无线 LAN 和通信距离 (5)
撰写于2012年3月27日
作者：silex Wi-Fi专家
无线局域网和通信距离的系列，暂时告一段落了，而我们最后的议题是关于干扰的话题。
所谓干扰(Interference)是两种信号之间或者信号和杂音混合导致通信的阻碍现象。而我们这里会举出几个无线局域网的干扰的例子并进行说明。
在2.4GHz下的干扰
相信很多人都听说过，同样是WiFi，2.4GHz和5GHz的干扰程度是不一样的。这有两个原因：(1)2.4GHz除了WiFi以外还被很多设备使用；(2)2.4GHz信道之间的频率重叠。
(1)相对来说是比较简单的内容，2.4GHz频段不仅是WiFi，还有蓝牙和Zigbee等其他的无线通信，移动电话和停车场的大门遥控器等使用模拟调制的系统也被使用，所以噪声水平整体上很高。其中，家庭内部最严重的是微波炉的干扰。无线局域网的工作功率只有几十毫瓦，而微波炉所产生的微波的功率则会超过百瓦。虽然有屏蔽此信号，但是无线LAN的接收信号是- 70dBm (0.0001微瓦)这样的微弱水平，所以从微波炉漏出来的微波会成为强有力的干扰信号。
(2)是稍微有点复杂的话题。虽然2.4GHz频段上有1到13个信道，且每个信道会占用20MHz，但信道之间的距离只有5MHz。信道1(2.412GHz)的下一个不会产生干扰信道是信道6(2.437GHz)，不会和信道6产生干扰信道是信道11(2.462GHz)， 而2.4GHz频段中没有干扰就可以使用的频道只有3个。如果在这里有人使用了信道.4(2.422GHz)，那就是会让信道1和信道6都产生干扰。
到底为什么会变成这样呢? 802.11无线局域网在最初规定(没有a、b、g等后缀的版本)时，采用了名为“扩频”的通信方式，是因为对CDMA (Code Division Mutlple Access, CDMA)有高度的期待。
扩频和CDMA
扩频通信有直接扩频(DS：Direct Secuence)和跳频(FH：Frequency Hopping)两种主要方式。虽然工作原理略有不同，但基本概念相似，都是通信频率会在一定的范围内随时间而改变的现象。例如蓝牙虽然采用了FH，但通信占用带宽只有1MHz，而每625μs会在2.402 ~ 2.480GHz的范围内进行79个信道的转移。那么频率是按照怎样的顺序来切换呢？是根据通信者之间事先交换的信息来进行切换工作的，它们基本上是以伪随机数进行切换。在以下表格中进行了记录，假设有A⇔B, C⇔D这俩对且拥有10个信道的频率，以FH方式进行通信时的每一对按不同顺序切换信道的情况。
在这个例子中，只在t=4时信道5发生冲突，而其他时间都没有冲突。就像这样，“随着通信组的增加，产生信道冲突的概率也会增加”。这也是扩频通信/CDMA的特征(注)。
※注：其他还有不知道“事前交换的信息”的话，频率的转移模式也无法判断，所以窃听也比较困难，并且频率的活动幅度比较大，所以对符号间的抗干扰力也比较强，还可以把多路径通信导致延迟通信的信号通过Rake回路实施分离合成的特点。关于信号间干扰或多路径传输请参考前面的文章。
在CDMA登场之前使用的TDMA (分时)或者是FDMA (分频) 方式中，“可分配的通信单位”和“可收容的通信信道”可支持1：1的比例。例如，电视频道采用的是典型的FDMA方式，此方式在是如果没有空余频道的话，新电视台是无法入驻的。如果强行使用和寄存电台相同的频率播放信号的话，很快就会出现信号的混乱，并导致“信号的互相破坏”。
但是使用CDMA方式时，干扰只能是有“概率”发送，就算增加电视台也不会马上发送致命的“信号的互相破坏”。特别是数字通信，就算是发送信号的碰撞，也可以通过数据的重传而弥补损耗，所以可以在有限的频段之内纳入多数的通信组。此特点在由于普及数量的暴增而来不及增设基站的手机业界中特别受到了欢迎，也导致了W-CDMA和CDMA2000等方式迅速普及。
