马向辰，薛 强

（中国移动通信集团设计院有限公司 北京100080）

1 概述

随着WLAN 终端及业务应用的普及，各大运营商均加大了WLAN的建设规模，并将其作为蜂窝网络在承载无线数据方面的重要补充。由于WLAN 在使用频率、资源分配方式等方面与蜂窝网络差异很大，WLAN 大规模组网后，WLAN的频率规划和干扰问题变得尤为突出，影响了WLAN的接入质量和用户体验。

在目前的网络规划和优化过程中，只是按照一些简单的基本原则（如在2.4 GHz频段上使用1、6、11这3个不重叠的频点）进行设计和优化，对WLAN 系统的干扰进行规避。在WLAN 大规模组网时，由于AP 部署密度较大、可以使用的频点少，实际应用效果往往不是十分理想，有必要从大规模网络工程建设和优化角度，在频率干扰规划、设备自动设置、底层参数调整等多方面研究干扰规避措施及方案。

2 WLAN的工作机制与使用频段

WLAN 基于IT 局域网方式的非电信网络设计，在工作机制、资源分配方式、频率使用等方面与蜂窝网差异很大。

2.1 WLAN的工作机制

WLAN 与GSM的时分多址复用方式和TD的时分/码分多址复用方式不同，WLAN 系统采用CSMA/CA（载波监听/冲突避免）机制，用户间采用抢占方式占用资源，WLAN 分布式帧间隔（DCF）工作机制如图1 所示。

（1）干扰评估

WLAN 设备在发送数据前，通过信号能量检测与特征检测相结合判断信道是否被占用，如果信道被占用，则要等到信道空闲后再发送数据。根据标准规定：

如帧测到为WLAN 信号，判决门限-82 dBm；

如未检测出WLAN 信号，判决门限-62 dBm。

从CSMA/CA 机制可以看出，WLAN的终端与AP（access point，访问接入点）是对等的，某一时刻只有一个终端或AP 在发送数据。同时，WLAN 缺乏根据网络资源与终端业务的带宽需求，进行接入控制的机制。

（2）随机退避

多个设备同时传输造成空口碰撞时，接收端无法正常解析报文，发送端要进行重传，发送端重传退避使空闲等待时间延长，降低信道占用率。为避免多个节点在发现信道空闲后，同时发送数据而造成冲突，802.11 采用了二进制随机退避算法来实现退避。

回退值（back off time） 与竞争窗口（contention w indow）设置相关，回退值会在[0，CW-1]选择一个随机数，并乘以Slot time（9 us）。CW 为CWmax与CWmin之间的一个数值，CWmax与CWmin可用公式CWmax=CWmin×2n-1表示，其中，CWmax取值最大不超过1 024，CWmin最小取值为32。

从以上算法可以看出，随着接入用户数的增多，数据并发、退避几率增加，网络整体吞吐量、用户接入速率会显着下降。

2.2 WLAN的使用频段

WLAN 主要使用2.4 GHz 和5 GHz 两段非专用授权频段，在此频段，各运营商、企业和个人WLAN设备以及其他通信设备（蓝牙、对讲机等）共存。

（1）2.4 GHz频段

在我国，2.4 GHz 工作频段范围为2.4000～2.4835 GHz，划分为13个子信道，每个子信道带宽为22 MHz。其中，互不干扰的频率只有3个，常用的是1、6、11 这3个频点。2.4 GHz频段信道分配如图2 所示。

（2）5 GHz频段

世界各国5 GHz的工作频率不完全一致，各国常用频段包括5 150～5 350 MHz、5 350～5 725 MHz、5 725～5 850 MHz，我国采用5 725～5 850 MHz 频段，共5个信道，每个信道带宽为20 MHz。5.8 GHz频段信道分配如图3 所示。

图1 WLAN 分布式帧间隔（DCF）工作机制

图2 2.4 GHz频段信道分配

图3 5.8 GHz频段信道分配

3 WLAN 系统频率干扰

3.1 WLAN 系统同频干扰

WLAN 系统同频干扰是指2个工作在相同频率上的WLAN 设备之间的相互干扰，包括AP 与AP 之间干扰、AP 与STA 之间干扰以及STA 与STA 之间干扰。

由于WLAN 工作在开放频段，各运营商、企业、个人均可以搭建和使用WLAN，所以，同频干扰可能来自于同一运营商、不同运营商、企业和个人。

CSMA/CA 机制使整个WLAN 信道带宽为所有用户共享，只有当信道空闲时，才允许用户发送信息。因此，当多AP 处于同频冲突区域且AP 间信号彼此可达时，由于CSMA/CA 机制某一时刻只能有一个AP在接收或发送，所以，多个AP的总吞吐量不能多于一个AP的吞吐量。从另一个角度讲，当同一个区域内出现同频AP，则平均每个AP的容量就会降低。

