2.4 GHz和5 GHz WLAN干擾對比分析

龐 展，闕鋆淑，羅春燕，黃幫明

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065;2.中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶401147)

隨著我國國民經(jīng)濟水平的飛速發(fā)展，人們的需求已經(jīng)逐漸由傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向了應(yīng)用種類更為繁多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量過大，因此采用無線局域網(wǎng)對其進行分流，效果顯著。據(jù)統(tǒng)計，目前中國移動的WLAN數(shù)據(jù)流量已經(jīng)和2G，3G的數(shù)據(jù)流量接近。但是現(xiàn)網(wǎng)中建設(shè)的WLAN網(wǎng)絡(luò)全部使用2.4 GHz頻段，由于該頻段無需授權(quán)，且可使用非重疊信道少，因此干擾嚴重，網(wǎng)絡(luò)擁塞，用戶體驗較差，影響WLAN業(yè)務(wù)推廣。隨著5 GHz WLAN技術(shù)標準及相關(guān)設(shè)備的逐步成熟，使利用5 GHz頻段進行WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為可能。通過充分發(fā)揮5 GHz WLAN網(wǎng)絡(luò)多頻點、高速率、低干擾的優(yōu)勢，從而有效緩解無線網(wǎng)絡(luò)的擁堵。

1 WLAN頻段劃分

1.1 2.4 GHz 頻段劃分

IEEE 802.11n標準使用了2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，其中國內(nèi)2.4 GHz頻段的工作頻率范圍為2.400～2.483 5 GHz［1］，頻段的可用部分總共為 83.5 MHz。將這一頻段劃分出13個信道，信道號分別為1～13，每個信道的射頻帶寬為22 MHz，相鄰信道的中心頻率相差5 MHz，所以互不重疊信道總共有3個［1］。這3個非重疊信道可以有多種組合，例如1，6，11;2，7，12;3，8，13;1，7，13 等，但我國習(xí)慣使用信道 1，6，11［2］。如圖 1 所示，為我國2.4 GHz頻段的信道劃分示意圖。

1.2 5GHz頻段劃分

IEEE802.11n可以使用無許可證的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施中的UNII-1，UNII-2和UNII-3頻段，總計300 MHz，如圖2所示為5 GHz頻段的信道劃分示意圖。

圖1 2.4GHz頻段信道劃分示意圖

圖25 GHz頻段信道劃分示意圖(截圖)

2 WLAN干擾機制與類型分析

2.1 WLAN干擾機制分析

站間IEEE802.11系列標準在MAC層使用了CSMA/CA［3］機制，用于多個無線用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)前進行網(wǎng)絡(luò)的可用性檢測。它與有線網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CD有所不同，CSMA/CD是邊發(fā)送邊檢測信道，一旦發(fā)生碰撞就立即停止發(fā)送;而CSMA/CA不能檢測到碰撞是否發(fā)生，所以即便在發(fā)送過程中發(fā)生了碰撞也必須把整個幀發(fā)送完，因此CSMA/CA采用了一種確認機制來判斷傳輸?shù)恼_性:即接收方如果正確接收到發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，那么接收方會返回一個ACK確認幀;如果發(fā)送方?jīng)]有收到接收方發(fā)出的ACK幀，則認為接收方?jīng)]有正確接收，需要退避一段時間后重發(fā)該幀。

CSMA/CA的工作過程如下:當某個站點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須先檢測信道是否空閑。如果沒有空閑，那么該站點必須等到當前傳輸結(jié)束，再利用隨機退避算法等待一段隨機的時間后，若依然沒有人使用信道，這時才能將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在整個發(fā)送過程中，為了進一步避免碰撞和解決隱藏終端的問題，還加入了RTS/CTS的四次握手協(xié)議［4］，其流程如下:在送出數(shù)據(jù)之前，站點需要先發(fā)送請求傳送報文給目的站;目的站檢測到信道空閑則發(fā)送一個允許發(fā)送報文給源站點;當源站點收到CTS幀后，就可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀;當目的站點成功接收數(shù)據(jù)幀后，需要回發(fā)確認幀ACK，如果源站點在規(guī)定的時間間隔內(nèi)都未能收到ACK幀，那么就認為數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗，再根據(jù)需要進行重發(fā)，以避免信息的丟失。

