高速無線局域網室外信號抗干擾探討

陳國先

(福建信息職業技術學院，福州 350003)

在高速無線局域網(IEEE.11n技術)的信號在室外傳送中遇到建筑物、山脈、植被、水體等遮擋物時，特別遇到金屬的遮擋物、金屬的房頂等障礙物時，信號會發生反射、繞射或其他干擾。因為反射和繞射的原因導致信號主波出現振幅和相位的變化，造成發射信號到達目標地的傳播延遲，這些波的振幅的合并被增加到信號主波中，導致主信號受到影響。反射波與主波不協調，導致在接收器端的信號振幅下降［1－5］。

當主信號波的振幅降低時，可能導致信號傳輸錯誤或出現零信號情況。當反射波與到達接收器的主波不協調時，會導致信號的振幅大量的減少，這樣信噪比一般非常低，信號自身將非常接近噪聲的底線，造成要求發送器重新發送數據，從而減少無線局域網的吞吐量。

高速無線局域網工作頻段是2.4 GHz和5.8 GHz，這些無線信道為共享信道，頻率資源非常有限。隨著工作頻率及數據率的提高，無線的傳播范圍也會降低，因此，如果不考慮高速無線局域網的各種干擾，傳輸速率會隨著距離的增加而降低。當移動端遠離AP節點時，會造成通信質量差甚至無法連接。

1 室外傳播路徑干擾

1.1 地面傳播反射損耗

在高速無線局域網中，當發射天線向接收天線發送信號時，室外的地面通信收發天線之間的建筑物、山脈和植被等會阻礙接收天線與發射天線之間的視距。在這種情況下，通常依靠各種地表面反射波和直射波來完成通信。

假設發射天線和接收天線之間是一塊平坦的地面，都處于地球海拔高度之上，發射天線高度為Ht，接收天線的高度為Hr，發射天線與接收天線之間距離為D，如圖1所示。這樣發射天線與接收天線之間由直接路徑和地面反射路徑組成一個雙射線傳輸。

圖1 地面反射示意圖

直接路徑的長度

反射路徑的長度

由于直接入射波與地面反射波之間不同路徑長度引起的衰減較小，可以忽略不計，但2條路徑的相位差對路徑長度影響較大，不能忽略。反射線和入射線之間的路徑差ΔD=D2－D1。如果D比Ht和Hr都要大，則直接路徑長度約為

2條路徑相應的相位差為

式(5)中λ為傳輸波長，2條路徑相應的相位差與傳輸波長成反比。

在接收天線處的接收功率為

式(6)［1］中:Pt為輸入功率;Gt為發送天線的增益;Gr為接收天線的增益。如果D比Ht和Hr大很多，而sinθ可用 θ來近似表示，則式(6)可簡化為

用對數表示為

式(8)表明:天線高度加倍，接收功率增加6 dB;收發天線之間的距離加倍，接收功率下降12 dB。

以上公式D大于Ht和Hr，故Δφ很小，且地面傳播方程不考慮λ，使得地面傳播實際上與頻率無關。地面傳播反射方程表示發射天線和接收天線的高度對傳播影響較大。接收信號功率按收發天線之間距離的4次冪的衰減。

1.2 繞射損耗

繞射指電磁波通過一個小裂縫遠端發生擴散的現象，繞射機理經常用惠更斯原理來描述，這個原理可描述為“波陣面的每個點可視為進一步傳播的一個點源，該點源在波陣面的所有方向上不是等輻射的，在波陣面的向前方向輻射更強”。當在發射天線到接收天線之間遇到起伏地形、高大建筑物、樹林等障礙物時，會產生繞射現象，這相當于在收發兩端有一塊隔板，這塊隔板被稱為單刃障礙，如圖2所示。如果該隔板的頂部低于視距路徑，則其影響很小。當隔板的高度增加時，場強將隨視距路徑之下第1個菲涅耳區屏蔽塊［2］的增加而上下波動。如果將收發視距連線與障礙物最高點之間的垂直距離定義為傳播余隙h，r1為第一菲涅耳區圓半徑，則可用相對余隙h/r1來定義一個菲涅耳繞射參數:

從式(9)可以看出繞射參數隨著距接收機障礙物距離d2的縮短而趨于增大。隨著接收機越來越移進障礙物陰影區，損耗越來越接近無限大。

圖2 單刃障礙繞射傳播示意圖

根據繞射理論，接收機的場強由障礙物上方的平面內所有惠更斯源的總和來計算［3］，可以用式(10)表示:

式(10)稱為復數菲涅耳積分，v表示菲涅耳－基爾霍夫參數圖3給出了單刃障礙繞射損耗與菲涅耳－基爾霍夫參數v之間的函數關系曲線(也稱單刃障礙繞射損耗)。從圖3可以看出，當繞射參數v=0，障礙高度與收發視距連線相切，即傳播余隙h=0時，阻擋損耗約為6 dB;當障礙物低于收發視距連線時，即繞射參數v為負值時，幾乎沒有繞射損耗;當障礙物高于收發視距連線時，即繞射參數 v為正值時，繞射損耗增加很快。

