相鄰信道抑制/干擾對802.11 WLAN造成的影響

隨著無線聯網技術以及其他無線技術在無許可限制的同一頻譜范圍內的迅速推廣應用，Wi-Fi(802.11)產品遭受的射頻(RF)干擾與日俱增，從而嚴重影響無線局域網(WLAN)的數據吞吐性能。與此同時，對諸如多媒體音頻與視頻、流媒體、WLAN語音以及其他需要服務質量(QoS)功能與較低分組誤差率的應用等新型WLAN應用，市場要求更高的數據吞吐速率。由于在環境中對WLAN設備的帶內干擾與鄰帶干擾不斷增加，因此射頻與數字過濾的設計至關重要。本文分析了鄰信道干擾(ACI)的來源以及射頻設計實踐，通過此實踐可以改善WLAN的相鄰信道抑制(ACR)而全面提高其性能。

　　概述

　　在2.4GHz與5.xGHx無許可限制的頻帶中，ACI問題以及改善RF接收機的Wi-Fi與WLAN技術性能的需求已倍受制造商、系統設計人員、集成商與美國聯邦通信委員會(FCC)的關注。事實上，在FCC發布用于802.11WLAN的額外250MHz頻譜(起始于5.4GHz)時，它就注明了不久將要針對WLAN擁擠頻譜帶調整有關規定。FCC近期可能發布一個“調查通知”(NOI)，以收集有關建立在該頻譜中設計射頻接收機的政府標準的可能性信息。

　　何謂標樁？

　　在干擾問題解決之前，WLAN市場的未來發展將大受影響。目前，WLAN接入點設備(AP)或客戶端基站將受到其它相鄰WLANAP與基站以及在同一無許可限制的頻帶中運行的非802.11設備的干擾。該情況與移動電話行業面臨的問題類似，其使用信道頻率重用解決方案使該問題得以解決。隨著802.11市場的發展與WLAN技術的使用密度不斷增大，該問題在如下應用中將愈演愈劣：

　　●公司/企業部署

　　●密集商務熱點部署(商業街等等)

　　●住宅公寓樓宇部署

　　●高密度市內部署

　　許多干擾源會對WLAN的性能造成不利影響，包括以下非802.11設備：

　　●無繩電話(2.4或5.xGHz)

　　●藍牙個人區域聯網設備(2.4GHz)

　　●藍牙無線耳機是特殊的情況

　　●脈沖雷達(美國正在研究將5.4GHz頻帶用于脈沖雷達)

　　●微波爐(在2.4GHz頻帶中50%的忙閑度將產生脈沖干擾)

　　●低能量RF光源(2.4GHz)

　　●采用包括蜂窩、藍牙與WLAN在內的多種無線技術的集成設備、手持終端與PDA中假訊號RF噪聲

　　●滿足新興"全頻段"要求的寬頻帶5GHz設備

　　干擾還可能來源于相鄰的信道。在這種情況下，802.11系統的RF子系統與數字過濾的設計還可以對AP或基站的性能造成極大影響。此外，WLAN網絡的物理設計可以消除帶內干擾的很多反射。通常由信號干擾比率(S/I或SIR)決定WLAN的性能，該比率的定義是數據信號與干擾信號的比率。對于WLAN的性能而言，SIR通常比信噪比(SNR)更加重要。下面的圖1解釋了這一概念。

　　顯然，由商用無線設備生成的信號不盡完美。的確，從802.11射頻發出的信號生成超出其許可頻帶范圍的一些能量，稱之為邊帶發射。這種情況也會出現在其他無線設備上，如藍牙、無繩電話以及其他與802.11占用相同頻帶的設備。雖然通過過濾可以將來自相鄰信道的RF干擾降至最低，但是此干擾還會生成旁瓣能量(sidelobeenergy)，此能量屬于802.11WLAN信號的通頻帶范圍內。如果ACI比802.11信號強，來自ACI的邊帶能量將主導信道的噪聲層。如圖2所示。