2.2 WLAN干擾類型分析

基于無線局域網(wǎng)環(huán)境下的干擾可劃分為兩大類［5］:WLAN干擾和非WLAN干擾。所謂WLAN干擾是指干擾源發(fā)送的射頻信號同樣也符合IEEE802.11系列標準，它按照頻率范圍又可以進一步分為同頻干擾和鄰頻干擾。目前有許多設(shè)備工作在2.4 GHz頻段，如微波爐、無繩電話、藍牙設(shè)備、無線攝像機等，這些設(shè)備會對WLAN系統(tǒng)造成一定的干擾，導(dǎo)致WLAN信號無法被正確接收，這就是非 WLAN 干擾［5］。

同頻干擾是指兩個工作在相同頻率上的WLAN設(shè)備之間的相互干擾。目前三大運營商在建設(shè)WLAN網(wǎng)絡(luò)時都只使用了2.4 GHz頻段，而該頻段互不干擾的信道只有3個，即1，6，11。在一個高密度部署的大型WLAN網(wǎng)絡(luò)中，當某一位置被多個使用同一信道的可用AP覆蓋時，就會產(chǎn)生互相干擾的問題。這是因為無線局域網(wǎng)使用CSMA/CA機制，當多個AP使用同一信道時，發(fā)生退避等待的幾率會遠遠高于一個AP使用整個信道的情況。當使用同一信道的AP越多，退避幾率越高，每個AP損失的流量就越大，但總體的流量是大致不變的。

鄰頻干擾是指使用相鄰頻率的兩個WLAN設(shè)備之間產(chǎn)生的相互干擾。IEEE802.11系列標準對射頻信號發(fā)射時的頻譜帶寬作了相應(yīng)規(guī)定，以2.4 GHz頻段為例，每一個頻段的帶寬為22 MHz，同時要求在距離中心頻點11 MHz之外的信號衰減必須超過30 dB。兩個相鄰頻點的中心頻率相差5 MHz，所以使用相鄰頻點的WLAN設(shè)備，它們的射頻帶寬必然會產(chǎn)生重疊部分，產(chǎn)生了相互干擾。

IEEE802.11系列標準使用的2.4 GHz頻段屬于無需授權(quán)使用的免費頻段，日常生活中有許多設(shè)備工作在此頻段，這就造成了非WLAN干擾，下面以微波爐來進行說明。圖3是微波爐對WLAN傳輸速率影響的曲線圖。

圖3 微波爐存在時WLAN傳輸速率曲線圖

綜上所述，無論是2.4 GHz還是5 GHz頻段，只要系統(tǒng)中存在同頻干擾、鄰頻干擾或者非WLAN干擾，這些干擾雖然不會對覆蓋區(qū)域內(nèi)的信號強度產(chǎn)生太大的影響，但它們卻會對可上線用戶數(shù)量及用戶下載速率產(chǎn)生很大影響。所以存在同頻干擾時，多個AP的總吞吐量相當于1個AP的吞吐量;當存在鄰頻干擾時，各AP的吞吐量也必然會比無干擾情況下的單個AP吞吐量要小。

3 24 GHz與5 GHz干擾測試分析

在某高校宿舍樓2＆3樓總共布放了6個雙頻AP，型號為中興W812nAP。每個寢室均為四人間，木門玻璃窗，上床下桌柜，有獨立的陽臺和衛(wèi)生間。AP采用直放吊頂?shù)姆绞竭M行安裝，單個AP覆蓋4個學(xué)生寢室。在暢風(fēng)苑3樓3032寢室使用Fluke WLAN點測儀器和WirelessMon軟件進行定點測試，測試截圖(信號強度在-70 dBm以上)如圖4所示。

