無線局域網(wǎng)室內(nèi)信干擾因素分析

1、無線局域網(wǎng)室內(nèi)信號(hào)干擾因素分析引言目前，無線局域網(wǎng)的規(guī)模在我國正逐漸擴(kuò)大，如：我國臺(tái)灣省的臺(tái)北市無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的無線接入點(diǎn)數(shù)目已達(dá)4200個(gè)，覆蓋面積133km2,覆蓋了臺(tái)北市90%以上的區(qū)域；我國大陸，無線局域網(wǎng)建設(shè)也在快速發(fā)展。但是，在無線局域網(wǎng)的使用中，由于無線局域網(wǎng)發(fā)射天線和接收天線之間信號(hào)傳送經(jīng)過室外和室內(nèi)各種遮蓋物時(shí)，居民區(qū)之間的無線局域網(wǎng)信號(hào)相互干擾，室內(nèi)路徑損耗，接收機(jī)系統(tǒng)的熱噪聲和級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲干擾，同頻干擾等引起信號(hào)下降。無線局域網(wǎng)工作頻段是2.4GHz和5.8GHz,這些無線信道為共享信道，頻率資源非常有限。隨著工作頻率及數(shù)據(jù)傳輸率的提高，無線信號(hào)傳播的強(qiáng)度也會(huì)降低。因此，如

2、果不考慮無線局域網(wǎng)的各種干擾，傳輸速率也會(huì)隨著距離的增加而降低。當(dāng)移動(dòng)端遠(yuǎn)離AP節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成通信質(zhì)量差甚至無法連接。因此，有必要對(duì)各種干擾和信息損耗進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)措施，從而使無線局域網(wǎng)信號(hào)最優(yōu)化。1 干擾因素分析1.1 路徑損耗隨著無線局域網(wǎng)的逐步普及，商店、辦公室、家庭、學(xué)校、賓館等室內(nèi)使用無線電腦的用戶越來越多。在建筑物內(nèi)，建筑材料類型、建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)和窗戶類型等不同，都會(huì)影響樓層間的射頻衰減。測(cè)量表明，樓層間的損耗并不隨分隔距離的增加成分貝數(shù)線性增加，而是當(dāng)樓層數(shù)量增加時(shí)，整個(gè)路徑損耗以較小的比率增加。一個(gè)室內(nèi)同時(shí)考慮樓層和墻壁的較為準(zhǔn)確的路徑損耗模型為：式中：LP為功率損耗系數(shù)；

3、指1m距離處的自由空間路徑損耗；r表示接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離；r0是參考距離，假設(shè)為lm；n是路徑損耗指數(shù)；Wi是墻體的衰減系數(shù)；Fj是樓板的衰減系數(shù)；Nw和NF分別是室內(nèi)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的墻壁和樓板的數(shù)目。無線局域網(wǎng)常用的是IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，工作頻帶常為5.8GHz，提供的速率范圍為54Mb/s。對(duì)于頻帶為5.8GHz室內(nèi)傳播，國際電信聯(lián)盟推薦的傳播模型為：式中：P0是發(fā)射功率。路徑損耗指數(shù)n的值要根據(jù)具體條件選取，當(dāng)接收天線和發(fā)射天線相距較近時(shí)取值較小,較遠(yuǎn)時(shí)取值較大，一般無線局域網(wǎng)n取3.1。無線信號(hào)傳播時(shí)室內(nèi)與室外差別較大。室外空曠，信號(hào)傳播時(shí)較少遇到障礙物

4、；室內(nèi)則不同，室內(nèi)信號(hào)的傳播不僅受到建筑物的布局和所使用的建筑材料等因素的影響，還和室內(nèi)門與門之間是否打開，收發(fā)機(jī)之間是否有人走動(dòng)，天線如何安裝和安裝的位置等有密切關(guān)系。1.2 接收機(jī)系統(tǒng)干擾1.2.1熱噪聲熱噪聲存在于任何在絕對(duì)零度以上工作的電路或系統(tǒng)中，這種噪聲可以看成是無數(shù)獨(dú)立的微小電流脈沖的疊加。根據(jù)概率論的極限定理，它們服從高斯正態(tài)分布。對(duì)于負(fù)載電阻為RL,其熱噪聲電流的雙邊譜密度由式（3）給出：式中：k=1.3806505×10-23J/K,為玻耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。進(jìn)一步可得熱噪聲電流的均方差為：式中：B為接收機(jī)的電帶寬。式(4)表明，熱噪聲均方差與負(fù)載

5、電阻RL成反比，在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，常采用高阻抗前端。熱噪聲均方差與接收機(jī)的電帶寬成正比，為降低熱噪聲，要限制接收機(jī)的帶寬。1.2.2 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲無線局域網(wǎng)接收機(jī)一般由天線、放大器、濾波器和混合器等部件組成?？傁到y(tǒng)的噪聲是這些部件的所有噪聲以某種方式共同作用的結(jié)果。假設(shè)每個(gè)部件的噪聲系數(shù)為F，增益為G，內(nèi)在噪聲源的譜密度為(F-l)kTO。如果S(f)是部件的輸入，則電路的輸出為：其輸出既有信號(hào)分量又有噪聲分量。若有2個(gè)這樣的部件系統(tǒng)，其噪聲系數(shù)分別為F1和F2,增益分別為G1和G2,輸入的假設(shè)噪聲為N0。這時(shí)第一級(jí)(第一個(gè)部件)輸出和第二級(jí)(第二個(gè)部件)輸入是F1G1NO,第二級(jí)輸出為G2(

