无线网络技术原理、应用和实践：（三）无线信道

信道（Channel）：是以无线信号作为传输载体的数据信号传送通道。
无线频段：
1）2.4GHz频段：
2.4GHz为各国共用的ISM频段，因此无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。2.4GHz频段划分为14个交叠的、错列的20MHz（802.11b为22MHz）无线载波信道，中心频率间隔为5MHz。

信道在不同国家的使用范围也不同：
中国：允许1—13信道；
美国：允许1—11信道；
欧洲：允许1—13 信道；
日本：允许1—14 信道（14信道仅用作802.11b）；

2）5GHz频段：
5GHz频段被分为24个20MHz的信道，且每个信道都为独立信道。5GHz具备更高的无线传输速度、更少的冲突的优点。但是高载波频率也带来了负面效果，5GHz几乎被限制在直线范围内使用，这导致必须使用更多的接入点。

5GHz频段中室外可用信道为149、153、157、161和165，室内可用信道为36、40、44、48、52、56、60、64、149、153、157、161、165；其中雷达信道为52、56、60、64（不建议使用）。

信道绑定：
1）在802.11n中，通过将相邻的两个20MHz信道绑定成40MHz，使得传输速率成倍提高。在实际工作中，将两个相邻的20MHz信道绑定使用，一个为主带宽，一个为次带宽，收发数据时既可以工作在40MHz带宽，也可以工作在单个20MHz带宽。同时，为避免相互干扰，原本每20MHz信道之间都会预留一小部分的带宽，当采用信道绑定技术工作在40MHz带宽时，这一部分预留的带宽也可以被用来通信，进一步提高了吞吐量。
2）在802.11ac中，准确描述一个设备的工作信道模式需要四个要素：
①当前工作带宽
②当前工作中心频率1
③当前工作中心频率2（仅限80MHz+80MHz模式）
④当前工作信道（主工作信道）
对比于802.11n，没有了信道向上、向下绑定的概念，而是提供的中心频率。
在2.4GHz使用40MHz信道宽度：
根据802.11n 规范，无线接入点和客户端必须默认工作在为2.4 GHz频段20MHz的信道带宽模式。它们可以在满足多个要素之后切换到40MHz信道带宽模式，这些要素包括没有不支持40MHz的客户端存在和没有其它干扰的无线接入点。
另外，为了满足规格，无线接入点不允许在2.4GHz频段设置为使用“唯一”40MHz信道模式。
Wi-Fi联盟对于无线产品的互操作性认证有一条很重要的认证：要求支持40 MHz信道带宽模式下的2.4 GHz设备之间实施共存机制，确保好邻居的行为。这个要求当频谱中存在下列活动时会导致40MHz信道回退到20 MHz：
1）如果一个无线接入点检测到40 MHz信道范围内存在另一个无线接入点时，不论这个无线接入点是否有客户端连接或传输活动，他都将回退到20MHz模式。
2）如果无线接入点检测到不支持40MHz信道的客户端设备(由客户端发出的管理帧标志位标识)，他将回退到20MHz模式。
在2.4GHz实现256QAM调制方式，支持800Mbps数据连接速率：
这是在2.4GHz上另一个博取眼球、有名无实的所谓“产品特性”。建立800MHz数据连接速率需要同时满足三个条件：256QAM调制方式、40MHz信道宽度、4个空间流。
256QAM是802.11ac技术引入的更复杂的调制方式，越复杂的调制方式就需要越干净的频谱、极其高的信噪比才能实现，这在当今的2.4GHz频谱上，除了在射频实验室里，实在想象不出来什么地方可以实现。
另外，在2.4GHz实现256QAM调制方式(也称为TurboQAM)是一种Broadcom芯片的专有技术，允许在2.4GHz频段使用802.11ac速率(256 QAM)。通过在2.4GHz频段中启用40 MHz信道，这两种技术相加使得无线接入点(四空间流)和无线客户端(四空间流)之间的理论最大数据连接速率为800Mbps。
特性总结：
·需要采用相同Broadcom芯片的客户端和无线接入点在软硬件上启用。
·在 2.4 GHz 频段获得极高信噪比实现256 QAM调制。
·需要获得极高信噪从而实现4空间流。
·需要40MHz信道宽度。
·需要频谱及其干净。

穿墙能力：无线信号通过电磁波传输数据，具有波的物理特性，遇到障碍物时，会产生吸收/反射/折射/散射等现象，信号因此产生衰减。信号衰减与波长的关系如下：波长越长，绕过障碍物能力越强，信号损失越小，传输距离越远。如无线广播波长长，其绕过建筑物的能力强，所以我们可以远距离收听广播。

在射频世界里，一般用dB这个单位来表示信号变化的情况。我们只需要了解以下几个关系，就能对这些数据有一个直观的了解：
1）降低3dB是指信号强度降低到原先的1/2。
2）降低10dB是指信号强度降低到原先的1/10。
3）降低30dB是指信号强度降低到原先的1/1000。