圖43032 寢室信號圖(截圖)

通過對3032寢室點測信號進行統(tǒng)計，可以清晰地看出，此處的信號繁多，電信的ChinaNet占了其中的67%，移動的CMCC(包括CMCC-EDU)只占33%(見圖5)。

而SSID號為ChinaNet和CMCC的AP全部使用2.4 GHz頻段，只有 CMCC-EDU 使用的是雙頻(2.4 GHz+5 GHz)模式。所以整層樓AP數(shù)量較多，WLAN 2.4 GHz頻段的3個不干擾頻點1，6，11無法合理分配，有些AP之間形成了同頻干擾。圖6、圖7分別是第3層樓每個頻點對應(yīng)的AP個數(shù)及信號強度。

圖5 3032寢室各個SSID占比圖

圖6 第3層頻點分布圖

圖7 第3層各頻點強度分布圖

可以看出，有9個AP處于2.4 GHz的1頻段，5個處于6頻段，還有2個處于11頻段，且它們各個頻段的信號強度從-48～-69 dBm不等，處于同一頻點的AP個數(shù)多且強度相差不大，相互之間造成的同頻干擾嚴重。還有一個AP處于7頻點，會與6頻點的AP形成鄰頻干擾。與此同時，使用5 GHz的AP非常少，頻點分配合理，無同頻干擾的現(xiàn)象出現(xiàn)。

為了減小網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定因素對下載速率造成的影響，預(yù)先搭建了一個本地FTP平臺，專門用于提供下載業(yè)務(wù)。在限速為1 Mbit/s的情況下，選擇SSID為CMCCEDU，模式為 IEEE802.11n 的 AP，在 3 樓為 2.4 GHz和5 GHz頻段選取場強相似的點位，分別進行下載測試。具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖8所示。

從圖8中可以明顯看出，2.4 GHz和5 GHz頻段在相同場強下的下載速率有明顯差異。當場強在-30 dBm左右時，5 GHz頻段的下載速率比2.4 GHz高了22.7%;當場強在-55 dBm左右時，5 GHz頻段的速率比2.4 GHz高了60.9%;當場強在-70 dBm左右時，5 GHz頻段的速率比2.4 GHz高了41.2%。總的來說，在干擾嚴重時，使用5 GHz頻段的速率比2.4 GHz平均高了40%左右。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論:2.4 GHz頻段存在嚴重干擾，而5 GHz基本無干擾;當2.4 GHz頻段干擾嚴重時，使用5 GHz頻段的速率比2.4 GHz平均要高40%左右。

圖8 2.4 GHz與5 GHz同場強下載速率對比

4 總結(jié)

隨著5 GHz WLAN技術(shù)標準及相關(guān)設(shè)備的逐步成熟，使利用5 GHz頻段進行WLAN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為可能。針對2.4 GHz與5 GHz頻段在干擾、容量、覆蓋等方面進行理論和實際測試數(shù)據(jù)兩方面的對比分析，制定5 GHz WLAN整體技術(shù)解決方案，對運營商今后建設(shè)雙頻無線網(wǎng)絡(luò)有參考借鑒的意義。

［1］闕鋆淑，謝葳，黃幫明.高校 WLAN優(yōu)化方案研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(5):71-73.

［2］張海鵬.淺析WLAN干擾問題及解決方法［J］.信息通信，2012(5):213-214.

［3］尹林佳.WLAN無線局域網(wǎng)在干擾環(huán)境下性能分析及研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.

［4］MOSTAFA M，DEBASISH C，NAOKI N，et al.The impact of dynamic RTS Threshold adjustment for IEEE 802.11 MAC protocol［J］.Mobile Information Systems，2009(1):5-20.

［5］李新紅，張敏菊.WLAN抗干擾分析以及避免和消除［J］.電腦知識與技術(shù)，2012(15):3538-3541.