高速无线局域网室外信号抗干扰探讨

陈国先

(福建信息职业技术学院，福州 350003)

在高速无线局域网(IEEE.11n技术)的信号在室外传送中遇到建筑物、山脉、植被、水体等遮挡物时，特别遇到金属的遮挡物、金属的房顶等障碍物时，信号会发生反射、绕射或其他干扰。因为反射和绕射的原因导致信号主波出现振幅和相位的变化，造成发射信号到达目标地的传播延迟，这些波的振幅的合并被增加到信号主波中，导致主信号受到影响。反射波与主波不协调，导致在接收器端的信号振幅下降［1－5］。

当主信号波的振幅降低时，可能导致信号传输错误或出现零信号情况。当反射波与到达接收器的主波不协调时，会导致信号的振幅大量的减少，这样信噪比一般非常低，信号自身将非常接近噪声的底线，造成要求发送器重新发送数据，从而减少无线局域网的吞吐量。

高速无线局域网工作频段是2.4 GHz和5.8 GHz，这些无线信道为共享信道，频率资源非常有限。随着工作频率及数据率的提高，无线的传播范围也会降低，因此，如果不考虑高速无线局域网的各种干扰，传输速率会随着距离的增加而降低。当移动端远离AP节点时，会造成通信质量差甚至无法连接。

1 室外传播路径干扰

1.1 地面传播反射损耗

在高速无线局域网中，当发射天线向接收天线发送信号时，室外的地面通信收发天线之间的建筑物、山脉和植被等会阻碍接收天线与发射天线之间的视距。在这种情况下，通常依靠各种地表面反射波和直射波来完成通信。

假设发射天线和接收天线之间是一块平坦的地面，都处于地球海拔高度之上，发射天线高度为Ht，接收天线的高度为Hr，发射天线与接收天线之间距离为D，如图1所示。这样发射天线与接收天线之间由直接路径和地面反射路径组成一个双射线传输。

图1 地面反射示意图

直接路径的长度

反射路径的长度

由于直接入射波与地面反射波之间不同路径长度引起的衰减较小，可以忽略不计，但2条路径的相位差对路径长度影响较大，不能忽略。反射线和入射线之间的路径差ΔD=D2－D1。如果D比Ht和Hr都要大，则直接路径长度约为

2条路径相应的相位差为

式(5)中λ为传输波长，2条路径相应的相位差与传输波长成反比。

在接收天线处的接收功率为

式(6)［1］中:Pt为输入功率;Gt为发送天线的增益;Gr为接收天线的增益。如果D比Ht和Hr大很多，而sinθ可用 θ来近似表示，则式(6)可简化为

用对数表示为

式(8)表明:天线高度加倍，接收功率增加6 dB;收发天线之间的距离加倍，接收功率下降12 dB。

以上公式D大于Ht和Hr，故Δφ很小，且地面传播方程不考虑λ，使得地面传播实际上与频率无关。地面传播反射方程表示发射天线和接收天线的高度对传播影响较大。接收信号功率按收发天线之间距离的4次幂的衰减。

1.2 绕射损耗

绕射指电磁波通过一个小裂缝远端发生扩散的现象，绕射机理经常用惠更斯原理来描述，这个原理可描述为“波阵面的每个点可视为进一步传播的一个点源，该点源在波阵面的所有方向上不是等辐射的，在波阵面的向前方向辐射更强”。当在发射天线到接收天线之间遇到起伏地形、高大建筑物、树林等障碍物时，会产生绕射现象，这相当于在收发两端有一块隔板，这块隔板被称为单刃障碍，如图2所示。如果该隔板的顶部低于视距路径，则其影响很小。当隔板的高度增加时，场强将随视距路径之下第1个菲涅耳区屏蔽块［2］的增加而上下波动。如果将收发视距连线与障碍物最高点之间的垂直距离定义为传播余隙h，r1为第一菲涅耳区圆半径，则可用相对余隙h/r1来定义一个菲涅耳绕射参数:

从式(9)可以看出绕射参数随着距接收机障碍物距离d2的缩短而趋于增大。随着接收机越来越移进障碍物阴影区，损耗越来越接近无限大。

图2 单刃障碍绕射传播示意图

根据绕射理论，接收机的场强由障碍物上方的平面内所有惠更斯源的总和来计算［3］，可以用式(10)表示:

式(10)称为复数菲涅耳积分，v表示菲涅耳－基尔霍夫参数图3给出了单刃障碍绕射损耗与菲涅耳－基尔霍夫参数v之间的函数关系曲线(也称单刃障碍绕射损耗)。从图3可以看出，当绕射参数v=0，障碍高度与收发视距连线相切，即传播余隙h=0时，阻挡损耗约为6 dB;当障碍物低于收发视距连线时，即绕射参数v为负值时，几乎没有绕射损耗;当障碍物高于收发视距连线时，即绕射参数 v为正值时，绕射损耗增加很快。

