相邻信道抑制/干扰对802.11 WLAN的影响分析

随着无线联网技术以及其他无线技术在无许可限制的同一频谱范围内的迅速推广应用，Wi-Fi(802.11)产品遭受的射频(RF)干扰与日俱增，从而严重影响无线局域网(WLAN)的数据吞吐性能。与此同时，对诸如多媒体音频与视频、流媒体、WLAN语音以及其他需要服务质量(QoS)功能与较低分组误差率的应用等新型WLAN应用，市场要求更高的数据吞吐速率。由于在环境中对WLAN设备的带内干扰与邻带干扰不断增加，因此射频与数字过滤的设计至关重要。本文分析了邻信道干扰(ACI)的来源以及射频设计实践，通过此实践可以改善WLAN的相邻信道抑制(ACR)而全面提高其性能。

概述

在2.4GHz与5.xGHx无许可限制的频带中，ACI问题以及改善RF接收机的Wi-Fi与WLAN技术性能的需求已倍受制造商、系统设计人员、集成商与美国联邦通信委员会(FCC)的关注。事实上，在FCC发布用于802.11WLAN的额外250MHz频谱(起始于5.4GHz)时，它就注明了不久将要针对WLAN拥挤频谱带调整有关规定。FCC近期可能发布一个“调查通知”(NOI)，以收集有关建立在该频谱中设计射频接收机的政府标准的可能性信息。

何谓标桩?

在干扰问题解决之前，WLAN市场的未来发展将大受影响。目前，WLAN接入点设备(AP)或客户端基站将受到其它相邻WLANAP与基站以及在同一无许可限制的频带中运行的非802.11设备的干扰。该情况与移动电话行业面临的问题类似，其使用信道频率重用解决方案使该问题得以解决。随着802.11市场的发展与WLAN技术的使用密度不断增大，该问题在如下应用中将愈演愈劣：

●公司/企业部署

●密集商务热点部署(商业街等等)

●住宅公寓楼宇部署

●高密度市内部署

许多干扰源会对WLAN的性能造成不利影响，包括以下非802.11设备：

●无绳电话(2.4或5.xGHz)

●蓝牙个人区域联网设备(2.4GHz)

●蓝牙无线耳机是特殊的情况

●脉冲雷达(美国正在研究将5.4GHz频带用于脉冲雷达)

●微波炉(在2.4GHz频带中50%的忙闲度将产生脉冲干扰)

●低能量RF光源(2.4GHz)

●采用包括蜂窝、蓝牙与WLAN在内的多种无线技术的集成设备、手持终端与PDA中假讯号RF噪声

●满足新兴"全频段"要求的宽频带5GHz设备

干扰还可能来源于相邻的信道。在这种情况下，802.11系统的RF子系统与数字过滤的设计还可以对AP或基站的性能造成极大影响。此外，WLAN网络的物理设计可以消除带内干扰的很多反射。通常由信号干扰比率(S/I或SIR)决定WLAN的性能，该比率的定义是数据信号与干扰信号的比率。对于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的图1解释了这一概念。

显然，由商用无线设备生成的信号不尽完美。的确，从802.11射频发出的信号生成超出其许可频带范围的一些能量，称之为边带发射。这种情况也会出现在其他无线设备上，如蓝牙、无绳电话以及其他与802.11占用相同频带的设备。虽然通过过滤可以将来自相邻信道的RF干扰降至最低，但是此干扰还会生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量属于802.11WLAN信号的通频带范围内。如果ACI比802.11信号强，来自ACI的边带能量将主导信道的噪声层。如图2所示。

WLANRF接收机可以设计为带有有效的ACR，其可发送约具有802.11信号0.10带宽的窄带信号。这些窄带信号包括无绳电话以及蓝牙信号。然而，宽带ACI可生成大量进入802.11接收机通频带的边带能量。在这些条件下，链路裕度的数量或SIR的大小将对WLAN的数据吞吐量造成决定性的影响。

提供可跨越全世界无许可限制频带中所有频率的5.xGHz射频架构是无线行业的发展趋势。下图(图3)展示了这些所谓的"全频段"射频是如何从5.150GHz到5.875GHz运行的。若此波段射频含有将于2007年生效的日本分配，则该范围还可以扩展到从4.9GHz到5.875GHz。假设此频带中存在某些高功率干扰源，如雷达与导航系统，那么全频段射频还需要一些级别的信道选择性过滤才能避免由这些高功率干扰源造成的任何性能下降。

以上述内容为背景，本白皮书的其余内容将主要介绍以下内容：

●可以对干扰提供相邻信道抑制(ACR)的RF接收机设计;

