引言
随着C+W（CDMA加WLAN）天翼3G业务的推广，作为CDMAEV-DO（evolution data only）无线接入的补充和优化，高速的WiFi（wireless fidelity）无线接入应用越来越普及。但是，伴随着应用的普及和用户接入量的逐渐增多，WiFi的射频干扰现象也日益严重。WiFi的射频干扰究竟是如何形成的？作为WiFi的无线优化，又有什么手段可以有效解决这个问题？本文从WiFi的IEEE802.11协议的空口分析着手，对这两个问题进行了分析。
1、WiFi射频介绍
WiFi目前使用最普及的IEEE802.11b/g协议，采用的是2.4GHz频率，从2400MHz到2497MHz共14个频点，由于每个信道的频率带宽为22MHz，所以14个频点最多只有3个是互不干扰的。目前，常用的3个频点为1、6、11。
在无线宽带的使用过程中，影响用户感知最常见的现象是网速慢、网络时延大和掉线。造成这种现象的原因，除信号覆盖不佳和设备负荷过重外，最常见因素，就是射频干扰。但WiFi的射频干扰除常见的对射频物理层上的破坏干扰外，当大量终端共享一个相同的空口信道进行持续性较大流量传输时，会加大信道中数据帧冲突的概率，增多数据帧的重发频率，导致单数据帧的传输时间变长，最终降低空口信道的传输效率。当空口负荷增大到一定程度时，就会出现影响用户感知的网速慢、丢包，甚至掉线等现象。
2、WiFi射频应用原理
WiFi的空口信道是一个TDD（时分双工）的时分系统。一个基本数据帧操作是由多个帧结构组成，帧之间以“帧间间隔”加以区分。访问802.11媒介时，通常以分布式帧间间隔（DIFS）为起点，开始整个帧交换序列，之后的帧则以短帧间间隔（SIFS）加以区分。一个基本的数据帧传送流程见图1。而当station1在某一个时隙中传输数据时，station2发起监听信道的请求。这时，由于信道被使用，于是station2只能退避一个随机的时隙后，再次监听信道传递数据。而在信道利用频繁的时候，多个station监听信道空闲后，同时发送数据，继而在该时隙上出现碰撞，导致数据传递不成功，无ACK（确认帧）返回，于是再次重传，网络时延变大。通常对于长帧的重传设置规定为7次，即此数据帧当退避重传7次仍无ACK响应后，则丢弃此数据帧，这时，对于网络应用而言，出现丢包现象。
图1、一个基本的数据帧传送流程
根据WiFi的802.11协议物理层的规定，可以通过空口协议速率的大小来体现空口信道质量的变化。其原理为数据报文初始以编码效率最高的54Mb/s协议速率在空中信道发起传输，当由于信号强度、距离、干扰等因素，造成在数据的传输中出现较大的时延和误码时，为了能有效应对时延和误码，802.11协议规定采用不同的编码方式〔从64QAM（正交幅度调制）到DBPSK（差分相干二进制相移键控）〕，来提高数据报文在空口中抗误码和时延的能力。但伴随着抗误码能力的提升的，是编码效率的降低，其表征即为空口协议速率的变小。
下面，我们从802.11物理层协议原理的分析来解释这种现象。
在802.11协议中，实现高速的无线接入能力源于其所采用的多载波调制技术OFDM（正交频分复用调制）。在802.11g中，通过52个子载波频道的正交频分复用，实现高效的频带利用率。OFDM采用n-QAM，n表示各种调制映射到星座图上的模数。由于星座图上的点位需精确定位，所以，模数越低，对信号传输条件的要求越低，也就更能适应恶劣的空口传输环境。但这种通过调整编码方式，提高抗干扰能力的同时，每符号bit数越低，传输速率也逐级下降，见表1。以采用64QAM调制方式的54Mb/s为例，64QAM的码率为6b/s。由于OFDM提供52个子载波频道中有48个用于数据传送，故实现了每符号有216bit的码率。但当网络质量下降或退避次数过多时，空口会由于用户数据阻塞、退避、丢失等原因使得无线网卡主动采用模数低甚至抗干扰能力更强的BPSK（二进制移相键控）调制方式，以保证同无线设备间空口的传输质量，而在终端显示上，则以传输速率的降低表现出来。
