智能Wi-Fi应对射频干扰挑战

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 802.11技术在过去10年已经取得了长足的发展:更快、更强大且更具有可扩展性。但有一个问题依然困扰着Wi-Fi,即可靠性。没有什么比用户抱怨Wi-Fi性能不稳定、覆盖不好、经常掉线更让网管人员崩溃的事了。要想把Wi-Fi这个看不到且不断变化的环境给处理好的确是个问题,而射频干扰就是罪魁祸首。

  射频干扰几乎来自于所有能发出电磁信号的装置(无绳电话、蓝牙手机、微波炉乃至智能仪表)。但大多数企业都没有意识到的是,最大的Wi-Fi干扰源是他们自己的Wi-Fi网络。

  不同于授权频谱,可以将一定的带宽授权给特定的服务商使用。Wi-Fi是一个任何人都可以使用的共享介质,它工作在2.4GHz和5GHz这两个免授权频段。

  当一部802.11客户端设备侦听到其它信号,无论该信号是否是Wi-Fi信号,该设备都会暂缓传输数据直到该信号消失。如果在数据传输中出现干扰则会导致数据丢包,从而强制Wi-Fi重传数据。重传数据会造成数据吞吐量下降,并给共享同一访问接入点(AP)的用户带来普遍的影响。

  虽然频谱分析工具现已集成在AP中帮助IT部门观察并甄别Wi-Fi干扰,但如果他们不能切实解决干扰问题,那么就没有什么实际意义。

  射频干扰的问题由于新型无线标准802.11n的推出而变得更加严重。802.11n通常在一个AP中采用多个射频信号在不同的方向和方位传输几路 Wi-Fi数据流,从而实现更高的连接速率。因此现在出问题的机会将会翻倍。这些信号中如果有一路信号受到干扰,那么作为802.11n用于显著提高数据传输速率的基本技术,空间复用和信道绑定将全部失效。

  解决干扰问题的通行做法

  通常解决射频干扰的方法包括降低物理数据率,降低受影响AP的发射功率,以及改变AP的信道分配三种方式。虽然这些方法都有它们各自的专长,但没有一种是直接针对射频干扰问题的。

  目前市场上充斥着大量采用全向双极天线的AP,这些天线从各个方向发送和接收信号。由于这些天线总是不分环境、不分场合地发送和接收信号,一旦出现干扰,这些系统除了与干扰做斗争以外没有其它办法。它们不得不降低物理数据传输速率,直至达到可接受的丢包水平为止。这简直太影响效率了!而且随之而来的是,共享该AP的所有用户将会感受到无法忍受的性能下降。

  不可思议的是,降低AP的数据速率实际却产生了与期望相反的结果:数据包在空中停留的时间更长。这就意味着需要花更长的时间接收这些数据包,从而增加了丢包的风险,使它们在周期性干扰中变得更加脆弱。

  另一种针对Wi-Fi设计的通常做法是降低AP的发射功率,从而更好地利用有限的信道数量。这样做可以减少共享一台AP的设备数量,以提高AP的性能。但是降低发射功率的同时也会降低客户端接收信号的强度,这就转变成了更低的数据率和更小范围的Wi-Fi覆盖,进而导致覆盖空洞的形成。而这些空洞必须通过增加更多的AP来填补。可以想象,增加更多AP会制造更多的干扰。

  不要改变信道

  最后,大多数WLAN厂商希望客户能相信,解决Wi-Fi干扰的最佳方案是“改变信道”。也就是当射频干扰增加时,AP会自动选择另一个“干净”的信道来使用。

  虽然改变信道是一种在特定频率上解决持续干扰的有效方法,但干扰更倾向于不断变化且时有时无。通过在有限的信道中跳转,引发的问题甚至比它解决的问题还要多。

  在使用最广泛的2.4GHz Wi-Fi频段,总共只有三个非干扰信道。即使是在5GHz频段,在去除动态频率选择(DFS:一种允许非授权设备与现有雷达系统共享频谱的机制)之后也只有4个非重叠40MHz宽信道(图1)。