●ACR过滤技术，可以在蓝牙与802.11技术共存于同一产品平台上的嵌入式应用中实施该技术。特别强调在无线耳机中遇到的问题;

●在密集的用户环境中由相邻802.11单元(cell)产生的干扰。

提供ACR的接收机设计

RF系统抑制源自相邻信道干扰的能力主要取决于接收机的架构。虽然目前可以使用几种接收机架构，但是由于在WLAN系统中普遍使用直接转换(DC)与双通道转换或超外差(super-het)架构，因此本白皮书只对这两种架构进行分析。

为了在WLAN接收机的设计中融入有效的ACR功能，必须在接收机链路中考虑两个要点。如下所示：

●低噪声放大器(LNA)与IP3的输入信号饱和度;

●在系统的信号基带处理器中模数转换器(A/D)的当前信号级别。

在802.11系统中，大多数LNA的输入信号级别在-20到-30dBm之间达到饱和。如果出现了超过此级别的强输入信号，LNA将停止提供增益，并且实际上将抑制信号的非线性失真。精心设计的LNA能够以高达-10至-15dBm的输入级别进行操作。当输入信号超过-10至-15dBm时，一些系统能够绕过LNA。从而使输入信号可高达+4dBm，但是折衷的结果是造成较低的接收机灵敏度。

在LNA的RF处理链路的另一端将输入系统的A/D转换器。这些转换器具有有限的动态范围。因此，无法过滤出ACI，从而造成数字噪声层在接收的信号中占据主导地位。假设WLAN射频设计为至少具有20dB的数字过滤，那么ACI噪声与802.11信号在A/D上的信号功率应该是相同的(相等功率点)。

表1显示了2.4GHz频带中干扰源的示例。此表中有效的干扰数字(第5列)解释了LNA的饱和点之所以如此重要的原因。

表1中的大多数干扰源均为窄带设备，如：无绳电话或蓝牙产品等。在很多情况下，该类产品可以在一米之内或WLAN客户端设备中进行操作。即使有传播损失，这些干扰源仍然可以为位于802.11接收机链路一端的LNA提供高达0dBm。

802.11接收机架构

图4将超外差接收机架构与DC接收机架构之间的差别进行了对比。此示例假设源自无绳电话的相邻窄带强干扰为-15dBm，并且接收的WLAN信号级别的目标是-80dBm。也就是说在干扰与WLAN信号之间的接收功率相差将近65dBm。这种情况很容易发生，如某用户可能一边在与本地WLAN相连的便携电脑上进行工作，一边用无绳电话聊天。

此示例显示了超外差接收机可通过采用功率控制技术获得20dB的隔离，从而实现连续的802.11与排序的蓝牙(collatedBluetooth)操作。如果在系统的蓝牙与802.11之间添加MAC级别的时间协调，那么WLAN传输干扰对蓝牙发送器所造成的影响将会降至最低。从而实际上可以在WLAN单元上存在任何流量负载或覆盖要求的情况下，几乎无缝同步操作蓝牙以及WLAN。

带内干扰与链路预算

本部分讨论了带内干扰及其对限制WLAN的RF链路的影响。为了说明该问题，我们简单介绍由两个802.11接入点引起的干扰，但该分析同样适用于由蓝牙、无绳电话或微波炉引起的带内干扰。

802.11AP的信号传播损耗取决于环境，但一般而言，信号损耗是AP到用户之间距离的函数。在理想的视距条件下，信号损耗与距离的平方(R2)成正比。一般在实际环境中，信号损耗可表示成距离的立方(R3)。在不利的条件下，信号损耗通常等于距离的四次方(R4)。

此外，特殊802.11AP的范围也是几个其它因子的函数，包括AP的传送功率(通常为20dBm)、天线增益以及用于某调制的接收机的灵敏度。在本例中，假设天线为一般的全向天线，其增益为0dB。更复杂的调制方案需要更高的信噪比(SNR)，以便能够以某个位误差率(BER)接收802.11信号。要获得更高的SNR，接收机必须具有更高的灵敏度与/或发射信号的范围必须成比例缩小。

表2显示了802.11g与802.11b的不同调制方案如何影响SNR、接收机灵敏度及信号范围。请注意，采用CCK调制的802.11b与采用PBCC调制的802.11b具有相同的SNR。

从该表可以看出，如果在实际设置中，信号传播损耗一般为R3，则采用CCK调制的11-MbpsAP或采用PBCC调制的22-MbpsAP的相应范围大约为400英尺。假设一般郊区范围大约为200英尺，随着802.11的部署越来越密集，相邻小区AP的户与户之间的干扰发生的机率也越大。单个居住单元的最不利情形为并排房屋中的两个AP可能仅间隔10英尺的空间及两堵墙。在复杂的公寓式结构中，两个或多个AP的间隔可能仅为一堵墙或一层地板，因而使得带内干扰面临更严峻的挑战。一般公寓的宽度不大于100英尺，仅为郊区房屋宽度的一半。