表1、编码方式与传输速率
以传送一个1500byte的单一数据帧为例做简单计算。在交换一个数据帧前，station需监听信道一段时间（一个DIFS）。如果信道空闲，就传送数据；如果信道繁忙，则继续监听，直到信道空闲并且持续了一个DIFS的时间后，才可以传递相关数据帧，之后等候ACK。ACK会经过一个SIFS的时间后反馈。DIFS需耗时50μs，SIFS需耗时10μs。因此，帧间间隔共用掉60μs。在数据帧中，802.11的preamble和signal字段需耗时20μs。1500byte的数据封装在MAC（媒体访问控制）帧中，加上SNAP（子网络访问协议）标头，总长度为1536byte，再加上CCMP（计数器模式及密码区块链信息认证码协议）的保护帧的16byte，一个物理层帧的有效载荷总长度为1552byte，即12416bit。当以54Mb/s空口协议速率来传送时，物理层帧的有效载荷会以每个符号216bit的方式进行分割，因此传递本帧会用到12416/216=58个符号。每个符号耗时为216/（54Mb/s）＝4μs，所以传递此数据帧共耗时58×4μs＝232μs。ACK帧的长度为14byte，因此只需要1个54Mb/s的符号即可传送完毕。所以ACK时间加标头时间为4μs＋20μs＝24μs。因此，长度为1500byte的有效负荷需要用60μs的帧间间隔，232μs的传送时间以及24μs的确认时间，总共时间是316μs。而如果以DBPSK编码方式，1Mb/s协议速率的话，则一个数据帧的交互，需要12516μs。两者相比，1Mb/s的一个数据帧长度相当于40次54Mb/s数据帧长度，可见其数据的传输效率是非常低的。
3、WiFi射频干扰情况介绍
目前，在WiFi的业务应用过程中，造成影响无线业务使用的干扰因素很多，其中常见的主要为蓝牙及微波炉射频信号造成的空口宽频干扰（其测试截图见图2）和因为空口拥塞及大量低速数据造成的射频干扰。空口出现显著射频干扰时对业务的影响现象的测试截图见图3。
图2、蓝牙及微波炉射频信号造成的空口宽频干扰
图3、空口出现显著射频干扰时对业务的影响
在图3中，正常的吞吐量是一个较为平稳过程，在这种情况下，用户普遍可以保证以较为稳定的方式高速接入无线网。但在出现干扰时，吞吐量出现显著的变化，抖动非常明显，无线接入环境变得不再稳定，随后的吞吐量趋于零值，这种情况下，网速就同比变慢，Ping包时延大、丢包，最后出现掉线现象。
蓝牙这种宽频的射频干扰可以从图2中容易得出结论，即整个空口信道都被蓝牙发送的数据所聚集，且能量不断增大，导致正常WiFi信号在相应频点上的数据报文受到破坏，被淹没在干扰噪声中，无法实现正常的网络握手通信。但由于蓝牙受发射功率限制，对WiFi信号传输的影响面不大，可以通过变更使用位置的方式予以规避。
那常见的影响WiFi业务使用的射频干扰又是究竟是如何产生的？因为WiFi是一个TDD的时分系统，每个用户的数据帧的传送会占用一个时隙。当空口信道中均为低效率编码的数据传输，每个数据帧占用的时隙较大，每秒钟传输的数据量就少，而且由于每秒钟仅能传输有限的数据帧，如果接入用户较多，发起的数据请求频繁的场景下，会有一定数量的用户在单位时间内无法实现数据的传输，由于网络反馈数据时间过长，在终端上就出现较大的时延，最终丢包和掉线。
关于造成WiFi射频干扰的低效率编码的数据传输，从截图4可以对比看出。图4中在理想状态下，用户终端普遍以54Mb/s的协议速率进行传输（这里的1Mb/s为广播的beacon帧，协议规定以1Mb/s传输），吞吐量在21Mb/s左右。而由于低速信号的出现（大量1Mb/s的数据帧），空口信道的数据帧的低速协议速率占比逐渐增大，最后整个空口信道都以1Mb/s速率传输数据。而此时空口的吞吐量则陡降到几十kb/s。如果仔细分析一下出现干扰时空口协议速率的变化过程，就可以了解到整个空口是如何被恶化的。首先，开始时都是绿色的54Mb/s协议速率，每一个数据帧都是以小时隙实现高效传输，空口带宽也保证在20MHz左右。