2.3　Wi-Fi无线网络干扰分析

无线通信系统的性能在存在干扰的环境中会受到影响，影响的大小与干扰的形式、频率和强度等诸多因素有关。Wi-Fi系统，特别是工作在2.4GHz ISM频段的IEEE 802.11b/g系统，由于会受到许多干扰源的影响，其物理层的性能将会下降。因此，如何避免干扰，减弱干扰的影响，乃至与干扰共存都是需要考虑的问题。

2.3.1　无线通信中的干扰类型

1．按干扰机理分类

干扰可以定义为影响通信的一种信号，当干扰信号进入接收机时，会影响正常的判决过程。根据其形成机理，可以分成两种类型：一种是加性干扰，另一种是乘性干扰。加性干扰可以视为类噪声的源，包括来自其他相似系统、本系统内部或者元件非线性产生的噪声（滤波器的互调信号或码间干扰）：而乘性干扰是由无线系统中信号的反射、衍射和散射而导致的多径效应产生。

（1）加性干扰

加性噪声由通信设备的有源或者无源器件产生，一般服从正态分布，且功率谱是平坦（白）的。

⑴同频干扰（Co-Channel Interference,CCI）

同频干扰是指与有用信号处在相同载波频率的干扰。

⑵邻频干扰（Adjacent Channel Interference,ACI）

邻频干扰可以分为带内干扰（In-band）和带外干扰（Out-of-band）。前者是指干扰信号的中心落入期望信号带宽之内，干扰落入期望带宽之外的则是带外干扰。具有相同功率级的邻频干扰和同频干扰同时存在时，邻频干扰通常影响较小。

⑶互调干扰（Intermodulation Interference）

在模拟信号转换和处理（如变频、放大等）的过程中，由于器件的非线性可能会产生寄生信号，从而在相邻信道上产生干扰。当非线性器件被许多载波同时使用时，就会产生互调产物，从而导致信号的失真。

⑷码间干扰（Inter-Symbol Interference,ISI）

码间干扰是数字通信系统中除噪声之外最重要的干扰。造成ISI的原因有很多，信道的衰减和群时延失真都可能导致信号波形失真，产生ISI。实际上，只要传输通道的频带是有限的，就会不可避免地造成一定的ISI。以一定速度传输的波形序列受到非理想信道的影响表现为各码元波形持续时间拖长，从而使相邻码元波形产生重叠，造成判决错误。而当线性失真严重时，ISI就会比较严重。为了消除码间干扰，通常有两条途径：第一，传输系统具有均匀且无穷宽的频带，这样传输信号将不产生任何失真，但实际上是不可能的；第二，只保证信号在取样时刻无码间干扰，而对非取样点的取样值不做要求。

⑸远近效应（Near-Far Effect,NFE）

远近效应发生在蜂窝移动通信系统中。移动台的位置在基站的服务区内随机分布。假设存在两个移动台，其中一个距离基站较远，另一个距离基站较近，如果两个移动台的发射机同时以相同功率和相同频率发射，远端弱信号就会被近端强信号湮没。由于距离不同而造成的路径损耗称为远近干扰，表示为多条路径的路径损耗之比。

（2）乘性干扰

乘性干扰是由无线系统中信号的反射、衍射和散射而导致的多径效应产生。

⑴第一类多径干扰

由快速移动用户附近的物体反射而形成的干扰。其特点是在信号频域上产生多普勒（Doppler）扩散而引起的时间选择性衰落。

⑵第二类多径干扰

由远处山丘或者高大建筑物反射而形成的干扰。其特点就是信号在时域上产生扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落。

⑶第三类多径干扰

由基站附近的建筑物和其他物体反射而形成的干扰信号，其特点是严重影响到达无线信号入射角的分布，从而引起空间选择性衰落。

2．按干扰来源分类

（1）系统外干扰

系统外干扰是指来自其他系统的干扰。例如ISM频段存在大量无线设备，每个系统都可能承受来自其他系统的干扰。

（2）系统内干扰

系统内干扰是无线通信中的另一类主要干扰，其产生原因是在同一无线通信系统内，由于多个用户要求同时通信，而又不能完全隔离彼此信号而引起的干扰。

3．提高通信可靠性的手段

无线通信的主要特征就是误码率高（可靠性低）和带宽受限（传输容量受限），这就需要采取一系列措施来检测和纠正无线传输过程中的错误，从而提高通信可靠性。这些措施包括编码技术、调制技术、多址技术、实时处理技术，信号检测技术（如信道估计、RAKE接收、多用户检测等），还可结合空域的智能天线、空时编码等技术，其具体手段如表2-3所示。

　　表2-3　　　　　提高通信可靠性的手段

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2.3.2　2.4GHz ISM频段干扰

2.4GHz ISM频段是目前唯一的在世界范围内通用和开放的频段，该频段也因此存在许多来自各种不同系统的干扰信号，例如射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）、WLAN和WPAN（Wireless Personal Area Network，无线个人局域网）（包括Bluetooth、Zigbee、WiMedia和HomeRF等）。部分ISM频段无线通信设备如表2-4所示。

　　表2-4　　　　　　ISM频段无线设备

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此外，ISM频段还存在微波炉、无绳电话等设备，因此各设备之间存在干扰，干扰的大小与干扰的形式、频率和强度等诸多因素有关。由于各种无线技术的机制不同，相互之间的干扰有不同的特性。有的干扰是无规则的，或者规则难以预料的，如微波炉的干扰、人为主动干扰等；有的干扰是非协作系统之间的干扰，如FCC15.247标准规定的无绳电话、蓝牙和HomeRF等。下面分别对其干扰原理进行介绍。