802.11无线局域网之所以在60MHz频带内设置13个重叠的信道，也是因为期待与可以和手机一样通过扩频和CDMA来增加容纳数量。但是，对于无线LAN，比起数量的增加，更多是对高速化的要求，也因为802.11g采用了OFDM方式，所以彻底告别了“扩频和CDMA”。
扩频方式的情况下，在某个瞬间占据的频带(载波)比较窄，此频带会随着时间的推移在一定的频率范围内移动。但是在OFDM中，有一种被称为“子载波”的搬运载波，它们会把此载波集中在一起并同时发送。以802.11g为例，它集成了52个312.5KHz的子载波。因为这是同时发送的，所以在OFDM通信中，20MHz的带宽会被连续占用。因此，在2.4GHz频带中，5个信道以内的相邻信道同时通信时，在扩频方式中“有时(有概率地)数据会发生冲突而消失”，而OFDM的话，就变成了“确实会相互冲突、相互摧毁”。
5GHz的表现
使用5GHz的802.11a比802.11g更早开始制定标准，也是从一开始就是以使用OFDM的前提下进行的标准制定。这就是5GHz频带的信道的设置需要距离20MHz带宽的原因。因此802.11a只要频道不重叠，原则上是不会因干扰而导致性能下降。(※注)
※注：但是并不是完全没有影响，如果可以的话，设定一定带宽间隔较好。
但是对高速化的要求越来越强烈，802.11n使用40MHz带宽的HT40扩展规范(俗称“倍速模式”)，因此使用该功能实际上相当于占用两个信道。另外，在下一个高速化规格802.11ac中，也有考虑HT80和HT160等的宽带扩展方案，想要使用这些功能的话可能会发生“通信中会占有所有的ch.34 ~ ch.48部分，或者如果有人使用了中间部分的信道，就无法使用宽带模式等情况，结果就变得和2.4GHz频段一样的情况。长时间占用比较多的频带的OFDM方式，虽然有其高速性的优点，但反之也有其独有的缺点。
雷达的干扰
5GHz对比2.4GHz的优点除了没有信道间的干扰之外，还有一个特点就是“没有太多其他通信设备”。但是这个“太多”是错误的，实际上在很多国家，5GHz频段都有一些气象观测雷达等公共事业用设备使用此频率的历史。802.11a比802.11g出现更早，但迟迟未能产品化的原因之一是因为各国使用5GHz频段的现有机构都讨厌无线局域网的普及而导致带宽受到“干扰”，所以在整理频带的分配和与法律法规的关系上花费了大量时间。特别是在日本，对原先的带宽妥协的结果，最终变成日本独有的J52标准，是与世界标准相差了半个信道(10MHz)，也因此花费了更长的时间才推出了适合此规格的产品。(※注)
※注：有恶评的J52在2005年的法律改正后被废弃，而日本的802.11a也成为世界共通的规格了。
光是这样就已经很麻烦了，而更加麻烦的是DFS。所谓DFS是Dynamic Frequency Selection的缩写，是检测出802.11a的系统中有无雷达等现有设备的干扰，并在检测到有干扰时迅速改变运用频率的一种规定。DFS的规定因国家而异，例如在日本，W52没有DFS规定，而W53和W56则有规定。另一方面，美国目前还没有DFS规定。
DFS对于无线LAN系统来说比较麻烦的，在使用信道的时候，必须调查一定时间(1分钟)的“是否存在雷达”之后才能发出信号，拥有这样的规定(注)。这个“使用信道时”不仅适用于系统启动时，也适用于运行DFS导致移动到其他信道后等情况。因此，在DFS频带上运行的802.11a系统在DFS运行时至少需要1分钟，如果条件不好的话(如果在移动的信道上再次被雷达发现等的话)会有更长时间，从而导致通信中断的风险。可以预见，使用宽带的802.11ac，DFS对其影响将更加严重。
※注：当然，使用DFS也有回路的复杂化或认证费用的增加等成本面的影响。
不怕雨，不怕风