　　WLANRF接收機可以設計為帶有有效的ACR，其可發送約具有802.11信號0.10帶寬的窄帶信號。這些窄帶信號包括無繩電話以及藍牙信號。然而，寬帶ACI可生成大量進入802.11接收機通頻帶的邊帶能量。在這些條件下，鏈路裕度的數量或SIR的大小將對WLAN的數據吞吐量造成決定性的影響。

　　提供可跨越全世界無許可限制頻帶中所有頻率的5.xGHz射頻架構是無線行業的發展趨勢。下圖(圖3)展示了這些所謂的"全頻段"射頻是如何從5.150GHz到5.875GHz運行的。若此波段射頻含有將于2007年生效的日本分配，則該范圍還可以擴展到從4.9GHz到5.875GHz。假設此頻帶中存在某些高功率干擾源，如雷達與導航系統，那么全頻段射頻還需要一些級別的信道選擇性過濾才能避免由這些高功率干擾源造成的任何性能下降。

　　以上述內容為背景，本白皮書的其余內容將主要介紹以下內容：

　　●可以對干擾提供相鄰信道抑制(ACR)的RF接收機設計；

　　●ACR過濾技術，可以在藍牙與802.11技術共存于同一產品平臺上的嵌入式應用中實施該技術。特別強調在無線耳機中遇到的問題；

　　●在密集的用戶環境中由相鄰802.11單元(cell)產生的干擾。

　　提供ACR的接收機設計

　　RF系統抑制源自相鄰信道干擾的能力主要取決于接收機的架構。雖然目前可以使用幾種接收機架構，但是由于在WLAN系統中普遍使用直接轉換(DC)與雙通道轉換或超外差(super-het)架構，因此本白皮書只對這兩種架構進行分析。

　　為了在WLAN接收機的設計中融入有效的ACR功能，必須在接收機鏈路中考慮兩個要點。如下所示：

　　●低噪聲放大器(LNA)與IP3的輸入信號飽和度；

　　●在系統的信號基帶處理器中模數轉換器(A/D)的當前信號級別。

　　在802.11系統中，大多數LNA的輸入信號級別在-20到-30dBm之間達到飽和。如果出現了超過此級別的強輸入信號，LNA將停止提供增益，并且實際上將抑制信號的非線性失真。精心設計的LNA能夠以高達-10至-15dBm的輸入級別進行操作。當輸入信號超過-10至-15dBm時，一些系統能夠繞過LNA。從而使輸入信號可高達+4dBm，但是折衷的結果是造成較低的接收機靈敏度。

在LNA的RF處理鏈路的另一端將輸入系統的A/D轉換器。這些轉換器具有有限的動態范圍。因此，無法過濾出ACI，從而造成數字噪聲層在接收的信號中占據主導地位。假設WLAN射頻設計為至少具有20dB的數字過濾，那么ACI噪聲與802.11信號在A/D上的信號功率應該是相同的(相等功率點)。

　　表1顯示了2.4GHz頻帶中干擾源的示例。此表中有效的干擾數字(第5列)解釋了LNA的飽和點之所以如此重要的原因。

　　表1中的大多數干擾源均為窄帶設備，如：無繩電話或藍牙產品等。在很多情況下，該類產品可以在一米之內或WLAN客戶端設備中進行操作。即使有傳播損失，這些干擾源仍然可以為位于802.11接收機鏈路一端的LNA提供高達0dBm。

　　802.11接收機架構

　　圖4將超外差接收機架構與DC接收機架構之間的差別進行了對比。此示例假設源自無繩電話的相鄰窄帶強干擾為-15dBm，并且接收的WLAN信號級別的目標是-80dBm。也就是說在干擾與WLAN信號之間的接收功率相差將近65dBm。這種情況很容易發生，如某用戶可能一邊在與本地WLAN相連的便攜電腦上進行工作，一邊用無繩電話聊天。

　　圖4顯示了超外差接收機架構的過濾設計可以將ACI降低至可接受的級別。在至少具有20dB數字相鄰信道過濾的條件下，超外差接收機在不增加分組誤差率的情況下每秒能夠接收11兆位(Mbps)CCK或22MbpsPBCC802.11Wi-Fi信號。

