802.11b无线局域网抵御辐射干扰能力的分析

摘要：分析了DSSS 的抗干扰特性，阐述了IEEE802.11bWLAN 抵御各种辐射干扰的能力。它能抵抗其它无线电系统的辐射干扰、蓝牙的辐射干扰以及多径干扰等。对于防范雷击电磁脉冲干扰，提出了采用屏蔽、接地、等电位连接和防雷击电源的方案。在设计和建立广东省清新县覆盖几十公里范围的WLAN 时，采用了本研究结果。实践表明，WLAN在抗辐射干扰方面效果比较好。

关键词：无线局域网； 直接序列扩频； 辐射干扰； 系统间干扰


引　言

电磁干扰（EMI）是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。它按传播途径分为传导干扰和辐射干扰；按干扰源的性质分为人为干扰和自然干扰。辐射干扰是指以电磁波形式传输的干扰。这类干扰的能量是由干扰源辐射出来，通过介质以电磁波的特性和规律传播的。是否构成辐射干扰，由构成辐射干扰的3 要素来考虑：辐射干扰源、辐射干扰传输通道、辐射干扰接收器。

IEEE802.11b 标准的无线局域网（WLAN），工作在ISM2.4GHz 频段，采用直接序列扩频（简称直扩，或DSSS）技术，传输速率为11、5.5、2 和1Mbps（动态速率自动调节）。WLAN的应用有室内和室外，有近距离和远距离。覆盖范围的宽广和多样性带来复杂的电磁环境，从而对WLAN造成辐射干扰，包括人为干扰（主要是射频辐射干扰）和自然干扰（主要是雷电干扰当中的雷击电磁脉冲干扰）。由于辐射干扰的影响，WLAN的系统性能将会下降，因此有必要研究WLAN 抵御辐射干扰的能力。本文研究系统间辐射干扰：由其它系统产生的电磁骚扰对一个系统造成的电磁干扰。

802.11bWLAN的射频抗干扰

直扩WLAN 的抗干扰特性
扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度（W）远远大于原始信息本身实际所需的最小带宽（B），其比值称为处理增益（GP）

GP=W/B

关于信息容量的香农（Shannon）公式为

C= Wlog₂（1+S/N）

式中，C为信道容量；W为信号频带宽度；S/N为信噪比。上式说明，在给定的信道容量，即传输速率不变的条件下，频带宽度和信噪比/ 是可以互换的，即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下传输信息，这表明宽带系统有较好的抗干扰性。

直扩WLAN 把信号的频谱扩展，然后再进行传输，因而在空间传输时所占有的带宽相对较宽。而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波提取有用信号。这样，对于各种辐射干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号只有很微弱的成分，信噪比很高，因此在强干扰情况下（甚至信号被噪声淹没的情况下），仍然可以保持可靠的通信。

关于信息传输差错概率的柯捷尔尼可夫公式为



式中，Pe为差错概率；Eb 为信号能量；n0为噪声功率谱密度。

而信号功率S= Eb/T（T为信息持续时间)；噪声功率N=W*n0(W为信号频带宽度)；信息带宽=1/T；则上式可化为



上式说明，对于一定带宽B的信息而言，用GP值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下通信的安全可靠。只要GP足够大，当S/N<0时系统也可以正常工作，即在信噪比为负的情况下系统也可以工作。

综上所述，由于直扩WLAN使用扩展频谱的宽带信号来传输信息，因此抗干扰性能强，误码率低，能保证通信安全可靠。

直扩WLAN 相互间的辐射干扰
WLAN是低电平系统，以低电平传送射频信号，对外的辐射信号很弱，因而对其它WLAN 造成的辐射干扰很轻。具体分析其原因，主要在以下3个方面。

(1)由于ISM2.4GHz 频段是开放的，因此各国对该频段无线电发射设备的发射功率有严格的限制。例如，中国信息产业部无管局规定了2.400~2.4835GHz 频段的无线电发射设备的主要技术指标，等效全向辐射功率(EIRP)为：当天线增益＜10dBi 时，不大于100mW或20dBm；当天线增益≥10dBi 时，不大于500mW或27dBm。