经常听人说“一下雨无线局域网就不好用了”。在之前我们也说过，2.4GHz频段是用于微波炉，而微波炉的工作原理是通过电波使水分子振动产生热量。所以经常听到“2.4GHz是与水分子的谐振频率，因此空气中的水分增加会导致衰减率的提高”，但实际上这是民间的说法。水分子的谐振频率在22GHz左右，并不是只有2.4GHz谐振性特别高。只是因为2.4GHz更容易使用所以使用了2.4GHz，也因为微波炉的普及导致2.4GHz频段的杂音变多，导致不适合长距离通信，所以作为无执照制的ISM频段向全世界开放。所以并不是水分子的谐振频率导致，而是因为“出现微波炉”而导致的。另外，关于“空气中的雨滴吸收电波……”这个话题，有人说雨滴的衰减即使在暴雨下，理论上2.4GHz也只有0.1dB/Km, 5GHz也只有0.2dB/Km左右。(※注)。
※注：出自 http：//www.jrc.co.jp/jp/product/wireless_lan/support/faq_asw.html
虽说如此，但体验过“下雨后无线连接变得不稳定，速度下降了不少”这种现象的人也不少吧。虽然雨滴或湿度导致的衰减程度并不是没有，但是比起降雨导致电源线或地线的绝缘变差，从而放射噪音等级的提高，而我们认为，更多原因是因为设置在屋外的无线装置（可携带电话基站、商务用无线、业余无线等等）的遮蔽程度恶化导致信号的流出所导致的信号变差。
总结
这次介绍的是关于干扰的话题，没有定量讲解，而是零散讲解了一些内容。下一期，我想列举一些轻松的议题。
在2.4GHz下的干扰
相信很多人都听说过，同样是WiFi，2.4GHz和5GHz的干扰程度是不一样的。这有两个原因：(1)2.4GHz除了WiFi以外还被很多设备使用；(2)2.4GHz信道之间的频率重叠。
(1)相对来说是比较简单的内容，2.4GHz频段不仅是WiFi，还有蓝牙和Zigbee等其他的无线通信，移动电话和停车场的大门遥控器等使用模拟调制的系统也被使用，所以噪声水平整体上很高。其中，家庭内部最严重的是微波炉的干扰。无线局域网的工作功率只有几十毫瓦，而微波炉所产生的微波的功率则会超过百瓦。虽然有屏蔽此信号，但是无线LAN的接收信号是- 70dBm (0.0001微瓦)这样的微弱水平，所以从微波炉漏出来的微波会成为强有力的干扰信号。
(2)是稍微有点复杂的话题。虽然2.4GHz频段上有1到13个信道，且每个信道会占用20MHz，但信道之间的距离只有5MHz。信道1(2.412GHz)的下一个不会产生干扰信道是信道6(2.437GHz)，不会和信道6产生干扰信道是信道11(2.462GHz)， 而2.4GHz频段中没有干扰就可以使用的频道只有3个。如果在这里有人使用了信道.4(2.422GHz)，那就是会让信道1和信道6都产生干扰。
到底为什么会变成这样呢? 802.11无线局域网在最初规定(没有a、b、g等后缀的版本)时，采用了名为“扩频”的通信方式，是因为对CDMA (Code Division Mutlple Access, CDMA)有高度的期待。
扩频和CDMA
扩频通信有直接扩频(DS：Direct Secuence)和跳频(FH：Frequency Hopping)两种主要方式。虽然工作原理略有不同，但基本概念相似，都是通信频率会在一定的范围内随时间而改变的现象。例如蓝牙虽然采用了FH，但通信占用带宽只有1MHz，而每625μs会在2.402 ~ 2.480GHz的范围内进行79个信道的转移。那么频率是按照怎样的顺序来切换呢？是根据通信者之间事先交换的信息来进行切换工作的，它们基本上是以伪随机数进行切换。在以下表格中进行了记录，假设有A⇔B, C⇔D这俩对且拥有10个信道的频率，以FH方式进行通信时的每一对按不同顺序切换信道的情况。
