信号的主要原因，AP之间必须工作在不同的无线信道上。为了实现频率复用，需要进行无线信道规划，尽量避免干扰。使用netstumbler等软件，侦测附近有没有AP信号源，如有还可以侦测出使用哪条信道，随时进行切换，避免自已的AP使用该信道。
802.11b/g干扰严重的本质是处于ISM频带内，以及其规定的信道布置特征，可算是物理属性而存在的，即使其防干扰技术再先进，也难于彻底解决干扰问题。
早期AP产品的信道是要手动选择的，现在不少产品会自动侦测信道，寻找并选择最合适的信道，如ORiNOCO AP-2000、D-link DI-724P+等产品。Proxim等产品中称为Dynamic Channel Allocation（DCA,动态信道分配），在3COM产品中称为Clear Channel Select（畅通信道选择），在配置信道选择时，旁边若有动态信道选择的选择框，勾选即可支持。
2.改善电磁和物理环境 电磁干扰源主要有两方面：
z 蓝牙、手提电话和微波炉工作在2.4G或5.XGHz频段的设备；低能量RF光源等。
蓝牙、微波炉等宽带类型的设备对WLAN设备干扰最严重。前面说过，窄带干扰可以通过设备防止，而宽带干扰则极难做到。 z 邻近的其他AP和子站等802.11的设备。
良好的WLAN电磁环境应尽量远离上述设备，屏蔽性能不好的微波炉要远离AP 10米之外才不能干扰到无线信号。
物理环境是指阻碍物等因素，信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。
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3.增加信号强度
增加信号发射功率能有效降低AP或客户端的同道干扰。但是受管制及人身安全，这条不建议采用。
根据卫生部《环境电磁波卫生标准》(GB 9175-88)的规定要求，频率300MHz～300GHz频段内，基站发射天线在居民覆盖区内，射频辐射要求小于0.1W/m2。无委规定WLAN产品的发射功率不能高于100mW。
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2004.6
本文发表于《在线》杂志
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