智能Wi-Fi應對射頻干擾挑戰(zhàn)

802.11技術在過去10年已經取得了長足的發(fā)展：更快、更強大且更具有可擴展性。但有一個問題依然困擾著Wi-Fi，即可靠性。沒有什么比用戶抱怨Wi-Fi性能不穩(wěn)定、覆蓋不好、經常掉線更讓網管人員崩潰的事了。要想把Wi-Fi這個看不到且不斷變化的環(huán)境給處理好的確是個問題，而射頻干擾就是罪魁禍首。

射頻干擾幾乎來自于所有能發(fā)出電磁信號的裝置(無繩電話、藍牙手機、微波爐乃至智能儀表)。但大多數企業(yè)都沒有意識到的是，最大的Wi-Fi干擾源是他們自己的Wi-Fi網絡。

不同于授權頻譜，可以將一定的帶寬授權給特定的服務商使用。Wi-Fi是一個任何人都可以使用的共享介質，它工作在2.4GHz和5GHz這兩個免授權頻段。

當一部802.11客戶端設備偵聽到其它信號，無論該信號是否是Wi-Fi信號，該設備都會暫緩傳輸數據直到該信號消失。如果在數據傳輸中出現干擾則會導致數據丟包，從而強制Wi-Fi重傳數據。重傳數據會造成數據吞吐量下降，并給共享同一訪問接入點(AP)的用戶帶來普遍的影響。

雖然頻譜分析工具現已集成在AP中幫助IT部門觀察并甄別Wi-Fi干擾，但如果他們不能切實解決干擾問題，那么就沒有什么實際意義。

射頻干擾的問題由于新型無線標準802.11n的推出而變得更加嚴重。802.11n通常在一個AP中采用多個射頻信號在不同的方向和方位傳輸幾路 Wi-Fi數據流，從而實現更高的連接速率。因此現在出問題的機會將會翻倍。這些信號中如果有一路信號受到干擾，那么作為802.11n用于顯著提高數據傳輸速率的基本技術，空間復用和信道綁定將全部失效。

解決干擾問題的通行做法

通常解決射頻干擾的方法包括降低物理數據率，降低受影響AP的發(fā)射功率，以及改變AP的信道分配三種方式。雖然這些方法都有它們各自的專長，但沒有一種是直接針對射頻干擾問題的。

目前市場上充斥著大量采用全向雙極天線的AP，這些天線從各個方向發(fā)送和接收信號。由于這些天線總是不分環(huán)境、不分場合地發(fā)送和接收信號，一旦出現干擾，這些系統(tǒng)除了與干擾做斗爭以外沒有其它辦法。它們不得不降低物理數據傳輸速率，直至達到可接受的丟包水平為止。這簡直太影響效率了!而且隨之而來的是，共享該AP的所有用戶將會感受到無法忍受的性能下降。

不可思議的是，降低AP的數據速率實際卻產生了與期望相反的結果：數據包在空中停留的時間更長。這就意味著需要花更長的時間接收這些數據包，從而增加了丟包的風險，使它們在周期性干擾中變得更加脆弱。

另一種針對Wi-Fi設計的通常做法是降低AP的發(fā)射功率，從而更好地利用有限的信道數量。這樣做可以減少共享一臺AP的設備數量，以提高AP的性能。但是降低發(fā)射功率的同時也會降低客戶端接收信號的強度，這就轉變成了更低的數據率和更小范圍的Wi-Fi覆蓋，進而導致覆蓋空洞的形成。而這些空洞必須通過增加更多的AP來填補。可以想象，增加更多AP會制造更多的干擾。

不要改變信道

最后，大多數WLAN廠商希望客戶能相信，解決Wi-Fi干擾的最佳方案是“改變信道”。也就是當射頻干擾增加時，AP會自動選擇另一個“干凈”的信道來使用。

雖然改變信道是一種在特定頻率上解決持續(xù)干擾的有效方法，但干擾更傾向于不斷變化且時有時無。通過在有限的信道中跳轉，引發(fā)的問題甚至比它解決的問題還要多。

在使用最廣泛的2.4GHz Wi-Fi頻段，總共只有三個非干擾信道。即使是在5GHz頻段，在去除動態(tài)頻率選擇(DFS：一種允許非授權設備與現有雷達系統(tǒng)共享頻譜的機制)之后也只有4個非重疊40MHz寬信道(圖1)。

圖1：針對802.11工作在5GHz頻段的可用信道。

AP執(zhí)行的改變信道操作需要將連接的客戶端分離并再次關聯。這將引起語音和視頻類應用的中斷，并導致由于相鄰AP為防止同信道干擾而變換信道，從而引發(fā)的多米諾骨牌效應。

同信道干擾是在不同的設備使用同一個信道或用同一無線頻段發(fā)射和接收Wi-Fi信號時產生的設備間干擾。為將同信道干擾降至最低，網管人員試圖更好地設計他們的網絡。而針對有限的可用頻譜，則通過將AP部署的間距拉到足夠遠，來達到它們之間無法偵聽或無法相互干擾的目的。不過，Wi-Fi信號不會停止也不會受這些架構限制。

改變信道的方法也不會考慮到客戶的使用感受。在這些場景中，干擾取決于AP所處的有利位置，但客戶得到了什么?難道轉移到一個干凈的信道真能改善用戶體驗嗎?

征集方案：更強的信號，更低的干擾

一種預測Wi-Fi系統(tǒng)性能的技術指標就是信噪比(SNR)。SNR是接收信號水平與背景噪聲強度的差值(圖2)。通常，信噪比越高，則誤碼率越低且吞吐量越高。但是，一旦干擾發(fā)生，還會有一些其它的問題令網管人員擔心，即信號與干擾加噪聲比，也稱作SINR。SINR是信號水平與干擾水平的差值。由于反映了射頻干擾對用戶吞吐量的負面影響，因此SINR是一個更好的用于反映Wi-Fi系統(tǒng)能夠達到何種性能的指標。SINR值越高，數據傳輸率就越高，頻譜容量就越大。

圖2：SINR是決定Wi-Fi系統(tǒng)性能的重要指標。

為獲得更高的SINR指標，Wi-Fi系統(tǒng)必須通過提高信號增益或降低干擾來實現。但問題是傳統(tǒng)的Wi-Fi系統(tǒng)只能通過提高功率或在AP上豎起高增益定向天線來增加某個方向上的信號強度，但這卻限制了對小區(qū)域的覆蓋。最新的Wi-Fi創(chuàng)新技術所采用的自適應天線陣列為網管人員帶來了福音，它利用定向天線的優(yōu)勢獲得增益和信道，而且用更少的AP實現了對同一區(qū)域的覆蓋。

采用更智能的天線解決干擾問題

Wi-Fi的理想目標是將一個Wi-Fi信號直接發(fā)送給某個用戶，并監(jiān)控該信號，確保它以最大速率傳送給用戶。它不斷在信號路徑上重定向Wi-Fi傳輸，而該路徑是干凈且無需變換信道的。

新型Wi-Fi技術結合了動態(tài)波束形成技術和小型智能天線陣列(即所謂的“智能Wi-Fi”)，成為最接近無線理想境界的解決方案(圖3)。