　　如果采用DC架構，去除了中頻(IF)上的聲表面波(SAW)濾波器，從而導致接收機鏈路中A/D轉換器上的干擾信號是40dB，高于可接受的程度。采用A/D上的過采樣與回遞抽取過濾(recursivedecimationfiltering)，仍然可以恢復802.11信號。例如，GSM接收機使用DC架構，并且通過在大約26MHz上過采樣大約300KHz的帶寬GSM信號提供大約80dB的ACR。不幸的是，由于技術的局限性與電池供電產品的低功耗要求，過采樣所采用的信號幾乎百分之百都是像GSM信號這樣的窄帶信號，不可能是像802.11信號那樣的寬帶信號。

　　下面的圖5顯示了在A/D轉換器上強ACI的效果。高級別的ACI導致產生在802.11信道的SIR中占據主導地位的噪聲層，從而由于造成要處理大氣噪聲與量化而削弱了WLAN信號的強度。

　　對于已經實施OFDM調制方案的WLAN來說，從一個頻率接收器到另一個頻率接收器的往返傳輸過程中，接收機鏈路中的快速傅里葉變換(FFT)已經有所損耗。從而導致帶外抑制層平均大約為25dB。圖6解釋了每個FFT接收器的SinX/X響應。

　　接收機

　　雖然已經超出了本白皮書探討的范圍，但是值得一提的是802.11接收機鏈路中的ACR過濾可以降低功耗，因為基帶處理器中A／D的采樣速率會有所下降。為了滿足防混淆的要求，將加重其他模擬過濾的負擔，而不是以更高的速率進行采樣。在5GHz頻帶所謂的全頻段射頻中，這種防混淆的問題尤為關鍵，因為這些射頻的前端是將近1GHz頻寬的信號。這就意味著為接收機鏈路中的A／D轉換器提供數百兆赫的頻譜。包含在此信號中的可以是高功率脈沖雷達信號，該信號將在接收機鏈路中占據主導地位。

　　到目前為止，匯聚已經成為電子領域的主要趨勢。在手機與PDA市場中，這意味著匯聚的手持終端、智能電話、無線PDA以及多媒體設備，其中包括三種無線技術：蜂窩技術、802.11Wi-FiWLAN與藍牙。很多專家預測，具有成本優勢的匯聚設備在2004年就將問世。這種新型的移動手持終端將側重MP3音樂、視頻流等多媒體應用。為了提供引人注目的用戶體驗，這些新型設備必須能夠充分利用由新一代蜂窩協議與基礎設施提供的更高數據速率以及高速WLAN連接。無線藍牙耳機及其他類型的外設將為這些設備的便捷性與易用性增色不少。

　　藍牙與WLAN共存的問題

　　圖7解釋了在WLAN熱點中如何使用這類設備。在這種情形中，用戶可以通過WLAN在IP語音(VoIP)連接上進行通信或可以通過設備的802.11調制解調器下載MP3或視頻流。此外，匯聚的設備還可以與藍牙耳機相連，以便進行專用監聽。

　　圖7中描繪的這種使用情況不久就會出現于市場，但是用戶需要共存的解決方案才能充分利用此應用中的所有無線技術。由于匯聚蜂窩電話／PDA設備中的藍牙與WLAN調制解調器是在同一無許可限制的頻帶中運行的，因此它們會彼此相互干擾。此外，該區域中的其他802.11客戶端設備也將競相訪問作為匯聚蜂窩電話／PDA的同一WLAN接入點。

　　在當前藍牙標準1。0版本中指定的唯一共存解決方案需要藍牙與WLAN共享系統的媒體接入控制器(MAC)功能，以便在WLAN或藍牙的傳輸過程中，其他技術將保持空閑。在預定義的一段時間內獨占MAC之后，藍牙或WLAN將由其他技術對MAC進行控制。

　　在WLAN上的流量較小，并且存在最少QoS激活的環境中，這種MAC時間共享的安排方式既可以避免WLAN與藍牙之間出現共存干擾問題，同時也能夠提供可接受的性能。在這種環境中，WLAN接入點可以實施主動的自動請求協議，以重新傳輸丟失或延遲的包。不幸的是，隨著高級節能技術的部署及QoS服務的需求猛增，將迅速降低WLAN接入點(AP)單元中的性能。