(2)由于WLAN工作在微波，而微波天线在其它方向上的方向性系数及增益，与主轴方向上的方向性系数及增益相比，衰减很快，因而在主轴方向以外的对外干扰也就轻。例如，在WLAN室外远距离的点对点连接、点对多点连接中，为了获得较远的传输距离，天线采用定向天线，每一对天线的波束方向都对准在同一直线上，因此在波束直线以外的地方，WLAN的辐射信号非常弱，不会对邻近的其它WLAN 造成辐射干扰。

(3)直扩WLAN的扩频信号在较宽的频带上被扩展，单位频带内的功率很小，即功率谱密度很低，因而对外干扰小。

802.11b 把2.4GHz 频段划分成14个带宽为22MHz的信道，每一个信道的间隔为5MHz（除了第14 信道），邻近的信道互相重叠。当两个信道之间的间隔达到25MHz 时，信道才不会互相重叠。如果一个WLAN对邻近另一个WLAN产生辐射干扰，可以调整任何一个WLAN的信道，即调整工作频率，使两个系统的信道间隔达到25MHz以上，从而避免了相邻信道的干扰。美国和中国的标准是使用第1~11信道，在一个范围内同时使用3 个信道时，只有使用第1、6、11信道是互相不重叠的。利用这3 个信道，覆盖区域可以消除所有信道重叠现象和覆盖区域的间隙，而且不会产生辐射干扰现象。

蓝牙对直扩WLAN 的辐射干扰
蓝牙（BT）采用跳频扩频（FHSS），发射功率为1mW，数据传输速率为1Mbps，传输距离为10m。BT和2.4GHz的WLAN工作于同一个ISM频段，存在两者相互干扰的问题。

分析研究了BT 对WLAN 的干扰问题。BT对WLAN 的干扰程度决定于由WLAN和BT设备帧交叠引起的碰撞概率。

BT/WLAN 的帧碰撞的概率为



式中，Pu为BT设备利用概率(动态概率)；F=(BL-BW-WLAN-BW) /BL-BW，其中，BL-BW是BT跳频范围，WLAN-BW是DSSSWLAN设信道IF干扰灵敏带宽；L是IEEE802.11 WLAN数据长度；H是BT 的驻留(dwelling)周期；是不小于( L/H)的最小整数。数据速率越高，帧长越短。

性能影响还与传播条件和两种设备之间的距离有关。直扩WLAN 设备工作半径为100m之内，对抗随机均匀分布在半径为50m之内的蓝牙匹克网(BTPN)，性能如图１所示。由此可见，BT的干扰很明显。为了减少干扰，WLAN的AP需要密集部署。

图1 在有BT 干扰时的WLAN 性能

假设其它条件不变，改变WLAN的覆盖半径时对性能的影响如图2所示。同时，802.15工作组有以下研究结论：当蓝牙与802.11x 收发设备及接入点的距离超过50 英尺，在蓝牙传送信号时，802.11x高速直扩设备的工作仍相当可靠，因为蓝牙很低的发射功率在距离超过此值后迅速下降；也可以考虑减小802.11x收发设备和接入点之间的距离，以增强其信号并减小蓝牙的影响。

图2 改变WLAN 的覆盖半径对性能的影响

对于采用直扩的802.11b信号而言，采用跳频扩频的蓝牙信号，对它表现为低功率、短周期的脉冲噪声，在接收端信噪比较高时，这种普通的背景噪声不会引起系统性能很大程度的下降。

对BT与802.11bWLAN的相互干扰进行了实际测量。从结果来看，相互干扰与距离有关，当两者近距离（小于2m）工作时（例如处在同一个系统内），相互干扰就非常严重，分组错误率（PER）达99％，系统吞吐量几乎为零。当两者的距离超过3~4m 后，干扰程度明显减轻，PER 及系统吞吐量基本维持正常水平。相距2~4m 时，吞吐量仍受到影响。

直扩的抗多径干扰

多径干扰是由于电波在传播过程中遇到各种反射体引起的反射或散射，在接收端收到的直接路径信号与反射路径信号产生的群反射信号之间的随机干涉形成的。如果把反射体看做是辐射干扰源，那么，可以认为多径干扰也是辐射干扰当中的一种。