图3 单刃障碍绕射损耗

在实际传播中，经常遇到多种障碍物。这种情况可以用许多种模型来分析，常用Deykgout模型［4］。这模型假设发射天线和接收天线之间没有直射路径，各种障碍物没有反射波。根据发射天线和接收天线之间所遇到的障碍物按顺序排列，绕射损耗由h/r1比值的最大值来确定，计算公式为

式中:h为绕射点相对于连线发射天线和接收天线的高度;r1为路径中第1个菲涅耳区圆的半径，即该点的垂直上的长度。

1.3 多径信道衰落

在高速无线局域网的信道中，电波从发射天线到接收天线不是单一路径，而是由很多条路径来的直射波、反射波、折射波和绕射波的叠加，称为多径信道。多径信道传播的每一条路径的传播损耗和时延是不同的，接收到信号的相位也是不同的，这样引起接收点的场强随每一个路径中的时延、距离和频率不同而产生多径衰落。由于无线接收信号的电脑不是固定的终端，常常从一个地方移到另一个地方进行通信，因此当无线接收的电脑的移动很小距离时，无线波的相位发生了变化，路径长度也发生变化，这些变化取决于移动位置和传输频率。

位置变化使接收的信号强度发生变化。多径的路径差主要由局部反射引起的，对于发射信号通过多个路径到达接收天线时，假设所有路径相对而言是一样的，则不存在一条起支配作用的路径。可以用瑞利衰落来表示［5］，N个信号合成的复数向量为

式中:En表示第n条路径的电场强度;θn表示第n条路径的相位;向量E是一个随机变量，表示多径信道的效应。

在高速无线局域网的信道中，有时有的路径存在直接视距路径，或者存在某条起支配作用的路径，其他的路径往往是反射路径。反射路径的强度往往比直接路径弱，这种情况下复包络复数向量为

式中常数项表示直接路径，而和式表示反射路径的集合。

这里可以看出，在无线局域网电脑接收信号时，在任何位置，接收功率保持不变时，可以选择一个使局部反射最小的位置，从而得到最大的接收信号强度。

1.4 室外自然环境干扰

自然环境干扰主要是指天气条件影响了高速无线局域网的性能。如大风、烟雾等极端的条件可能导致无线局域网质量降低或室外的天线容易受到损坏，对于堆积的大雪或非常厚重的雾连贯于空中会造成信号的衍射。多风多雨雪等天气会对无线电产品的发射信号带来巨大影响，这些信号可能将会出现大量的误码。

高速无线局域网工作在2.4 GHz和5.8 GHz两个频段。在频段5.8 GHz中工作时，倾盆大雨可能导致0.5 dB/km的减弱，厚重的大雾能够产生0.07 dB/km的减弱。在设计时要充分注意这方面的影响，必须使用增加衰落储备或较大较多的天线来解决。

高速无线局域网的基站一般建在山顶或楼顶，易遭受雷击电磁脉冲的干扰和破坏。雷击电磁脉冲使通信受到干扰，甚至造成基站的天线、设备和机房建筑物的损坏。防范保护措施主要包括屏蔽、接地、等电位连接和防雷击电源保护。

2 结束语

高速无线局域网的数据传输速率高，其电路高速传送脉冲信号，对脉冲干扰的反应特别敏感。在高速无线局域网传播电波过程中，会产生各种干扰和信号衰落，解决的办法为:在系统设计时，有针对性地进行处理，给接收信号强度增加衰落储备，即增加一些额外发射功率，可以使用双天线和瑞利衰落信道，10 dB的容限可以达到99%的可靠度。对多径时延扩展的干扰采用调制技术如正交频分复用(OFDM)技术、定向天线或智能天线技术。有的干扰经常出现误比特率或误分组率，可以采用差错控制编码。采用多天线和增大发射机的输出功率是抗干扰的有效措施。合理布置AP位置，降低AP发射功率，减少AP覆盖范围，也可以减少AP之间的相互干扰。

［1］Abrmowitz M，Stegun I.Handbook of Mathematical Functions［M］.New York:Dover，1964:23 －30.

［2］Saleh A A M，Valenzuela R A.A statistical model for indoor multipath propagation［J］.IEEE J Selected Areas Commun 1987，5:128 －137.

［3］Simon Haykin，Michael Moher.ModernWirelessCommunications［M］.［S.l.］:Pearson Education Inc publishing as Prentice Hall，2005:14 －20.

［4］Jakes W C.MicrowaveMobileCommunications［M］.New York:Wiley，1974:45 －67.

［5］Stutzman W L，Thiele G A.Antenna Theory and Design［M］.New York:Wiley，1998:123 －130.