之后，网络中开始出现红色的1Mb/s速率报文，空口信道中也出现了大时隙的数据帧（1Mb/s的数据帧长度是54Mb/s数据帧的40倍）从而占用了较多的空口信道资源。这时，由于1Mb/s的数据帧占用了较大的时隙，导致本该由54Mb/s的数据帧发送数据的时隙被占用，继而出现碰撞。对于station而言，认为空口信道出现恶化，于是逐级采用有较强抗干扰能力的编码方式，而这种方式，每数据帧的时隙也逐渐增大。随着每个帧的长度增加，又进一步加剧空口信道上的竞争；当竞争加剧到一定程度，又迫使所有终端采用抗误码能力更强的编码方式来保证数据传输的质量，从而就像多米诺骨牌一样，进入恶性循环，最终整个空口都采用1Mb/s的协议速率传输。因此，WiFi在空口上，实际上就是一套自干扰的系统。
图4、不同情况下的信道占用情况
通过上面的分析，可以明确，在WiFi系统中，由于同频点无线设备共享同一空口信道，所以如果在同频的情况下，只要有一个AP（接入点）下的终端出现了大时隙的数据包密集传输，就会将这个空口信道中所有信号可见的AP及其下接用户产生非常明显的影响。
4、射频干扰的解决措施
通过对802.11空口的分析及实验室试验，我们明确了射频干扰源于同频和邻频同信道中，低速率大时隙的数据帧报文大大占用了有限的空口资源。当出现低速报文的持续接入一个负荷较重的空口信道时，整个空口信道就会以多米诺骨牌的形式，将所有的空口信道都拖入低速率大时隙的数据传输状态，将信道传输效率限制到最低，致使出现网速慢、丢包、掉线的现象。根据造成干扰的原因，提出以下4项优化的解决措施。
4.1、变更频点
通过变更频点的方式，将数据的传输转移到负荷较低的空口信道上。这种方式是最简单有效的规避干扰的手段。但受频点资源的限制，在无线密集接入使用的场景下，会影响应用的效果。
4.2、接入速率限制
通过分析，明确了空口低速信号的持续性数据接入，将会影响空口信道的利用质量。因此，可以在AP上限制用户的协议速率，即禁止1、2、5.5、6、9、24Mb/s的接入协议速率，这样，可以在设备上避免低速信号的接入，规避空口干扰。
4.3、优化射频算法
由于WiFi是一个公开的频点，限制接入速率可以规避接入本设备的低速信号。但是，如果在此空口上还有其他无线设备出现的低速信号干扰，则难以避免。所以，优化空口算法，提高AP的抗干扰能力，是一个非常有效的手段。射频干扰的原因源于空口信道中出现了占用大时隙的DBPSK数据报文，占用了下一个在64QAM方式传输的数据时隙，最终导致64QAM的不停退避，继而降速。但是，DBPSK下的数据帧间的传输也是有间隙的。所以优化射频算法的思路就是增大station的监听信道帧的频率，以见缝插针的方式，插入DBPSK数据帧与数据帧之间的间隙，从而保证64QAM的数据成功概率，继而不使其降速，成功回避自干扰现象的出现。
4.4、采用802.11a的高频实现双频接入
由于2.4GHz互不干扰的频点只有3个，空口干扰不可避免。所以，在优化射频算法的同时，可通过802.11a的5.8GHz频段进行优化补充。2.4GHz和5.8GHz双频覆盖，5.8GHz的分流，使支持802.11a网卡的终端转移到干扰小、空口信道负荷低的高频信道上；也可通过对2.4GHz信道的分流，使得在2.4GHz上的终端数减少。伴随着终端数的减少，终端间干扰也被有效降低，又缓和了2.4GHz信道上的压力，保证了2.4GHz信道上用户的有效应用。所以，在高密度的网络接入环境中，已开始使用双频覆盖的模式。通过双频模式解决同频干扰，优化效果非常显著。
5、结论
作为C+W业务的一个重要组成部分，WiFi将会在未来无线接入应用的推广中，承受越来越大的压力，空口干扰是无法避免的。所以，希望能通过对WiFi射频干扰的分析，为WiFi的网络优化工作提供一些借鉴和参考。通过技术手段，可以尽最大可能保障WiFi的无线接入性能，有效实现WiFi为EV-DO分流的作用，构建完美的C+W天翼3G无线数据通信网络。
作者：王镭、陈鹏、徐民，中国电信股份有限公司南京分公司无线维护中心
