探讨WiFi射频干扰及优化

以传送一个1500byte的单一数据帧为例做简单计算。在交换一个数据帧前，station需监听信道一段时间（一个DIFS）。如果信道空闲，就传送数据；如果信道繁忙，则继续监听，直到信道空闲并且持续了一个DIFS的时间后，才可以传递相关数据帧，之后等候ACK。ACK会经过一个SIFS的时间后反馈。DIFS需耗时50μs，SIFS需耗时10μs。因此，帧间间隔共用掉60μs。在数据帧中，802.11的preamble和signal字段需耗时20μs。1500byte的数据封装在MAC（媒体访问控制）帧中，加上SNAP（子网络访问协议）标头，总长度为1536byte，再加上CCMP（计数器模式及密码区块链信息认证码协议）的保护帧的16byte，一个物理层帧的有效载荷总长度为1552byte，即12416bit。当以54Mb/s空口协议速率来传送时，物理层帧的有效载荷会以每个符号216bit的方式进行分割，因此传递本帧会用到12416/216=58个符号。每个符号耗时为216/（54Mb/s）＝4μs，所以传递此数据帧共耗时58×4μs＝232μs。ACK帧的长度为14byte，因此只需要1个54Mb/s的符号即可传送完毕。所以ACK时间加标头时间为4μs＋20μs＝24μs。因此，长度为1500byte的有效负荷需要用60μs的帧间间隔，232μs的传送时间以及24μs的确认时间，总共时间是316μs。而如果以DBPSK编码方式，1Mb/s协议速率的话，则一个数据帧的交互，需要12516μs。两者相比，1Mb/s的一个数据帧长度相当于40次54Mb/s数据帧长度，可见其数据的传输效率是非常低的。

3、WiFi射频干扰情况介绍

目前，在WiFi的业务应用过程中，造成影响无线业务使用的干扰因素很多，其中常见的主要为蓝牙及微波炉射频信号造成的空口宽频干扰（其测试截图见图2）和因为空口拥塞及大量低速数据造成的射频干扰。空口出现显著射频干扰时对业务的影响现象的测试截图见图3。

图2、蓝牙及微波炉射频信号造成的空口宽频干扰

图3、空口出现显著射频干扰时对业务的影响

在图3中，正常的吞吐量是一个较为平稳过程，在这种情况下，用户普遍可以保证以较为稳定的方式高速接入无线网。但在出现干扰时，吞吐量出现显著的变化，抖动非常明显，无线接入环境变得不再稳定，随后的吞吐量趋于零值，这种情况下，网速就同比变慢，Ping包时延大、丢包，最后出现掉线现象。

蓝牙这种宽频的射频干扰可以从图2中容易得出结论，即整个空口信道都被蓝牙发送的数据所聚集，且能量不断增大，导致正常WiFi信号在相应频点上的数据报文受到破坏，被淹没在干扰噪声中，无法实现正常的网络握手通信。但由于蓝牙受发射功率限制，对WiFi信号传输的影响面不大，可以通过变更使用位置的方式予以规避。

那常见的影响WiFi业务使用的射频干扰又是究竟是如何产生的？因为WiFi是一个TDD的时分系统，每个用户的数据帧的传送会占用一个时隙。当空口信道中均为低效率编码的数据传输，每个数据帧占用的时隙较大，每秒钟传输的数据量就少，而且由于每秒钟仅能传输有限的数据帧，如果接入用户较多，发起的数据请求频繁的场景下，会有一定数量的用户在单位时间内无法实现数据的传输，由于网络反馈数据时间过长，在终端上就出现较大的时延，最终丢包和掉线。

关于造成WiFi射频干扰的低效率编码的数据传输，从截图4可以对比看出。图4中在理想状态下，用户终端普遍以54Mb/s的协议速率进行传输（这里的1Mb/s为广播的beacon帧，协议规定以1Mb/s传输），吞吐量在21Mb/s左右。而由于低速信号的出现（大量1Mb/s的数据帧），空口信道的数据帧的低速协议速率占比逐渐增大，最后整个空口信道都以1Mb/s速率传输数据。而此时空口的吞吐量则陡降到几十kb/s。如果仔细分析一下出现干扰时空口协议速率的变化过程，就可以了解到整个空口是如何被恶化的。首先，开始时都是绿色的54Mb/s协议速率，每一个数据帧都是以小时隙实现高效传输，空口带宽也保证在20MHz左右。之后，网络中开始出现红色的1Mb/s速率报文，空口信道中也出现了大时隙的数据帧（1Mb/s的数据帧长度是54Mb/s数据帧的40倍）从而占用了较多的空口信道资源。这时，由于1Mb/s的数据帧占用了较大的时隙，导致本该由54Mb/s的数据帧发送数据的时隙被占用，继而出现碰撞。对于station而言，认为空口信道出现恶化，于是逐级采用有较强抗干扰能力的编码方式，而这种方式，每数据帧的时隙也逐渐增大。随着每个帧的长度增加，又进一步加剧空口信道上的竞争；当竞争加剧到一定程度，又迫使所有终端采用抗误码能力更强的编码方式来保证数据传输的质量，从而就像多米诺骨牌一样，进入恶性循环，最终整个空口都采用1Mb/s的协议速率传输。因此，WiFi在空口上，实际上就是一套自干扰的系统。