圖3 單刃障礙繞射損耗

在實際傳播中，經常遇到多種障礙物。這種情況可以用許多種模型來分析，常用Deykgout模型［4］。這模型假設發射天線和接收天線之間沒有直射路徑，各種障礙物沒有反射波。根據發射天線和接收天線之間所遇到的障礙物按順序排列，繞射損耗由h/r1比值的最大值來確定，計算公式為

式中:h為繞射點相對于連線發射天線和接收天線的高度;r1為路徑中第1個菲涅耳區圓的半徑，即該點的垂直上的長度。

1.3 多徑信道衰落

在高速無線局域網的信道中，電波從發射天線到接收天線不是單一路徑，而是由很多條路徑來的直射波、反射波、折射波和繞射波的疊加，稱為多徑信道。多徑信道傳播的每一條路徑的傳播損耗和時延是不同的，接收到信號的相位也是不同的，這樣引起接收點的場強隨每一個路徑中的時延、距離和頻率不同而產生多徑衰落。由于無線接收信號的電腦不是固定的終端，常常從一個地方移到另一個地方進行通信，因此當無線接收的電腦的移動很小距離時，無線波的相位發生了變化，路徑長度也發生變化，這些變化取決于移動位置和傳輸頻率。

位置變化使接收的信號強度發生變化。多徑的路徑差主要由局部反射引起的，對于發射信號通過多個路徑到達接收天線時，假設所有路徑相對而言是一樣的，則不存在一條起支配作用的路徑。可以用瑞利衰落來表示［5］，N個信號合成的復數向量為

式中:En表示第n條路徑的電場強度;θn表示第n條路徑的相位;向量E是一個隨機變量，表示多徑信道的效應。

在高速無線局域網的信道中，有時有的路徑存在直接視距路徑，或者存在某條起支配作用的路徑，其他的路徑往往是反射路徑。反射路徑的強度往往比直接路徑弱，這種情況下復包絡復數向量為

式中常數項表示直接路徑，而和式表示反射路徑的集合。

這里可以看出，在無線局域網電腦接收信號時，在任何位置，接收功率保持不變時，可以選擇一個使局部反射最小的位置，從而得到最大的接收信號強度。

1.4 室外自然環境干擾

自然環境干擾主要是指天氣條件影響了高速無線局域網的性能。如大風、煙霧等極端的條件可能導致無線局域網質量降低或室外的天線容易受到損壞，對于堆積的大雪或非常厚重的霧連貫于空中會造成信號的衍射。多風多雨雪等天氣會對無線電產品的發射信號帶來巨大影響，這些信號可能將會出現大量的誤碼。

高速無線局域網工作在2.4 GHz和5.8 GHz兩個頻段。在頻段5.8 GHz中工作時，傾盆大雨可能導致0.5 dB/km的減弱，厚重的大霧能夠產生0.07 dB/km的減弱。在設計時要充分注意這方面的影響，必須使用增加衰落儲備或較大較多的天線來解決。

高速無線局域網的基站一般建在山頂或樓頂，易遭受雷擊電磁脈沖的干擾和破壞。雷擊電磁脈沖使通信受到干擾，甚至造成基站的天線、設備和機房建筑物的損壞。防范保護措施主要包括屏蔽、接地、等電位連接和防雷擊電源保護。

2 結束語

高速無線局域網的數據傳輸速率高，其電路高速傳送脈沖信號，對脈沖干擾的反應特別敏感。在高速無線局域網傳播電波過程中，會產生各種干擾和信號衰落，解決的辦法為:在系統設計時，有針對性地進行處理，給接收信號強度增加衰落儲備，即增加一些額外發射功率，可以使用雙天線和瑞利衰落信道，10 dB的容限可以達到99%的可靠度。對多徑時延擴展的干擾采用調制技術如正交頻分復用(OFDM)技術、定向天線或智能天線技術。有的干擾經常出現誤比特率或誤分組率，可以采用差錯控制編碼。采用多天線和增大發射機的輸出功率是抗干擾的有效措施。合理布置AP位置，降低AP發射功率，減少AP覆蓋范圍，也可以減少AP之間的相互干擾。

［1］Abrmowitz M，Stegun I.Handbook of Mathematical Functions［M］.New York:Dover，1964:23 －30.

［2］Saleh A A M，Valenzuela R A.A statistical model for indoor multipath propagation［J］.IEEE J Selected Areas Commun 1987，5:128 －137.

［3］Simon Haykin，Michael Moher.ModernWirelessCommunications［M］.［S.l.］:Pearson Education Inc publishing as Prentice Hall，2005:14 －20.

［4］Jakes W C.MicrowaveMobileCommunications［M］.New York:Wiley，1974:45 －67.

［5］Stutzman W L，Thiele G A.Antenna Theory and Design［M］.New York:Wiley，1998:123 －130.