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无线干扰免疫力报告

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摘要:无线之于有线,从固定的墙面端口,到自由的“空气”传播,无疑是网络技术的一大进步。但事实上,直到现在世界上还没有一种技术是“完美”的。因此,无线的进步也必然伴随着它固有的缺陷和不足。

关键词:无线网络  射频干扰

无线之于有线,从固定的墙面端口,到自由的“空气”传播,无疑是网络技术的一大进步。但事实上,直到现在世界上还没有一种技术是“完美”的。因此,无线的进步也必然伴随着它固有的缺陷和不足。

干扰,特别是射频干扰就是无线网络传输的一个致命弱点。以空气为介质传播的无线信号,对于同样在空气中传播的其他射频流几乎没有屏蔽的能力。因此,任何的干扰源都更容易对无线信号产生干扰和影响,轻则是信号失真,重则令数据包丢失,传输掉线中断。所以未来,抗干扰必将成为无线网络的一个基础性能。

射频干扰是罪魁祸首

有一个问题始终困扰着Wi-Fi的进一步普及,那就是可靠性。

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头疼的事了。Wi-Fi网络看不到,摸不着,且传输环境不断变化,的的确确让射频干扰成为了无线网络的一个难题。

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。据研究,由于WLAN网络使用的2.4GHz频段在我国是公共频段,该频段中对WLAN干扰最为严重的设备是2.4GHz无绳电话,其次为3米内的微波炉,再次是蓝牙设备,如笔记本和PDA。

但大多数企业都没有意识到的是,最大的Wi-Fi干扰源其实来自于Wi-Fi网络本身。Aruba公司中国区技术总监王岳霖告诉记者,很多人认为无线强度越大越好,其实这个观点是不对的。因为很多设备和AP都是在同一频段,所以功率很大的时候会有互相干扰的情况发生,国家无委会针对室内无线产品的功率的规定是不得超过100毫瓦。“针对这种情况,我们一般会建议在搭建无线网络的时候,不要把AP的功率调到最大,而是应该调整到中等程度,这样即避免了相同频段设备间的干扰,同时可以保证当有AP损坏的时候,周围的AP可以自动向上调整功率来覆盖已损坏的AP覆盖范围。”王岳霖说。

Ruckus Wireless 公司中国区技术总监宣文威说:“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。当一部无线客户端设备侦听到其他信号,无论该信号是否是Wi-Fi信号,设备都会暂缓传输数据,直到该信号消失。”这种数据传输中出现的干扰会导致数据丢包,从而强制Wi-Fi重传数据。而不断出现重传,会造成数据吞吐量下降,并给共享同一AP的用户带来影响。

射频干扰的问题在新型无线标准802.11n的应用中变得更加严重。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。但基于这种称为MIMO的多入多出技术,无线传输流量出现问题的机率也翻了几翻。

针对这一问题,通常情况下网络管理人员会采用频谱分析的办法加以解决。例如采用wi-spy等频谱分析工具,用于扫描并显示2.4GHz和5GHz频段的信号活动情况。它能够快速确定是否存在干扰,找到闲置的信道,并对信号的质量进行分析。

wi-spy分析仪包括两个部分, chanalyzer分析软件和硬件wi-spy USB卡,wi-spy USB卡将捕获的2.4GHz频谱信号(包括802.11信号,无绳电话、Zigbee、无线广播、蓝牙和其他2.4GHz信号)送交chanalyzer进行可视化分析。这种可视化分析是交互的,用户可以按照自己的方式对特定的信号进行相关分析。通过这种分析,用户可以很容易地看到网络中存在的问题,对网络布置和优化是很大的便利。

通过捕获通信数据包,以信号学的特性来分析他们,wi-spy可以观测到当前环境中无线信号带宽的使用率、干扰情况和其它相关的信号学特征。但宣文威指出:“虽然频谱分析工具可以集成在AP中帮助IT部门观察并甄别Wi-Fi干扰,但如果它们不能切实解决干扰问题,就没有什么实际意义了。因为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。”

难以掌控的信号

通常解决射频干扰的方法包括降低物理数据传输速率,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。虽然这些方法有它们各自的专长,但没有一个是直接针对射频干扰问题的。

目前市场上的AP大量采用全向双极天线,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。但随之而来的是,共享该AP的所有用户将会感受到无法忍受的性能下降。虽然在一定程度上解决了干扰的问题,但却牺牲了传输效率,对于无线网络来说,无异于饮鸩止渴。