　　例如，WLAN與藍牙共存的形勢越來越嚴峻，導致802.11AP無法感測相關的客戶端是否正在遭受來自藍牙設備或無繩電話的非WLAN干擾。采用排隊算法或調度例程對需要QoS功能的應用對AP進行編程并不會緩解帶內干擾的問題，因為AP并不能意識到干擾是否存在，因此根本無法圍繞干擾進行調度。

　即使AP具備802.11的自動響應隊列(ARQ)功能，鏈路的容錯能力也只能夠達到5%。隨著接近并超過這一個百分點，必須增加AP上的包隊列大小，以便它們能夠存儲與重新匯編零星達到的包。通常需要QoS功能的多媒體應用(如高質量音頻或MPEG2視頻)很快就背離了802.11標準對QoS的定義。作為一個備選方案，將從需要QoS的鏈路中刪除ARQ，在這種情況下，語音性能會稍有改進，具有低于2%的可接受包誤差率，但是任何種類的媒體流的性能都是不可接受的。

　　切記在傳輸模式中，WLAN客戶端只使用802.11WLAN很小一部分帶寬。根據典型的經驗法則，80%客戶端的活動WLAN時間用來進行接收，而只有20%的時間用來進行傳輸。在進行傳輸時，客戶端通常向AP發送簡短的確認包。此法則的例外情況是從客戶端進行文件傳輸，但是在這些文件在傳輸過程中始終要被劃分為不超過1，500字節的包，并且以"可用比特速率"(ABR)進行傳輸。

　　通過對圖7中列舉的匯聚WLAN／藍牙PDA示例應用此信息與802.11操作的其他特點，得出的結論是在適度加載WLANAP的環境中需要同時進行WLAN與藍牙操作。對此狀態的具體分析如下。

　　在圖7中列舉的與無線PDA相連的藍牙耳機最多具有700Kbps的鏈接帶寬，并不帶有協議開銷。如果PDA的用戶從Internet上的服務器播放MP3音頻流文件，那么此應用將需要大約128Kbps的藍牙帶寬，而總藍牙帶寬為700Kbps。藍牙信號在空中傳輸的時間占18%。與此相比，相同的應用只使用128Kbps的PDAWLAN帶寬，而總帶寬為11Mbps。此外，802.11操作將涉及確認的傳輸(ACK)，同時接收MP3流。這些ACK的數量相當于WLAN帶寬的1／16。也就是說，客戶端執行802.11傳輸只需花費不到0。1%的時間。

　　如果WLAN與藍牙傳輸阻塞或彼此干擾，那么藍牙將對WLAN傳輸造成18%的時間干擾，因為藍牙需要在空中傳輸也需相同長度的時間。反過來，WLAN傳輸將對藍牙傳輸造成不到1%的時間干擾。從而導致的結果是：加載適當數量的AP時，必須進行藍牙傳輸，同時接收WLAN信號，簡言之，必須同時運行PDA的藍牙與WLAN功能。

　　但是問題隨之而來：在采用WLAN與藍牙技術的匯聚設備中，WLAN是否能夠從AP不斷接收下載內容，而不必考慮該設備藍牙子系統的操作模式？經過對藍牙實施制定仔細的設計、規劃與部署決策，答案是肯定的。首先，設計人員必須利用藍牙1。2的功率控制(第3類設備)功能，以及藍牙的自適應跳頻(AFH)。下面的圖8展示了AFH如何避免與WLAN操作發生直接的帶內干擾。

　　如果系統要部署功率控制技術，那么將按比例降低接收機鏈路中LNA上的藍牙功率，以便使邊帶能量級別落在2.4GHz頻帶內，而不必考慮ACR過濾。預計藍牙信號將達到-40到-50dBm的傳播損失。從而使藍牙傳輸的功率在-25dBm至-15dBm范圍內，以便保持鏈路中的低誤差率。圖9解釋了功率控制技術如何降低藍牙信道中的頻譜發送。

　　檢查具有藍牙與802.11，以及其他一些操作特點的手持終端設備進一步說明了共存的問題。在此示例中，假設手持終端設備具有一個0dBm藍牙發送器與一個802.11接收機，具有以下性能之一：