6、F2-1)N0+F1G1N0，則總噪聲系數(shù)為：以此類推，可得多級(jí)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為：1.3藍(lán)牙無線干擾如果2種無線模塊在同一系統(tǒng)或同一地點(diǎn)時(shí)，如：藍(lán)牙無線和無線局域網(wǎng)共存時(shí)，干擾信號(hào)較強(qiáng)，甚至?xí)霈F(xiàn)丟失連接的情況。藍(lán)牙無線(bluetooth)采用跳頻擴(kuò)頻(frequencyhoppingspreadspectrum),發(fā)射功率為1mW,數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s，傳輸距離為10m。藍(lán)牙無線和2.4GHz的無線局域網(wǎng)工作于同一個(gè)ISM(industrialscientificmedical)頻段，存在兩者相互干擾的問題。無線局域網(wǎng)采用的是直接序列擴(kuò)頻(directsequencespreadspe

7、ctrum)技術(shù)。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)在2.4GHz以上的83.5MHz帶寬中規(guī)定了可用信道，每信道帶寬5MHz,通常只用3個(gè)互不重疊的信道。無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)11Mb/s以上，一般室內(nèi)可傳輸距離為100m4。當(dāng)無線局域網(wǎng)工作在11Mb/s的速率以下時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)包需要約1ms時(shí)間在空中傳播，采用單時(shí)隙的藍(lán)牙連接每個(gè)數(shù)據(jù)包占625s。所以在一次無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸期間，若有2個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包傳遞，其中任何1個(gè)落在無線局域網(wǎng)占據(jù)的20MHz信道范圍之內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致無線局域網(wǎng)信號(hào)傳輸失敗。對(duì)藍(lán)牙無線與802.11bWLAN的相互干擾進(jìn)行實(shí)際測(cè)量5，發(fā)現(xiàn)相互干擾與距離有關(guān)。在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)兩者近距

8、離(小于2m)工作時(shí)，相互干擾較嚴(yán)重，分組錯(cuò)誤率(packeterrorrate)達(dá)99%，系統(tǒng)吞吐量幾乎為0。當(dāng)兩者的距離超過3m時(shí)，干擾明顯減少，分組錯(cuò)誤率及系統(tǒng)吞吐量基本維持正常水平。藍(lán)牙無線的典型應(yīng)用是采用藍(lán)牙鼠標(biāo)、鍵盤，在這種場(chǎng)合下用無線局域網(wǎng)的個(gè)人電腦，二者存在相互干擾問題。為了避免藍(lán)牙傳輸干擾，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況動(dòng)態(tài)選擇信道，也可以通過改變無線局域網(wǎng)每一分組長度，減少數(shù)據(jù)包傳輸期間受干擾，減少數(shù)據(jù)重傳的概率，提高干擾存在時(shí)的吞吐量。1.4同頻干擾周圍環(huán)境對(duì)無線局域網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生窄帶干擾和全波段干擾。窄帶信號(hào)在不同輸出功率、不同頻譜的頻率寬度等情形下，可能會(huì)間歇地打斷發(fā)射的信號(hào)。要避免窄

9、帶信號(hào)干擾，必須要找到原始干擾源，并移除這些干擾源，正確配置無線局域網(wǎng)設(shè)備的信道，有效地處理窄帶干擾。全波段干擾是指在任何情況下，干擾覆蓋整個(gè)使用的頻率范圍，如：老式微波爐等設(shè)備的使用。處理這種干擾較好的方法是，改變發(fā)射頻率，如：將局域網(wǎng)發(fā)射頻率從2.4GHz改為5.8GHz,或采用擴(kuò)頻技術(shù)，或移除產(chǎn)生全波段干擾的設(shè)備，這樣處理后能提供無線局域網(wǎng)較好的吞吐率和延遲特性。此外，當(dāng)無線局域網(wǎng)設(shè)備發(fā)射信號(hào)時(shí)，還可能受到室內(nèi)正在使用的同類設(shè)備鄰近信道或相同信道的干擾，以及相鄰小區(qū)間相鄰頻道的干擾。實(shí)踐表明，使用非干擾頻段時(shí)2個(gè)AP信號(hào)的吞吐量是使用有干擾頻段吞吐量的2倍。2 抗干擾措施系統(tǒng)增益G,信號(hào)所占用的頻帶寬度W和信息本身實(shí)際所需的最小帶寬Bmin的關(guān)系是：信息容量的香農(nóng)（Shannon）公式為：式中：C為信道容量；PSPN為信噪比。式（9）表明，在給定信道容量C即傳輸速率不變的條件下，頻帶寬度W和信噪比PSPN可以互換，即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下傳輸信息，這表明寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性。用信息帶寬的100倍，甚至100