（1）微波炉干扰

微波炉辐射基频为（2.45±0.05）GHz，其射频输出的功率范围为500～700W，在宽频带内产生的辐射会对周围的电子通信设备产生影响。其原理主要是脉冲扩展，它靠磁控管发射电波，发射的信号是连续波，当交流市电为220V/50Hz时，对于一个任务周期是0.5s的磁控管，其有效工作时间是1/50×0.5s＝10ms，其频率辐射展开的频段很宽（几十甚至几百兆赫兹），可能将整个ISM的工作频段都湮没在微波炉的辐射干扰之中。

（2）无绳电话干扰

无绳电话的发射功率较低，一般小于10dBm，跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS）系统的无绳电话带宽只有1MHz，直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS）系统的无绳电话的6dB带宽通常小于2MHz。无绳电话对Wi-Fi设备的影响取决于无绳电话的信号强度、占据的带宽、与Wi-Fi设备之间的距离和频率间隔。实验数据表明，采用FHSS或DSSS的无绳电话系统对DSSS的Wi-Fi设备一般没有明显影响。当DSSS无绳电话系统的发射功率较大（如超过20dBm），带宽较宽（大于3MHz），且两种设备距离很近时，才会对Wi-Fi设备产生较大影响。根据测试结果，建议IEEE 802.11设备的载波频率距这些无绳电话的载波频率的距离大于20MHz。而FHSS Wi-Fi设备在上述环境下性能有显著下降。

（3）蓝牙干扰

蓝牙也是ISM频段中广泛使用的技术之一。它采用FHSS技术，一般使用79个信道，每信道带宽为1MHz，跳频速率为1600Hz。蓝牙工作频段为2400MHz～2483.5MHz，而Wi-Fi的工作频段为2400MHz～2497MHz，二者在频域上有很大的重叠，因此蓝牙信号是2.4GHz Wi-Fi的主要干扰源。当蓝牙帧落在IEEE 802.11b帧的频段上时，从频域上看就是典型的窄带信号对直接序列扩频信号的干扰。蓝牙采用了一系列独特的措施，如自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping,AFH）、侦听（Listen Before Talk,LBT）和功率控制等技术来克服干扰，避免冲突。AFH技术是蓝牙技术中采用的预防频率冲突的机制，它能对干扰进行检测和分类，编辑跳频算法以使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，然后把分配后的变化告知网络中的其他成员，并周期性地维护跳频集，从而以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。

2.3.3　蓝牙对Wi-Fi的干扰分析

本节主要分析蓝牙干扰对Wi-Fi系统性能的影响。蓝牙系统和2.4GHz频段的Wi-Fi系统工作于同一频段，二者共存时，其帧在时域和频域都有冲突。在频域方面，由于频率重叠会增加Wi-Fi误码率，从而影响Wi-Fi系统吞吐量。在时域方面，数据帧冲突也会对Wi-Fi系统吞吐量造成影响。

蓝牙系统对Wi-Fi的干扰程度取决于由Wi-Fi和蓝牙设备帧交叠引起碰撞的概率。Wi-Fi和蓝牙的帧碰撞的概率为：

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式（2-1）中，Pu为蓝牙设备利用概率（动态概率）；F＝（BL_BW－WLAN_BW）/BL_BW，其中BL_BW是蓝牙跳频范围，WLAN_BW是DSSS Wi-Fi设备IF干扰灵敏度；L是Wi-Fi数据长度；H是蓝牙的驻留周期；x是不小于L/H的最小整数。数据速率越高，帧长越短。

性能影响还与传播条件和两种设备之间的距离有关。为说明这种干扰的影响，德州仪器公司在2000年进行了一系列测试，在存在互相干扰的条件下测量Wi-Fi与蓝牙链路的流量。结果表明，干扰的发射方与受影响的接收方之间的距离左右着这一影响的程度。

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图2-3　蓝牙与Wi-Fi互干扰情况

从图2-3中可以看出，对Wi-Fi来说，蓝牙在相隔3m以内的距离对Wi-Fi的使用影响明显，随着距离的增大这种影响逐渐降低，并且在间距超过3m之后Wi-Fi因蓝牙干扰而导致的数据包丢失几乎可以忽略不计。

对蓝牙来说，Wi-Fi在相隔10m以上的距离对蓝牙的使用影响较小，并且这种影响会随着距离的增加逐渐降低，但并不能减小到足以忽略不计的地步。在受到Wi-Fi近距离干扰的情况下，蓝牙信号将很有可能被彻底切断。通过对比不难发现，总体上蓝牙因Wi-Fi干扰而导致的数据包丢失情况更严重一些。

为缓解这种影响，蓝牙社团开发了AFH（Adaptive Frequency Hopping，自适应跳频）技术，可以自动避免这类干扰。AFH是蓝牙1.2版本中的功能，AFH可以使蓝牙链接利用跳频次序有选择地避开那些存在干扰的信道。于是，蓝牙可以自动改变自己的频率，以躲开一个使用中的Wi-Fi信道。因而可以减少冲突，提高数据流量。

但是，AFH并没有为使Wi-Fi与蓝牙和谐共处而提供一套完整的解决方案，而只解决了部分问题。它只是躲避干扰，而不是共存。现在还有其他的共存方案，其中最佳的方案是使两个MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）层进行沟通。为两类链接提供IC的制造商正准备提供这种共存方案。