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无线:干扰免疫力报告
网界网
张彤
摘要: 新型wi-fi技术结合了动态波束形成技术和小型智能天线阵列(即所谓的"智能wi-fi"),可以实现最接近于理想状态的无线传输。
Abstract:
Key words :

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。
因此,未来,抗干扰必将成为无线网络的一个根本基础性能。
从802.11b到802.11n
无线语音、无线视频、无线汽车、无线家庭、无线校园、无线医疗、无线城市、无线定位,Wi-Fi已从随时、随地的接入,转变成更多丰富的应用。随着3G时代无线数据应用于移动通信的整合,以及无线和移动智能终端设备的层出不穷,尤其是在802.11n产品技术应用逐渐成为市场主流的前提下,基于Wi-Fi技术的无线网络不但在带宽、覆盖范围等技术上均取得了极大提升,同时在应用上,也实现了突破。

据国家有关部门的数据显示,中国移动在2009年底进行的大规模WLAN采购已经使其在2010年底之前能够完成超过11万个Wi-Fi热点的部署规模,预计到2010年年底,中国将会部署大约28.5万个Wi-Fi热点。同时,由于用户的需求,预计2010年中国Wi-Fi手机的总出货量会超过2800万台。在2010-2015年期间,基于Wi-Fi的移动电视流量也将增加25倍,并促使移动电视产业在2015年前达到近70亿美元的预期收入。此外,Strategy Analytics互联家庭终端研究服务最新研究报告显示,到2014年全球市场支持wi-fi功能的消费电子终端市场存量将超过26亿部,而同年市场零售额规模将超过2500亿美元。而ABI公司的数据显示,2009年无线医疗市场普及率增长60%,2010年预计将增长70%,而2010年Wi-Fi芯片出货量将达7.7亿单位。越来越多的统计结果,力图将一个趋势清晰地显示出来——今天的无线,更快,更强大且更具有可扩展性,因此必将成为企业网络建设和人们在网络应用中的重要组成部分。
随着802.11n正式标准的颁布,以及各厂商纷纷调低802.11n无线产品价格,目前,802.11n已逐渐取代802.11a/b/g设备成为市场主流。在ABI近日发布的最新研究报告,目前几乎所有笔记本电脑、上网本、移动互联网设备(MID)与智能手机都开始内建Wi-Fi芯片,由于802.11n的功能强大,加上芯片价格也一路下滑,2010年802.11n出货量已超越802.11g成为市场主流。
射频干扰是罪魁祸首
但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,更让网管人员崩溃的事了。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。WLAN网络使用的2.4GHz频段在我国是公共频段,其中对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的干扰源其实来自于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,但这个观点实际是不对的。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规定不得超过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AP的覆盖范围。”
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它信号,无论该信号是否是WiFi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WiFi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的用户带来普遍的影响。
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的多出多入技术,无线传输流量出现问题的机率也翻了几倍。
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2.4G和5G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2.4G频谱信号(包括802.11信号,无绳电话,zigbee,无线广播,蓝牙和其它2.4G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的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,但如果他们不切实解决干扰问题,就没有什么实际意义。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。虽然这些方法有他们各自的专长,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,这些系统除了与干扰做斗争以外没有其它办法。它们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相反的结果。“数据包在空中停留的时间更长。这就意味着需要花更长的时间接收这些数据包,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。这样做可以减少共享一台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。
图:针对802.11工作在5GHz频段的可用信道
“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为防止同信道干扰而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地设计,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。
“天线阵列”大有文章
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,还会有一些其它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。由于反映了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。
图:SINR是决定wi-fi系统性能的重要指标
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。但问题是传统的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需变换信道。
波速成型给无线强身健体
新型wi-fi技术结合了动态波束形成技术和小型智能天线阵列(即所谓的"智能wi-fi"),可以实现最接近于理想状态的无线传输。
波束形成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。动态波束形成技术专注于wi-fi信号,干扰出现时会自动"引导"他们绕过周围的干扰。
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在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。
基于天线的波束形成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。
图:采用动态波束形成技术自动回避干扰
翻译:通过主动避免干扰,可获得额外的信号增益,达-17dB;集成了智能天线阵列的AP;动态优化的天线模式;通过波束成型,信号可增强至10dBi。
这项新技术的最大好处是它可以自动运行,无需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。
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