干扰抑制：WLAN 的“降噪耳机”！

干扰抑制：WLAN 的“降噪耳机”！

2023-07-28

本篇部分内容来源自世界无线局域网应用发展联盟（WAA）同名白皮书原文。

在河套IT Talk第100期，我们解读了WAA在其夏季论坛上发布的《企业典型场景高品质WLAN网络建设白皮书》。白皮书介绍了非常多构建高品质WLAN的技术。我们会通过几期展开谈谈这个话题。之前已经聊过了：《射频资源管理——无线局域网竟然也需要红绿灯管理！？》，《狮吼功还有一招大喇叭——覆盖增强技术》，《WLAN资源调度——网红餐厅的调度秘籍》，以及《无感漫游：不用费尽找Wi-Fi信号啦！》。今天，咱们就谈谈干扰抑制技术。

1. 哪儿来的干扰？

干扰，顾名思义，就是指无线信号的传播受到其他无线设备或外部因素的干扰，导致信号质量下降，从而影响无线通信的稳定性和性能。

随着WLAN（无线局域网）技术的普及和应用，特别是WLAN网络在企业园区的规模使用，WLAN网络干扰问题也日益凸显。以下是一些常见的干扰形成原因：

  • WLAN干扰：干扰源发送的RF信号符合802.11协议规范的干扰。
    • 共频干扰（Co-Channel Interference）：在同一频道上有多个AP或无线设备同时工作，争夺同一频谱资源，造成信号互相干扰。比如一个办公大楼中，很多层，每层都有很多AP，所有同层的同频AP存在干扰情况，上下楼层之间的同频AP也存在互相干扰的状况。
    • 邻频干扰（Adjacent Channel Interference）：在相邻频道上有其他无线设备工作，信号波形可能会发生重叠，导致信号受到干扰。之所以会发生重叠，是因为每个信号都是有一定的中心发射频率和发射频宽，而且即便在发射频宽之外，信号也不可能立即衰减为零，而是逐渐衰减，这就导致中心频率不同但频段相邻的AP，是很可能发生重叠而相互干扰的情况的。
  • 非WLAN干扰：
    • 由于WLAN工作的ISM（Industry, Science and Medicine）频段，也会被蓝牙、Zigbee、WiMax、微波等技术使用。这使得许多非WLAN的电子设备、无线电设备或电磁辐射源也工作在该频段，如：微波炉、无线摄像机、射频识别设备、蓝牙设备、户外微波链路、无线游戏控制器等，导致这些设备产生的电磁波信号与WLAN网络信号产生冲突。导致WLAN的信号无法被正确接收。还有一些非ISM频段上的设备会在ISM频段上产生射频信号泄露，当临近距离很近的情况下，会对WLAN设备形成干扰。如3G基站，当和WLAN共存于一个机架，或者共用室内馈路系统时。

总体来说，WLAN面临的干扰状况还是非常复杂的。WLAN网络干扰往往会影响网络的稳定性、数据传输速度和网络连接质量，甚至导致网络中断等问题。为了避免干扰并提高无线网络的性能，需要采取抗干扰的技术来进行干扰管理和避免。

2. 好的网络部署是干扰避免的前提

从干扰避免和消除的技术来看，首先要做好预管理，也就是在WLAN部署之初，就要认真勘测部署环境，了解现场其他非WLAN干扰现状，在规划网络AP覆盖的时候，还需要考虑到如何最大程度规避同频干扰和邻频干扰。

  • 频谱规划：通过合理的频道规划，将AP分配到不同的非重叠频道，减少共频和邻频干扰。频道规划可以在AP上手动配置，也可以借助自动频道选择（Auto Channel Selection）功能。
  • 功率调整：调整AP的信道和功率，，确保信号覆盖区域内信号强度适中，避免信号过强造成相邻频道干扰或漫游不及时的问题。
  • 安装和天线设置：选择合适的安装位置，采用合适的发射天线，比如使用定向天线或扇形天线来调整信号覆盖范围和方向等等。尽量减少信号的重叠覆盖区域和干扰。

良好的网络部署是干扰避免和消除的基础，可以讲，好的网络部署已经解决了大部分潜在的干扰问题。

但干扰抑制绝对不是一个一劳永逸的工作，单纯依赖部署是不行的，需要后续持续不断去监测周围环境中的干扰源，并对干扰源进行定位，以便进一步采取干扰避免措施。下面就介绍四种典型的WLAN干扰抑制技术：

3. 立体射频调优

电磁波在传播过程中会随着距离的增加而逐渐衰减，这是因为信号在传输过程中会受到空气、障碍物等影响而减弱。接收端测量到的接收信号强度RSSI（Received Signal Strength Indicator）与发送端的信号强度相减，得到的差值就是所谓的“路损”。路损可以衡量信号在传播过程中的衰减程度，通常情况下，传播距离越远，路损越大。由于空气近似于均匀介质，射频信号在空气中传播时，路损的大小可以用来大致估算信号的传输距离。这个估算不是非常精确，但可以用来判断信号的传播范围和衰减情况，从而有助于调整无线网络的布局和优化。

传统射频调优基于AP间互相测量得到的信号强度，根据AP两两之间的路损推断它们之间的距离和相对位置关系，建立逻辑上的二维拓扑关系。通过这样的拓扑关系，可以了解AP之间的邻居关系，即哪些AP在信号覆盖范围内相互靠近，从而建立一个简单的“AP-AP”邻居关系图。

在上述基础上，传统射频调优算法会根据这些“AP-AP”邻居关系和信号强度信息，通过一些规则和算法来优化无线网络的布局和设置。目标是使得AP之间的信号干扰尽可能小，同时保持较好的覆盖范围和传输性能。

