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探討WiFi射頻干擾及優化

2014-03-04 來源:江蘇電信 字號:
以傳送一個1500byte的單一數據幀為例做簡單計算。在交換一個數據幀前,station需監聽信道一段時間(一個DIFS)。如果信道空閑,就傳送數據;如果信道繁忙,則繼續監聽,直到信道空閑并且持續了一個DIFS的時間后,才可以傳遞相關數據幀,之后等候ACK。ACK會經過一個SIFS的時間后反饋。DIFS需耗時50μs,SIFS需耗時10μs。因此,幀間間隔共用掉60μs。在數據幀中,802.11的preamble和signal字段需耗時20μs。1500byte的數據封裝在MAC(媒體訪問控制)幀中,加上SNAP(子網絡訪問協議)標頭,總長度為1536byte,再加上CCMP(計數器模式及密碼區塊鏈信息認證碼協議)的保護幀的16byte,一個物理層幀的有效載荷總長度為1552byte,即12416bit。當以54Mb/s空口協議速率來傳送時,物理層幀的有效載荷會以每個符號216bit的方式進行分割,因此傳遞本幀會用到12416/216=58個符號。每個符號耗時為216/(54Mb/s)=4μs,所以傳遞此數據幀共耗時58×4μs=232μs。ACK幀的長度為14byte,因此只需要1個54Mb/s的符號即可傳送完畢。所以ACK時間加標頭時間為4μs+20μs=24μs。因此,長度為1500byte的有效負荷需要用60μs的幀間間隔,232μs的傳送時間以及24μs的確認時間,總共時間是316μs。而如果以DBPSK編碼方式,1Mb/s協議速率的話,則一個數據幀的交互,需要12516μs。兩者相比,1Mb/s的一個數據幀長度相當于40次54Mb/s數據幀長度,可見其數據的傳輸效率是非常低的。

3、WiFi射頻干擾情況介紹

目前,在WiFi的業務應用過程中,造成影響無線業務使用的干擾因素很多,其中常見的主要為藍牙及微波爐射頻信號造成的空口寬頻干擾(其測試截圖見圖2)和因為空口擁塞及大量低速數據造成的射頻干擾。空口出現顯著射頻干擾時對業務的影響現象的測試截圖見圖3。

藍牙及微波爐射頻信號造成的空口寬頻干擾

圖2、藍牙及微波爐射頻信號造成的空口寬頻干擾

空口出現顯著射頻干擾時對業務的影響

圖3、空口出現顯著射頻干擾時對業務的影響

在圖3中,正常的吞吐量是一個較為平穩過程,在這種情況下,用戶普遍可以保證以較為穩定的方式高速接入無線網。但在出現干擾時,吞吐量出現顯著的變化,抖動非常明顯,無線接入環境變得不再穩定,隨后的吞吐量趨于零值,這種情況下,網速就同比變慢,Ping包時延大、丟包,最后出現掉線現象。

藍牙這種寬頻的射頻干擾可以從圖2中容易得出結論,即整個空口信道都被藍牙發送的數據所聚集,且能量不斷增大,導致正常WiFi信號在相應頻點上的數據報文受到破壞,被淹沒在干擾噪聲中,無法實現正常的網絡握手通信。但由于藍牙受發射功率限制,對WiFi信號傳輸的影響面不大,可以通過變更使用位置的方式予以規避。

那常見的影響WiFi業務使用的射頻干擾又是究竟是如何產生的?因為WiFi是一個TDD的時分系統,每個用戶的數據幀的傳送會占用一個時隙。當空口信道中均為低效率編碼的數據傳輸,每個數據幀占用的時隙較大,每秒鐘傳輸的數據量就少,而且由于每秒鐘僅能傳輸有限的數據幀,如果接入用戶較多,發起的數據請求頻繁的場景下,會有一定數量的用戶在單位時間內無法實現數據的傳輸,由于網絡反饋數據時間過長,在終端上就出現較大的時延,最終丟包和掉線。

關于造成WiFi射頻干擾的低效率編碼的數據傳輸,從截圖4可以對比看出。圖4中在理想狀態下,用戶終端普遍以54Mb/s的協議速率進行傳輸(這里的1Mb/s為廣播的beacon幀,協議規定以1Mb/s傳輸),吞吐量在21Mb/s左右。而由于低速信號的出現(大量1Mb/s的數據幀),空口信道的數據幀的低速協議速率占比逐漸增大,最后整個空口信道都以1Mb/s速率傳輸數據。而此時空口的吞吐量則陡降到幾十kb/s。如果仔細分析一下出現干擾時空口協議速率的變化過程,就可以了解到整個空口是如何被惡化的。首先,開始時都是綠色的54Mb/s協議速率,每一個數據幀都是以小時隙實現高效傳輸,空口帶寬也保證在20MHz左右。之后,網絡中開始出現紅色的1Mb/s速率報文,空口信道中也出現了大時隙的數據幀(1Mb/s的數據幀長度是54Mb/s數據幀的40倍)從而占用了較多的空口信道資源。這時,由于1Mb/s的數據幀占用了較大的時隙,導致本該由54Mb/s的數據幀發送數據的時隙被占用,繼而出現碰撞。對于station而言,認為空口信道出現惡化,于是逐級采用有較強抗干擾能力的編碼方式,而這種方式,每數據幀的時隙也逐漸增大。隨著每個幀的長度增加,又進一步加劇空口信道上的競爭;當競爭加劇到一定程度,又迫使所有終端采用抗誤碼能力更強的編碼方式來保證數據傳輸的質量,從而就像多米諾骨牌一樣,進入惡性循環,最終整個空口都采用1Mb/s的協議速率傳輸。因此,WiFi在空口上,實際上就是一套自干擾的系統。

主題閱讀:射頻干擾
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