　　1)功率控制技術可以提供在藍牙與WLAN之間20dB的隔離。

　　2)在藍牙與802.11之間存在0dB的隔離，但是系統能夠在RF接收機鏈路中斷開LNA。系統并不具有功率控制功能。

　　為了簡便起見，在此討論的內容將局限在采用超外差架構的接收機設計。圖10展示了接收機可以運行的情形之一。在上述的第一種情況中，設備的藍牙與WLAN之間存在20dB的隔離，那么接收機必須具有至少15dB的數字過濾。在第二種情況中，藍牙與WLAN之間不存在隔離，因此必須具有30dB的過濾和數字增益。針對第二種情況，還可以選擇將接收機限制在大約大于-60dBm的802.11信號上，其中對專門的過濾沒有任何要求。

　　此示例顯示了超外差接收機可通過采用功率控制技術獲得20dB的隔離，從而實現連續的802.11與排序的藍牙(collatedBluetooth)操作。如果在系統的藍牙與802.11之間添加MAC級別的時間協調，那么WLAN傳輸干擾對藍牙發送器所造成的影響將會降至最低。從而實際上可以在WLAN單元上存在任何流量負載或覆蓋要求的情況下，幾乎無縫同步操作藍牙以及WLAN。

　　帶內干擾與鏈路預算

　　本部分討論了帶內干擾及其對限制WLAN的RF鏈路的影響。為了說明該問題，我們簡單介紹由兩個802.11接入點引起的干擾，但該分析同樣適用于由藍牙、無繩電話或微波爐引起的帶內干擾。

　　802.11AP的信號傳播損耗取決于環境，但一般而言，信號損耗是AP到用戶之間距離的函數。在理想的視距條件下，信號損耗與距離的平方(R2)成正比。一般在實際環境中，信號損耗可表示成距離的立方(R3)。在不利的條件下，信號損耗通常等于距離的四次方(R4)。

　　此外，特殊802.11AP的范圍也是幾個其它因子的函數，包括AP的傳送功率(通常為20dBm)、天線增益以及用于某調制的接收機的靈敏度。在本例中，假設天線為一般的全向天線，其增益為0dB。更復雜的調制方案需要更高的信噪比(SNR)，以便能夠以某個位誤差率(BER)接收802.11信號。要獲得更高的SNR，接收機必須具有更高的靈敏度與／或發射信號的范圍必須成比例縮小。

　　表2顯示了802.11g與802.11b的不同調制方案如何影響SNR、接收機靈敏度及信號范圍。請注意，采用CCK調制的802.11b與采用PBCC調制的802.11b具有相同的SNR。

　　從該表可以看出，如果在實際設置中，信號傳播損耗一般為R3，則采用CCK調制的11-MbpsAP或采用PBCC調制的22-MbpsAP的相應范圍大約為400英尺。假設一般郊區范圍大約為200英尺，隨著802.11的部署越來越密集，相鄰小區AP的戶與戶之間的干擾發生的機率也越大。單個居住單元的最不利情形為并排房屋中的兩個AP可能僅間隔10英尺的空間及兩堵墻。在復雜的公寓式結構中，兩個或多個AP的間隔可能僅為一堵墻或一層地板，因而使得帶內干擾面臨更嚴峻的挑戰。一般公寓的寬度不大于100英尺，僅為郊區房屋寬度的一半。

值得一提的是，通過具有22-MbpsAP的802.11電池(采用TI開發的PBCC調制方案)的平均數據吞吐量非常合理。表3顯示了在不同級別的信號傳播損耗下，不同調制的平均數據吞吐速率。假設在大多數現有設置的情況下，信號損耗通常為R3。最重要的是，從表3中可以看出，在整個電池上，PBCC的平均數據速率幾乎比CCK調制高出了一倍。PBCC與CCK具有相同的靈敏度，因此也具有相同的范圍。此外，從這些平均數據速率圖形中可以看出，當一個電池中采用多種調制方案時，可以使吞吐量稍微提高5%至10%。借助多個調制方案，可以為客戶提供最佳的數據速率及范圍。PBCC調制的802.11b具有相同的SNR。