| 通信组合 | t=0 | t=1 | t=2 | t=3 | t=4 | t=5 | t=6 | t=7 | t=8 | t=9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A⇔B | 1 | 8 | 4 | 2 | 5 | 9 | 7 | 3 | 0 | 6 |
| C⇔D | 3 | 7 | 2 | 4 | 5 | 0 | 1 | 9 | 6 | 8 |
在这个例子中，只在t=4时信道5发生冲突，而其他时间都没有冲突。就像这样，“随着通信组的增加，产生信道冲突的概率也会增加”。这也是扩频通信/CDMA的特征(注)。
※注：其他还有不知道“事前交换的信息”的话，频率的转移模式也无法判断，所以窃听也比较困难，并且频率的活动幅度比较大，所以对符号间的抗干扰力也比较强，还可以把多路径通信导致延迟通信的信号通过Rake回路实施分离合成的特点。关于信号间干扰或多路径传输请参考前面的文章。
在CDMA登场之前使用的TDMA (分时)或者是FDMA (分频) 方式中，“可分配的通信单位”和“可收容的通信信道”可支持1：1的比例。例如，电视频道采用的是典型的FDMA方式，此方式在是如果没有空余频道的话，新电视台是无法入驻的。如果强行使用和寄存电台相同的频率播放信号的话，很快就会出现信号的混乱，并导致“信号的互相破坏”。
但是使用CDMA方式时，干扰只能是有“概率”发送，就算增加电视台也不会马上发送致命的“信号的互相破坏”。特别是数字通信，就算是发送信号的碰撞，也可以通过数据的重传而弥补损耗，所以可以在有限的频段之内纳入多数的通信组。此特点在由于普及数量的暴增而来不及增设基站的手机业界中特别受到了欢迎，也导致了W-CDMA和CDMA2000等方式迅速普及。
802.11无线局域网之所以在60MHz频带内设置13个重叠的信道，也是因为期待与可以和手机一样通过扩频和CDMA来增加容纳数量。但是，对于无线LAN，比起数量的增加，更多是对高速化的要求，也因为802.11g采用了OFDM方式，所以彻底告别了“扩频和CDMA”。
扩频方式的情况下，在某个瞬间占据的频带(载波)比较窄，此频带会随着时间的推移在一定的频率范围内移动。但是在OFDM中，有一种被称为“子载波”的搬运载波，它们会把此载波集中在一起并同时发送。以802.11g为例，它集成了52个312.5KHz的子载波。因为这是同时发送的，所以在OFDM通信中，20MHz的带宽会被连续占用。因此，在2.4GHz频带中，5个信道以内的相邻信道同时通信时，在扩频方式中“有时(有概率地)数据会发生冲突而消失”，而OFDM的话，就变成了“确实会相互冲突、相互摧毁”。
扩频(FH)方式下的占有频率
OFDM方式的占有频率
5GHz的表现
使用5GHz的802.11a比802.11g更早开始制定标准，也是从一开始就是以使用OFDM的前提下进行的标准制定。这就是5GHz频带的信道的设置需要距离20MHz带宽的原因。因此802.11a只要频道不重叠，原则上是不会因干扰而导致性能下降。(※注)
※注：但是并不是完全没有影响，如果可以的话，设定一定带宽间隔较好。
但是对高速化的要求越来越强烈，802.11n使用40MHz带宽的HT40扩展规范(俗称“倍速模式”)，因此使用该功能实际上相当于占用两个信道。另外，在下一个高速化规格802.11ac中，也有考虑HT80和HT160等的宽带扩展方案，想要使用这些功能的话可能会发生“通信中会占有所有的ch.34 ~ ch.48部分，或者如果有人使用了中间部分的信道，就无法使用宽带模式等情况，结果就变得和2.4GHz频段一样的情况。长时间占用比较多的频带的OFDM方式，虽然有其高速性的优点，但反之也有其独有的缺点。雷达的干扰