北京精睿学校信息中心网络工程师岳维鑫认为,降低AP的数据速率实际上还会产生与期望值相反的结果。“数据包在空中停留的时间越长,这就意味着需要花更长的时间去接收这些数据包,从而增加丢包的风险,使它们在周期性干扰中变得更加脆弱。”

另一种为Wi-Fi抗干扰的通常做法是降低AP的发射功率,从而更好地利用有限的信道数量。这样做需要减少共享一台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速率和更小范围的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,而增加更多的AP,又会制造更多的干扰。

另外,大多数WLAN厂商宣称,解决Wi-Fi干扰的最佳方案是“改变信道”。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。

但宣文威对此提出了不同的看法,他认为,改变信道虽然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)之后也只有4个非重叠40MHz宽信道。DFS是一种允许非授权设备与现有雷达系统共享频谱的机制。

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

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。为了将同信道干扰降至最低,网管人员需要对网络结构进行更好的设计。而针对有限的可用频谱,一般通过将AP部署的间距拉到足够远的方式,达到让它们之间无法侦听或无法相互干扰的目的。然而,Wi-Fi信号不会停止也不会受这些架构的限制。同时,改变信道的方法也无法保证客户的使用感受。

建筑物材质对无线电波的衰减程度

类型  程度  举例 
开阔地  无  自助餐厅、庭院 
木制品  少  内墙、办公室隔断、门、地板 
石膏  少  内墙(新的石膏比老的石膏对无线信号的影响大) 
合成材料  少  办公室隔断 
煤渣砖块  少  内墙、外墙 
石棉  少  天花板 
玻璃  少  没有色彩的窗户 
玻璃中的金属网  中等  门、隔断 
金属色彩的玻璃  少  带有色彩的窗户 
人的身体  中等  大群的人 
水  中等  潮湿的木头、玻璃缸、有机体 
砖块  中等  内墙、外墙、地面 
大理石  中等  内墙、外墙、地面 
陶瓷制品  高  陶瓷瓦片、天花板、地面 
纸  高  一卷或者一堆纸 
混凝土  高  地面、外墙、承重梁 
防弹玻璃  高  安全棚 
镀银  非常高  镜子 
金属  非常高  办公桌、办公隔断、混凝土、电梯、文件柜、通风设备 

“天线阵列”大有文章

业界通常采用的一种预测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音强度的差值。通常,信噪比越高,误码率越低且吞吐量越高。但是,一旦干扰发生,还会有一些其他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。由于射频干扰对用户吞吐量的负面影响,因此SINR是一个更好的指标,用来反映一个Wi-Fi系统能够达到何种性能。SINR值越高,数据传输率就越高,频谱容量就越大。

为了获得更高的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,可问题是传统的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。

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。新的Wi-Fi创新技术采用的自适应天线阵列,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。它能够不断在信号路径上重定向Wi-Fi传输,而该路径是干净的且无须变换信道。

波速成形给无线强身健体

新型Wi-Fi技术结合了动态波束成形技术和小型智能天线阵列,可以实现最接近于理想状态的无线传输。

波束成形技术是一种新开发的动态天线技术,用于改变由AP发出的射频能量的形态和方向。动态波束成形技术专注于Wi-Fi信号,干扰出现时会自动“引导”它们绕过周围的干扰。

系统为每个客户端应用提供不同的天线模式,当问题出现时可改变天线模式。比如在出现干扰时,智能天线可以选择一种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。

基于天线的波束成形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,客户端确认监控可以决定信号的强度、吞吐量和所选路径的丢包率。这就保证了AP能够确切地了解客户的体验,并且在遇到干扰时,AP可以完全控制AP传输选择最佳路径。

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之用,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。

这项新技术的最大好处是它可以自动运行,无须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一趋势的关键。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。

环境覆盖与穿越

除了无线设备之间信号本身的干扰外,无线电波传输、接受数据的能力,以及传输速度也会受到周围环境中各种物体的影响。这种来自建筑物的干扰源,通常被称为路径干扰。

无线环境勘查是测量和避免路径干扰的关键技术。

路径干扰主要有反射、折射、衍射和散射这四类。5GHz的RF在遇到金属物体、镜子和其他厚密的物体时就非常容易反射,从而造成干扰。合适地放置AP需要大量的工程经验和直觉。装饰物造成的散射,窗户引起的折射和金属柜子造成的衍射都在一定程度上加重了干扰。在工程中用测试AP临时布放可以发现许多干扰造成的问题。墙、家具、树木,以及行驰的汽车都是普通的视线干扰源。这些干扰源将无线信号吸收,从而造成通信阻断。在点对点长距离的无线环境中,视线干扰是非常严重的问题。