值得一提的是，通过具有22-MbpsAP的802.11电池(采用TI开发的PBCC调制方案)的平均数据吞吐量非常合理。表3显示了在不同级别的信号传播损耗下，不同调制的平均数据吞吐速率。假设在大多数现有设置的情况下，信号损耗通常为R3。最重要的是，从表3中可以看出，在整个电池上，PBCC的平均数据速率几乎比CCK调制高出了一倍。PBCC与CCK具有相同的灵敏度，因此也具有相同的范围。此外，从这些平均数据速率图形中可以看出，当一个电池中采用多种调制方案时，可以使吞吐量稍微提高5%至10%。借助多个调制方案，可以为客户提供最佳的数据速率及范围。PBCC调制的802.11b具有相同的SNR。

带内信号与干扰分析

图11说明了两个相邻的AP怎样才会产生相互干扰的问题。当两个RF信号源(如两个AP)放得很近时，热噪声与路径损失就成为第二大要考虑的因素，因为带内干扰将对AP的有效范围及数据速率产生主要影响。如图所示，带内RF干扰会使AP在其覆盖区域的大部分范围内失效。

表4对图11中所示的两个AP的带内干扰问题进行了定量分析。这一分析假设未实施任何技术(如电源控制)来缓解某些问题。表4中的数据来源于两个802.11AP的一般城区部署。这两个AP的发射功率均为20dBm，它们相隔的距离为25米(大约75英尺)，并且它们的信号传播损耗为R3。根据每个AP到这两者中点的距离来分析SIR。表4显示了不同距离的SIR以及各SIR级所支持的数据速率。

这一分析指出了带内干扰的致命影响。例如，采用PBCC调制的AP通常有效范围为135米以上，但带内干扰会使其有效范围缩小到仅为7。5米。而且，采用54MbpsOFDM调制的802.11gAP应具有近40米的有效范围，但由于带内干扰的影响，其覆盖范围仅限于2。5米。

如今，由于802.11WLAN应用相对较少，而大多数应用均要求较小的WLAN带宽，而且可快速纠正发射过程中出现的错误，因此很少会注意到从一个AP到另一个AP的带内RF干扰。但是，随着WLAN技术变得越来越普及，要求QoS能力的较高带宽应用越来越多，使得带内干扰也随之增加。实际上，由802.11技术引起的带内干扰在高密度办公室以及诸如市区住宅、住户共有公寓及公寓等住所将变得越来越严重。

电源控制对带内干扰的影响

过去，需要在移动设备中使用先进的电源控制技术来降低功耗并延长电池使用寿命。现在，电源控制的另一个优势脱颖而出。在采用802.11的系统或设备中，电源控制可以降低带内干扰。例如，假设开环电源控制的精度为1dB，在同一个RF信道上，相互距离较近的两个AP之间的平均干扰可降低6dB。在较小的802.11电池中，电源控制可更进一步降低干扰。

表5显示了电源控制技术对不同距离AP的SIR以及各SIR级支持的相应调制功能的影响。

即使信号仍受带内干扰的限制，电源控制技术也能将带内干扰平均降低6dB，从而可将AP的范围提高25%。在实际应用中，随着部署的WLAN越来越多，高宽带QoS应用变得越来越规范，可能会采用包括电源控制、自动选频以及多频带(2.4GHz与5.xGHz)在内的几种战略措施来增加RF信道选项。

预期的干扰问题

在未来几年内，随着无线局域网在居民及办公环境中变得越来越普遍，设备制造商在进行接收机设计时必须谨慎考虑两个潜在的问题。这两个问题是：

1)RF源因信道靠近无许可限制的802.11频带产生的非WLAN干扰。这可能来自蓝牙设备、无绳电话或微波。

2)由一个802.11AP或客户机到另一个802.11AP或客户机引起的带内干扰。随着WLAN技术的广泛应用及其越来越密集，该问题必然会更加严重。

通过遵循考虑周到的设计实践，可以采用适当的邻信道抑制(ACR)功能来开发802.11接收机，以克服WLAN部署中遇到的大量邻信道干扰(ACI)问题。此外，还可在WLAN接收机及发送器的设计中采用电源控制及其它战略，以便在出现带内RF干扰时大大提高AP与客户机的数据吞吐量及范围性能。

总之，那些可提供令人满意、引人注目的用户体验的802.11WLAN设备供应商将在市场中取得成功。注重在WLAN设备中实施WLAN芯片组的设计质量，将对确保用户满意度起着重要的作用。