  
图1:针对802.11工作在5GHz频段的可用信道。

图1:针对802.11工作在5GHz频段的可用信道。

  AP执行的改变信道操作需要将连接的客户端分离并再次关联。这将引起语音和视频类应用的中断,并导致由于相邻AP为防止同信道干扰而变换信道,从而引发的多米诺骨牌效应。

  同信道干扰是在不同的设备使用同一个信道或用同一无线频段发射和接收Wi-Fi信号时产生的设备间干扰。为将同信道干扰降至最低,网管人员试图更好地设计他们的网络。而针对有限的可用频谱,则通过将AP部署的间距拉到足够远,来达到它们之间无法侦听或无法相互干扰的目的。不过,Wi-Fi信号不会停止也不会受这些架构限制。

  改变信道的方法也不会考虑到客户的使用感受。在这些场景中,干扰取决于AP所处的有利位置,但客户得到了什么?难道转移到一个干净的信道真能改善用户体验吗?

  征集方案:更强的信号,更低的干扰

  一种预测Wi-Fi系统性能的技术指标就是信噪比(SNR)。SNR是接收信号水平与背景噪声强度的差值(图2)。通常,信噪比越高,则误码率越低且吞吐量越高。但是,一旦干扰发生,还会有一些其它的问题令网管人员担心,即信号与干扰加噪声比,也称作SINR。SINR是信号水平与干扰水平的差值。由于反映了射频干扰对用户吞吐量的负面影响,因此SINR是一个更好的用于反映Wi-Fi系统能够达到何种性能的指标。SINR值越高,数据传输率就越高,频谱容量就越大。

  

 

  图2:SINR是决定Wi-Fi系统性能的重要指标。

  为获得更高的SINR指标,Wi-Fi系统必须通过提高信号增益或降低干扰来实现。但问题是传统的Wi-Fi系统只能通过提高功率或在AP上竖起高增益定向天线来增加某个方向上的信号强度,但这却限制了对小区域的覆盖。最新的Wi-Fi创新技术所采用的自适应天线阵列为网管人员带来了福音,它利用定向天线的优势获得增益和信道,而且用更少的AP实现了对同一区域的覆盖。

  采用更智能的天线解决干扰问题

  Wi-Fi的理想目标是将一个Wi-Fi信号直接发送给某个用户,并监控该信号,确保它以最大速率传送给用户。它不断在信号路径上重定向Wi-Fi传输,而该路径是干净且无需变换信道的。

  新型Wi-Fi技术结合了动态波束形成技术和小型智能天线阵列(即所谓的“智能Wi-Fi”),成为最接近无线理想境界的解决方案(图3)。

  动态的、基于天线的波束形成技术是一种新开发的技术,用于改变由AP发出的射频能量的形态和方向。动态波束形成技术专注于Wi-Fi信号,只有在他们需要时,即干扰出现时才自动“引导”他们绕过周围的干扰。

  

 

  图3:采用动态波束形成技术自动回避干扰。

  这些系统为每个客户端运用了不同的天线模式,当问题出现时就会改变天线模式。比如在出现干扰时,智能天线可以选择一种在干扰方向衰减的信号模式,从而提升SINR并避免采用降低物理数据率的方法。

  基于天线的波束形成技术采用了多个定向天线元在AP和客户端之间提供数千种天线模式或路径。射频能量可以通过最佳路径辐射,从而获得最高的数据速率和最低的丢包率。

  对标准Wi-Fi介质访问控制(MAC)客户端确认的监控可以决定信号的强度、吞吐量和所选路径的丢包率。这样就保证了AP能够确切了解客户的体验,并且在遇到干扰时,AP可以完全控制去选择最佳路径。

  智能天线阵列也会主动拒绝干扰。由于Wi-Fi只允许同一时刻服务一个用户,因此,这些天线并非用于给某一个指定的客户端传输数据,而是用于所有客户端,这样才能忽略或拒绝那些通常会抑制Wi-Fi传输的干扰信号。结果是在某些情况下可以获得高达17dB的信号增益。

  或许这项新技术的最大好处是它可以自动运行,无需手工调节或人工干预。

  对于网管人员来说,由于大量新型Wi-Fi设备对企业网的冲击,解决射频干扰问题正在变得越来越重要。同时,用户对Wi-Fi连接可靠性的要求越来越高,对支持流媒体应用的需求更是与日俱增。

  解决射频干扰问题是企业发展中顺应这些趋势的关键。但要实现它,就意味着要采用更加智能和更具适应性的方法来处理失控的无线频率,它们是引起所有这些干扰出现的根源。

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