调优的基本原则是避免近距离邻居分配相同信道，在保障信号覆盖的前提下，功率也要适当的降低，尽量降低干扰和保证及时漫游。由于AP安装环境复杂，二维网络拓扑不能完全反映AP间的准确关系，因此传统射频调优对复杂点位AP的调优结果不理想。有代表性的是AP间遮挡及AP高挂场景。

  • AP间遮挡场景：如果物理上相邻的两个AP之间存在横梁、拐角等对信号影响较大的遮挡物（路损比无遮挡场景偏大8dB及以上），彼此无法互相感知或者感知较弱，传统调优算法会误认为这两个AP相距较“远”，可能分配相同的工作信道，从而导致在终端侧出现同频干扰严重、有信号却无法上网的问题。
  • AP高挂场景：由于高挂（与地面距离＞5m），导致终端接收AP信号弱、速率低、漫游掉线等问题。

立体射频调优算法解决了这些问题。以终端反馈的历史测量数据为参考，能适应上述复杂的空间环境。立体射频调优算法借助于802.11k终端的LM测量能力（Link Measurement，链路测量），构造“AP-终端-AP”之间的三维拓扑关系，能够更真实地反映无线信号在空间中传播情况以及信号对终端和AP的影响。更好地适应复杂多变的空间环境，实现了立体射频调优，对AP间遮挡和AP高挂场景进行了优化，提升用户体验：

  • AP间遮挡场景：对于邻居AP间有遮挡的场景，基于终端的LM测量结果，调优算法可以更准确地识别这两个AP之间的邻居关系，分配不同的工作信道，保障终端侧业务体验。
  • AP高挂场景：经过一段时间的采样，剔除粘性终端的数据以后，调优算法对终端上报的数据样本（数据来自关联AP）进行统计分析。如果有10%以上样本的下行RSSI＜-70dBm，则认为此点位为高挂场景，并以这10%样本中最强的RSSI≥-65dBm为目标调高关联AP的发射功率，从而提高终端侧的业务体验。
4. 多AP 间的协同

AP和AP之间可以进行信道优化选择、AP 发射功率调整、负载均衡、 空间复用、时域和频域的协调规划，小区间的干扰协调等等协同方法，来有效降低AP之间的干扰，极大的提升空口资源的利用率。下面就介绍三个典型的AP间协同技术：

4.1 基本服务集着色机制（BSS Coloring）

Bss color，在Wi-Fi 6 标准提出了bss 着色技术，用于解决同频率下BSS 重叠，提升空间重用率的方法，减少因为BSS重叠导致的空口竞争开销。Bss color 信息同时被添加在WLAN 报文的PHY 层和MAC 层，设备在竞争时，根据检测到PHY 层头部的bss color 字段来分配MAC 层的竞争行为，主要分为相同BSS（intra-bss）和重叠BSS（inter-bss）。如果颜色相同，则认为是同一BSS内的干扰信号，发送将推迟；如果颜色不同，则认为两者之间无干扰，两个Wi-Fi设备可同信道同频并行传输。引入的自适应CCA 机制，通过提高inter-bss 信号检测阈值，同时保持intra-bss 较低检测阈值，来减少MAC 层竞争，提升MAC 层效率。

4.2 多AP 间发射功率协同

多AP 间发射功率协同，在高密办公场景中，AP 部署比较密集，存在一定的同频干扰，当某AP 发送数据时，会影响周围的同频AP 正常发送数据。通过AP 间协同，控制AP 发送数据的发射功率来消除对周围同频AP 的干扰，使周围同频AP可同时发送数据，从而提升整网的容量。

4.3 多AP协同时间分割多址接入

协同时间分割多址接入（Co-TDMA）：允许多个AP在不同的时间片段上发送数据，通过协同调度和分配时间资源，避免了AP之间的冲突和干扰，减少传输延迟，并提供更稳定和可靠的连接，提高网络容量和频谱利用效率。

5. 动态EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）

在网络使用过程中，终端个数会动态变化，业务大小也是动态变化。EDCA是一种用于Wi-Fi网络中的分布式信道访问机制，它基于优先级的方式管理不同类型的数据包的发送。通过检测终端数目和整机业务大小，对EDCA参数进行动态调整，可以适应网络负载的变化，减少干扰。

在终端数目少，业务单一情况下适当调小EDCA窗口，减少不必要的退避，提高空口使用效率，而在终端数目多，业务多样时，差异化调整不同优先级业务的EDCA参数，一方面对高优先级业务进行一个空口保障，另外减少空口的冲突竞争。

6. 动态CCA（Clear Channel Assessment）

802.11协议定义了CCA机制以实现信道闲/忙的状态监测。信道忙闲状态的准确判断对于避免干扰和冲突非常重要。当监测到信道空闲时，WLAN设备才开始发送报文，进行信道竞争抢占动作，减少因为信道状态未知而发送报文导致的冲突。通过CCA机制可以避免在有干扰时发送信号，避免信号与干扰发生冲突，从而减少干扰对WLAN性能的影响，提升传输效率。然而在不同场景下，使用相同的默认CCA门限值，取得的实际效果存在差异。动态CCA机制能够根据场景差异，动态调整AP设备的CCA门限，来减少冲突概率、提升AP并发率，从而提升整网的用户体验。

今天我们介绍了四种典型的WLAN干扰抑制技术，但并不意味着WLAN干扰抑制技术就这四种。除了上述四种，还可能有自适应调制和编码、动态信道选择等等其他干扰抑制和消除技术。在现实部署场景中，这些抗干扰技术可以综合应用，以提高无线网络的抗干扰能力，优化网络性能，并为用户提供更稳定、高效的无线连接体验。

好了，今天我们就先聊到这儿，下次我们再来谈谈WLAN中的其他技术。

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