另外，WLAN 系统通过底层持续地监听空口信号并判定信道是否被占用，此过程出现的误判也会造成干扰，这类干扰的结果主要是形成隐藏节点和暴露节点。

3.2 WLAN 系统邻频干扰

WLAN 系统邻频干扰是指2个工作在相邻信道上的WLAN 设备之间的相互干扰，一般主要是指2.4 GHz频段信道间隔小于5的信道之间的干扰和5.8 GHz 两个相邻信道之间的干扰。在2.4 GHz频段，信道间隔小于5 时，信道之间有重叠，会产生比较明显的干扰。

3.3 WLAN 工作频段其他无线系统干扰

WLAN 系统工作在ISM 频段，同时，还有许多非WLAN 设备也工作在该频段，如微波炉、无绳电话、蓝牙设备、脉冲雷达（5 GHz）等，这些设备工作时，也会与WLAN 系统之间形成干扰。在WLAN 设计与规划时，应注意与这些系统之间的空间隔离度。

3.4 WLAN 与蜂窝网络间的干扰

WLAN 与蜂窝网络间的干扰主要是指与LTE、PHS、GSM、WCDMA、TD-SCDMA等蜂窝系统之间的杂散干扰、交调干扰和阻塞干扰，其中，带外杂散干扰通常是主要干扰。为减小和规避杂散干扰，需要各个系统之间保持一定的隔离度。

根据各系统的协议标准计算得到的杂散干扰隔离度见表1。

4 WLAN 干扰规避主要措施

4.1 合理规划频率，规避同邻频干扰

4.1.1 2.4 GHz 同邻频规划

（1）测试内容

我国2.4 GHz频段共划分为13个子信道，中心频率间隔20 m 以内的信道有重叠部分。国内外相关领域目前仅针对互不干扰的1、6、11 信道组网研究较多，对于邻频组网缺乏深入研究和明确结论，所以需对采用邻频时的网络性能进行分析测试，以更好地指导频率规划工作。

（2）测试结果

2.4 GHz 同邻频组网测试结果如图4 所示，从图4可以看出：在2个AP 距离较远（5 m）时，AP 信道间隔在5 以上，则2个AP 之间没有相互干扰；在2个AP 距离较近（1 m）时，则AP 信道间隔≥7 时才有可能避免下行干扰，上行干扰基本无法避免。2.4 GHz重叠信道（如信道1、2、3 等）存在明显干扰，且干扰随信道间隔的增大而减小、随距离的增大而减小。

表1 杂散干扰隔离度

图4 2.4GHz同邻频组网测试结果

（3）应用建议

2.4 GHz 重叠信道存在明显干扰，但1、6、11 作为真正的邻频基本没有干扰，规划时可采用1、6、11组网。

2.4 GHz 重叠信道的相互干扰随信道间隔的增大而减小、随距离的增大而减小。在实际规划中对重叠信道的应用应综合AP 之间的距离进行考虑：

· 采用信道间隔为4（即1、5、9、13）的信道组网时，在控制好距离的情况下，单AP 速率下降不多（间距5 m 时约为13%），但很多终端不支持13 信道，所以应慎用；

· 采用信道间隔为3（即1、4、7、11）的信道组网时，单AP 速率下降较多（间距5 m 时约为50%），性能下降明显，不建议使用。

4.1.2 5.8 GHz 同邻频规划

（1） 测试内容

我国5.8 GHz频段共有5个互不重叠的信道，组网时一般考虑相邻AP 不同频即可，本测试对该原则进行验证。

（2）测试结果

5.8 GHz 同邻频组网测试结果如图5 所示，从图5可以看出：在2个AP 采用邻频时，网络吞吐量随距离的增大而增大；在2个AP 距离较远（5 m）时，只要AP 不采用邻频（即信道间隔超过1），则2个AP 就没有相互干扰；在2个AP 距离较近（1 m）时，则AP 信道间隔≥3 时才有可能避免干扰。

（3）应用建议

虽然5.8 GHz 信道划分上没有重叠，但仍然存在邻频干扰。从5.8 GHz的频谱模板可以看出，5.8 GHz 各信道中心频点间隔为20 m，20 m 带宽边缘处相对于峰值虽只有10 dB的差异，仍会对邻频产生明显影响。所以，5.8 GHz 在规划时需要注意相邻AP 不采用邻频，且邻频AP 之间需通过合理的距离或功率规划规避干扰。