5GHz对比2.4GHz的优点除了没有信道间的干扰之外，还有一个特点就是“没有太多其他通信设备”。但是这个“太多”是错误的，实际上在很多国家，5GHz频段都有一些气象观测雷达等公共事业用设备使用此频率的历史。802.11a比802.11g出现更早，但迟迟未能产品化的原因之一是因为各国使用5GHz频段的现有机构都讨厌无线局域网的普及而导致带宽受到“干扰”，所以在整理频带的分配和与法律法规的关系上花费了大量时间。特别是在日本，对原先的带宽妥协的结果，最终变成日本独有的J52标准，是与世界标准相差了半个信道(10MHz)，也因此花费了更长的时间才推出了适合此规格的产品。(※注)
※注：有恶评的J52在2005年的法律改正后被废弃，而日本的802.11a也成为世界共通的规格了。
| 频道 | 频率 | 名称 | 主要国家 |
|---|---|---|---|
| ch.36～ch.48 | 5.180GHz～5.240GHz | W52/UNII1 | 日本、美国、欧盟 |
| ch.52～ch.60 | 5.260GHz～5.320GHz | W53/UNII2 | 日本、美国、欧盟 |
| ch.100～ch.140 | 5.500GHz～5.700GHz | W56 | 日本、欧盟 |
| ch.140～ch.165 | 5.745GHz～5.825GHz | UNII3 | 美国、中国，韩国 |
光是这样就已经很麻烦了，而更加麻烦的是DFS。所谓DFS是Dynamic Frequency Selection的缩写，是检测出802.11a的系统中有无雷达等现有设备的干扰，并在检测到有干扰时迅速改变运用频率的一种规定。DFS的规定因国家而异，例如在日本，W52没有DFS规定，而W53和W56则有规定。另一方面，美国目前还没有DFS规定。
DFS对于无线LAN系统来说比较麻烦的，在使用信道的时候，必须调查一定时间(1分钟)的“是否存在雷达”之后才能发出信号，拥有这样的规定(注)。这个“使用信道时”不仅适用于系统启动时，也适用于运行DFS导致移动到其他信道后等情况。因此，在DFS频带上运行的802.11a系统在DFS运行时至少需要1分钟，如果条件不好的话(如果在移动的信道上再次被雷达发现等的话)会有更长时间，从而导致通信中断的风险。可以预见，使用宽带的802.11ac，DFS对其影响将更加严重。
※注：当然，使用DFS也有回路的复杂化或认证费用的增加等成本面的影响。
不怕雨，不怕风
经常听人说“一下雨无线局域网就不好用了”。在之前我们也说过，2.4GHz频段是用于微波炉，而微波炉的工作原理是通过电波使水分子振动产生热量。所以经常听到“2.4GHz是与水分子的谐振频率，因此空气中的水分增加会导致衰减率的提高”，但实际上这是民间的说法。水分子的谐振频率在22GHz左右，并不是只有2.4GHz谐振性特别高。只是因为2.4GHz更容易使用所以使用了2.4GHz，也因为微波炉的普及导致2.4GHz频段的杂音变多，导致不适合长距离通信，所以作为无执照制的ISM频段向全世界开放。所以并不是水分子的谐振频率导致，而是因为“出现微波炉”而导致的。另外，关于“空气中的雨滴吸收电波……”这个话题，有人说雨滴的衰减即使在暴雨下，理论上2.4GHz也只有0.1dB/Km, 5GHz也只有0.2dB/Km左右。(※注)。
※注：出自 http：//www.jrc.co.jp/jp/product/wireless_lan/support/faq_asw.html
虽说如此，但体验过“下雨后无线连接变得不稳定，速度下降了不少”这种现象的人也不少吧。虽然雨滴或湿度导致的衰减程度并不是没有，但是比起降雨导致电源线或地线的绝缘变差，从而放射噪音等级的提高，而我们认为，更多原因是因为设置在屋外的无线装置（可携带电话基站、商务用无线、业余无线等等）的遮蔽程度恶化导致信号的流出所导致的信号变差。
总结
这次介绍的是关于干扰的话题，没有定量讲解，而是零散讲解了一些内容。下一期，我想列举一些轻松的议题。