　　帶內信號與干擾分析

　　圖11說明了兩個相鄰的AP怎樣才會產生相互干擾的問題。當兩個RF信號源(如兩個AP)放得很近時，熱噪聲與路徑損失就成為第二大要考慮的因素，因為帶內干擾將對AP的有效范圍及數據速率產生主要影響。如圖所示，帶內RF干擾會使AP在其覆蓋區域的大部分范圍內失效。

　　表4對圖11中所示的兩個AP的帶內干擾問題進行了定量分析。這一分析假設未實施任何技術(如電源控制)來緩解某些問題。表4中的數據來源于兩個802.11AP的一般城區部署。這兩個AP的發射功率均為20dBm，它們相隔的距離為25米(大約75英尺)，并且它們的信號傳播損耗為R3。根據每個AP到這兩者中點的距離來分析SIR。表4顯示了不同距離的SIR以及各SIR級所支持的數據速率。

　　這一分析指出了帶內干擾的致命影響。例如，采用PBCC調制的AP通常有效范圍為135米以上，但帶內干擾會使其有效范圍縮小到僅為7。5米。而且，采用54MbpsOFDM調制的802.11gAP應具有近40米的有效范圍，但由于帶內干擾的影響，其覆蓋范圍僅限于2。5米。

　　如今，由于802.11WLAN應用相對較少，而大多數應用均要求較小的WLAN帶寬，而且可快速糾正發射過程中出現的錯誤，因此很少會注意到從一個AP到另一個AP的帶內RF干擾。但是，隨著WLAN技術變得越來越普及，要求QoS能力的較高帶寬應用越來越多，使得帶內干擾也隨之增加。實際上，由802.11技術引起的帶內干擾在高密度辦公室以及諸如市區住宅、住戶共有公寓及公寓等住所將變得越來越嚴重。

　　電源控制對帶內干擾的影響

　　過去，需要在移動設備中使用先進的電源控制技術來降低功耗并延長電池使用壽命。現在，電源控制的另一個優勢脫穎而出。在采用802.11的系統或設備中，電源控制可以降低帶內干擾。例如，假設開環電源控制的精度為1dB，在同一個RF信道上，相互距離較近的兩個AP之間的平均干擾可降低6dB。在較小的802.11電池中，電源控制可更進一步降低干擾。

　　表5顯示了電源控制技術對不同距離AP的SIR以及各SIR級支持的相應調制功能的影響。

　　即使信號仍受帶內干擾的限制，電源控制技術也能將帶內干擾平均降低6dB，從而可將AP的范圍提高25%。在實際應用中，隨著部署的WLAN越來越多，高寬帶QoS應用變得越來越規范，可能會采用包括電源控制、自動選頻以及多頻帶(2.4GHz與5.xGHz)在內的幾種戰略措施來增加RF信道選項。

　　預期的干擾問題

　　在未來幾年內，隨著無線局域網在居民及辦公環境中變得越來越普遍，設備制造商在進行接收機設計時必須謹慎考慮兩個潛在的問題。這兩個問題是：

　　1)RF源因信道靠近無許可限制的802.11頻帶產生的非WLAN干擾。這可能來自藍牙設備、無繩電話或微波。

　　2)由一個802.11AP或客戶機到另一個802.11AP或客戶機引起的帶內干擾。隨著WLAN技術的廣泛應用及其越來越密集，該問題必然會更加嚴重。

　　通過遵循考慮周到的設計實踐，可以采用適當的鄰信道抑制(ACR)功能來開發802.11接收機，以克服WLAN部署中遇到的大量鄰信道干擾(ACI)問題。此外，還可在WLAN接收機及發送器的設計中采用電源控制及其它戰略，以便在出現帶內RF干擾時大大提高AP與客戶機的數據吞吐量及范圍性能。

　　總之，那些可提供令人滿意、引人注目的用戶體驗的802.11WLAN設備供應商將在市場中取得成功。注重在WLAN設備中實施WLAN芯片組的設計質量，將對確保用戶滿意度起著重要的作用。