与2.4 GHz 类似，5.8 GHz的AP 距离过近时，即使采用非邻频也会有干扰，所以AP 距离应避免过近，否则很难规避干扰。

4.2 利用设备自动配置功能，动态选择信道和功率

4.2.1 动态信道调整

（1）工作原理

动态信道调整是指AP 自动扫描各信道占用率、信号场强等情况，并考虑整网信道分布，选择工作在质量好的信道。

通过动态信道调整，AP 应能够自动选择最合适的信道，以降低干扰、提高网络容量。

图5 5.8 GHz 同邻频组网测试结果

（2）测试结果

通过测试发现，在周边强干扰AP 较少的情况下，AP 能自动调整到空闲信道；在周边强干扰AP 较多的情况下，AP 无法调整到空闲信道，且AP 信道有时会在不同信道较为频繁地切换。

（3）应用建议

在无线环境简单的区域，动态信道调整能得到较好的效果；在无线环境复杂的区域，效果较差。目前，AP 厂家通过扫描无线信号强度选择信道，算法不科学，调整效果受到限制，建议考虑信道忙闲程度因素，进一步优化信道选择算法。

4.2.2 动态功率调整

（1）工作原理

动态功率调整是指AP 自动扫描相临AP的发射功率情况，对AP的发射功率进行调整。

通过动态功率调整，AP 应能够综合网络整体运行情况，合理设定每个AP的发射功率，使得同频AP之间有足够的空间及功率间隔，以提高网络容量。

（2）测试结果

由于设备数量和实验面积受限，在试验过程中通过参数调整，AP 发射功率调整有限，未实现2个相邻同频AP 冲突域的完全独立。

AP 能够在一定程度上调整功率，预计在AP 数量较多时，自动功率应能使部分AP 功率降低，实现一定的容量提升，如某些相距较远的同频AP 在功率调整时，可以实现冲突域的隔离。

（3）应用建议

自动功率控制很难实现相邻同频AP的覆盖域隔离，且用户功率无法控制，所以，自动功率调整实现容量提升的作用有限。WLAN 覆盖范围容易受限，部分场景下的功率缩小可能加剧这种状况，且由于存在不同运营商、企业、家庭用户的干扰，功率降低可能降低本网用户的接入性能。

建议在仅有本运营商，覆盖不会受限，容量需求较高的情况下选择该方法。

4.3 优化设备底层参数，提升竞争能力

4.3.1 隐藏节点影响

（1）工作原理

WLAN 干扰检测作为载波监听的基本机制，实际就是通过底层持续地监听空口信号并判定信道是否被占用，此过程本身的不准确即会造成干扰。这类干扰的结果主要是形成隐藏节点和暴露节点。

（2）测试结果

经测试，WLAN的AP 及终端设备均支持RTS-CTS，但其开启的门限值缺省值为2 347 Byte，由于大多数以太网帧长度小于上述值，RTS-CTS 实际上并没有发挥作用。

（3）应用建议

在运营商建设的网络中，AP的管理较容易实现，可以根据需要调整RTS-CTS 门限值，如用户密集的场所，减小RTS-CTS 开启门限值。在实际网络中，隐藏节点对上行影响更大，多数终端没有开放该参数的修改权限，用户一般也不会主动修改相关参数，所以很难得到效果，可以考虑安装具有调整RTS-CTS 参数功能的客户端软件实现对相关门限的调整。

此外，在工程部署中应合理规划AP的安装位置，如在室内时，AP 可选择靠近墙体安装，使用户分布在AP 同侧，减少隐藏节点。

4.3.2 竞争窗口优化

（1）工作原理

CW（contention window）即竞争窗口，WLAN 中每个STA 发送数据前需等待一个IFS的时间再加上一个随机长度的CW 时间。

（2）测试结果

经测试，CW 优化有助于用户在竞争资源时获得比较优势，1 台AP 下有多台终端接入时，CW 过大或过小都会降低网络吞吐量——等待时间过短，冲突概率增加。CW 优化测试结果如图6 所示。

图6 CW 优化测试结果

（3）应用建议

接入终端较少时，减少等待时间可以使网络吞吐量提升；接入终端较多时，减少等待时间反而使冲突概率增加、性能下降。考虑到网络整体性能及接入用户数量的不确定性，CW 参数应该控制在一个合理范围内。一般情况下不建议调整CW 参数。

5 结束语

根据对WLAN 系统各项干扰规避措施实际效果的测试，建议实际组网时遵循以下原则。

· 同邻频组网应避免使用邻频，避免AP 设备距离过近；

· 动态信道调整在无线环境简单时有一定效果，环境复杂时效果受限；

· 动态功率调整有一定效果，但应结合实际环境谨慎选择是否开启；

· 隐藏节点规避，RTS/CTS 机制目前较难达到效果，建议进一步推动终端对RTS/CTS的支持能力；

· 竞争窗口优化效果明显，但接入用户数相关性较大，一般情况下不建议调整CW 参数。