指出，多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差会引起传播时延，由于传播时延使信号产生严重的失真和波形展宽，并导致信号波形重叠。这不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低，而且可能使某些通信系统无法工作。直扩系统具有较强的抗多径干扰的能力，其抗多径效应的机理主要在于：

(1)直扩系统是一种宽带系统，尽管在通信中一部分频谱可能会被衰落，但不会带来太大的恶化。

(2)伪随机序列具有尖锐的自相关特性，因而对多径效应不敏感。当多径时延扩散小于一个伪码宽度时，与有用信号叠加的反射信号，被视为信号的一部分，只对有用信号的幅度产生影响，但不产生对伪码宽度的展宽或压缩。当多径时延超过一个伪码宽度时，可以把多径信号视为噪声处理，相关接收后多径信号就可以被去掉。

直扩减弱多径效应的示意图如图3 所示。图中用{Ki}(i=1~m)表示扩频码序列。在接收信号中，除主信号外，还加上延迟时间为传播时延的反射信号。匹配滤波器对扩频序列的输出实现了分离尖锐的主信号峰和反射信号的小峰值的作用。主信号波形与扩频码的自相关函数相对应。如果码选择合适，则峰值点以外的相关值，就像图中斜线部分所示那样影响非常小。

图3 直扩抗多径

(3)当码元c相当窄，而且伪码码长很长时，系统的频谱很宽，反射回来的多径频率分量不可能同时到达接收点，形成的多径干扰信号就被削弱，对接收有用信号影响不大。

伪码速率为Rc=1/c。当多径时延>Tc，即Rc>1时，多径效应不能对有用信号形成干扰。因此抗多径干扰的条件是Rc>1，如图4 所示。当多径时延一定时，抗多径干扰只能由伪码速率决定，这是扩频通信的优点。尤其在很小时，Rc要求越大，即信号频谱扩展得越宽，Rc就越接近于1，这就是扩频技术潜在的抗多径干扰的能力。

图4 抗多径干扰条件

WLAN的抗雷击电磁脉冲（LEMP）干扰

雷击电磁脉冲(LEMP)是一种干扰源。它是指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。

LEMP的概念包含很广，可以说包括除直击雷以外的所有雷击。直击雷只发生在雷云与目标间放电时，而LEMP不仅在雷云与目标间放电时会产生，而且在雷云对雷云放电以及其它许多情况下都会产生，并造成灾害。此外，一次直击雷只袭击一两个小范围的目标，而一次雷电闪击可以在比较大的范围内的多个小局部发生LEMP，并且通过多种途径传输到很远，致使雷害范围扩大。因此，LEMP与直击雷相比较，发生的概率和雷害范围要大得多，更难防止，破坏性更大。

分析了LEMP对WLAN的干扰和破坏，提出了WLAN抗LEMP 的防范保护措施。WLAN的数据传输速率高，其电路高速传送脉冲信号，对脉冲干扰的反应特别敏感。为了传输的需要，WLAN的基站建在山顶或楼顶，更易遭受LEMP的干扰和破坏。LEMP对WLAN的入侵主要有雷电感应、雷电波侵入、雷电反击和引入高电位3种类型，并由此使通信受到干扰，甚至于造成基站的天线、设备和机房建筑物的损坏。WLAN抗LEMP的防范保护措施是：采用屏蔽、接地、等电位连接和防雷击电源保护。

结 论

802.11b的WLAN由于使用DSSS 技术，能有效抵抗来自外部的各种辐射干扰，包括其它无线电系统的辐射干扰，蓝牙的辐射干扰以及多径干扰等。由于WLAN以低电平传送射频信号，对外部的辐射干扰很弱，当直扩WLAN与邻近的WLAN存在相互间的辐射干扰时，可通过调整信道(即工作频率)来避开干扰。对于防范LEMP干扰，WLAN采用屏蔽、接地和等电位连接以防雷击电源等措施，是有效的保护手段。

本研究结果在广东省清新县的WLAN采用。该网基于802.11b 标准，其应用包括了室内和室外的近距离和远距离，覆盖范围达20多公里。该县属于年平均雷暴日为90-100日的强雷区，其中的一个基站还处在海拔900多米高的山顶，山上有许多各种不同的无线电发射设备，电磁环境相当复杂。实践表明，WLAN在抗辐射干扰方面效果比较好。