“无线信号是直线传播的,每遇到一个障碍物,无线信号就会被削弱一部分,尤其是浇注的钢筋混凝土墙体。”安恒公司总经理王志军告诉记者,“实验表明,在10米的距离范围内,无线信号穿过两堵砖墙后仍然可以达到标称的最高传输速率,但再穿过一层楼板后,传输速率将只有标称速率的一半了。可见,钢筋混凝土墙体会极大地削弱无线信号。另外的其他一些建筑物材质,也是无线信号的或大或小的杀手。前文中列出了一些建筑物材质对无线电波的衰减程度。”思科公司在自己的白皮书中强调,在WLAN 工程中,需要通过现场勘查的方式了解建筑物和周围各种物质的材质,从而来确定WLAN设备的安装位置。例如将AP置于相对较高的位置,可以有效地消除AP与无线终端之间的固定的或移动的遮挡物,从而能够保证WLAN的覆盖范围,保障WLAN的畅通。

美国福禄克网络中国区总经理刘强介绍说,减少无线干扰问题可以从几个步骤着手:首先,分析WLAN射频干扰的可能性。其次,移除WLAN射频干扰的来源。第三,调整AP的频谱波段。最后,采用802.11a标准。802.11a采用5GHz频谱,在短中期内,这段频谱的干扰将远较802.11b所采用的2.4GHz小。

环境勘查的下一步就是确定覆盖范围,由此确定需要部署AP的个数。无线信号的重叠是非常重要的,它保证漫游的顺利实现。刘强解释说,WLAN的应用场合主要是在大楼内或大楼间,因此,建筑物的体积、布局、建材,以及办公环境内各式各样的干扰源都是影响信号传输质量的因素。同样的一套WLAN设备在一个地方信号有效传输距离可能是100多米,换个地方可能连50米都不到。所以,在确定AP位置时,设备的标称值只能作为一个大致的参考,精确的位置必须要通过场地信号强度测试仪和比较试验来定。
波束成形 一试就灵

在无线的抗干扰技术中,波束成形技术是非常重要的技术亮点之一,它的原理就像是把散射的光线集成起来形成一条更加强大的“激光束”一样。波束成形可以使得无线局域网接入点(AP)更加“集中精力”,从而使得其可以被Wi-Fi客户端更好地接收,从而改善客户端的信号效果,提供更好更加连贯的吞吐量,同时避免不必要的干扰。

目前业界主要有两种主要的波束成形方式,一种是以思科推出的“ClientLink”为核心的芯片级波束成形。它的优势是可以提高新部署的802.11n设备的性能,并延长现有802.11b/g设备的使用寿命。该技术通过使用波束成形技术,提高现有802.11a/g设备的吞吐量,增加无线信道的总体容量,并减少原有设备的无线覆盖盲点,改善客户端设备的Wi-Fi接收环境,提高信号强度。另一种是基于天线的波束成形技术,是由Ruckus公司提出的一种基于智能天线阵列的动态波束成形方式,因此这种波束成形也可以直接称为智能天线技术,这种方式要求波束仅存在于AP的一侧。天线固件不断搜集有关客户端环境的信息,通过调整传播状况使得AP可以保持最理想的状态,这样做可以保持成千上万的连接路径供某一客户端动态选择,并提供给特定客户最佳路径。所谓最佳路径在技术层面上是指,通信设备发射出振幅信号,或者存在于相位。根据天线波束成形的不同过程,实现智能天线的方式又分为两类:组件空间处理方式与波束空间处理方式。其中采用波束空间处理方式可以从多波束中选择信号最强的几个波束,以取得符合质量要求的信号,在满足阵列接收效果的前提下减少运算量和降低系统复杂度。

802.11n正在拉动无线技术在企业组网中的比例,正如我们开始所说,无线是在“空气”中传播的,就免不了受到各种各样的干扰,波束成形技术也许不能完全解决干扰的存在,但技术的进步始终会支持我们跟上应用提升的脚步,这一点毋庸置疑。

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网友最新评论 (1)

  1. 谢谢分享

    辉远净水机2010-11-22 15:40 回复