波速=波长*频率（频率和波长成反比例关系）
2.4GHz频率低，波长长；5GHz频率高，波长短，因此5G信号穿过障碍物时衰减更大，穿墙能力比2.4G信号弱。
信号强度：信号强度以负数表示，绝对值越小，信号越强。
同频干扰（Co-Channel Interference，CCI）：即同信道干扰（CCI），在指定位置收到的频率有两个或以上的相同频率，同信道干扰会导致访问延迟以及传输过程中的冲突，使得在传输的数据帧被破坏掉。
802.11网络依靠空闲信道评估（CCA）机制来判断介质状态（如果忙就等待，空闲再传输）。接入终端同时收听到两个无线接入点而使得性能受到一定的影响。

对于接入终端，这两个蜂窝单元耦合或者成为了一个超级蜂窝单元。对于上行链路，这两个无线接入点的传输行为在这个客户端看来都是信道繁忙的状态，于是客户端会简单的等待另一个传输的机会。在下行链路，不管哪一个无线接入点的传输都会有潜在的冲突和重传的可能，增加了介质的争用情况，继而使得整体数据速率下降。同信道干扰的影响不仅仅局限在无线接入点蜂窝单元中。在高密度部署环境中，客户端自身也会产生增加总体蜂窝单元大小的效果。
邻频干扰（Adjacent Channel Interference，ACI）：即邻信道干扰（ACI），邻信道干扰是指相邻或相近的信道之间的相互干扰。根据标准，避免邻信道干扰要求两个频段的中心频点需要间隔25MHz带宽。两个无线接入点部署在同一信道，虽然同时传输会相互干扰，导致冲突发生，但由于在同一信道，所以可以相互监听解调（即可以采用虚拟载波监听或物理载波监听），从而可以执行CSMA/CA的机制，规避冲突发生。而如果是邻信道干扰，则无法进行解调，从而无法启动CSMA/CA，故相互干扰无法规避，性能更差。

信道利用率：
信道利用率体现了同频干扰、邻频干扰(邻居无线接入点对信道利用率的影响)和非WiFi干扰对无线接入点自身工作信道的影响，反映了信道内空气介质竞争(客户端竞争对信道利用率的影响)的激烈程度和数据传输情况。信道利用率就是信道平均被占用的程度，范围0~100%，如果信道利用率是10%，就表示这个信道平均在10%的时间是被占用的（处于忙的状态），而平均在90%的时间是不被占用的（处于空闲状态）。
无线网络的一个重要最佳实践是保持信道利用率在40%-50%以下。对于高信道利用率，我们需要警惕并详细分析其成因。
信道利用率形成的原因：
1）客户端空气介质竞争和数据发送
要发送的数据包越大，发送端占用信道的时间越长，发送速率越慢，发送端占用信道的时间越长。当客户端远离无线接入点时(处于蜂窝覆盖边缘)，为补偿信号强度下降，数据连接速率会下降到一个较低的值。虽然这有助于提高数据包传递的可靠性，但是会降低设备的吞吐量并导致设备所用的无线传播时间变长。占用更长的无线传播时间会导致蜂窝中可用于其他设备的总体时间减少。
如果希望改善信道利用率，需要做的就是让客户端和无线接入点之间建立较高的数据连接速率。
2）同频干扰和邻频干扰：
同频干扰简单来说就是如果在特定信道上部署无线接入点，则该无线接入点与其收听范围内相同信道的任何其他无线接入点(和客户端)将竞争对信道的使用权。相比邻频干扰，同频干扰至少是可管理的。在理想的部署中，我们希望部署的每个无线接入点被分配到唯一的信道并且在射频角度被充分隔离，使得它不能“听到”在相同信道上的任何其他无线接入点。在这种理想情况下，我们部署的无线接入点将不必与任何其他无线接入点竞争接入信道。因此，它将能够在客户端和无线接入点标准支持的限制内，用理论上可用的所有带宽(空口时间)为其相关联的客户端提供服务。
在现实部署中这是不可能的，来自相邻网络的无线接入点或我们自己部署的网络上的无线接入点将在特定无线接入点的相同信道上操作。在相同信道上的无线接入点可以“听到”彼此的信号，并且将必须通过竞争(即共享空气介质)来使用信道。这大大限制了每个无线接入点可以提供的潜在数据吞吐量。我们要做的是通过合理的规划设计确保它们之间的信号影响处于足够低的水平，使得它们不会影响无线接入点的无干扰信道评估(CCA)过程。
3）非Wi-Fi干扰源：
包括蓝牙设备、微波炉、数字增强无绳通信(DECT)电话、监控摄像头)或其他任何与 Wi-Fi 信道使用相同射频频率但不使用802.11 协议的设备也会大幅增加信道利用率。
如何改善（降低）信道利用率：
平均而言，当利用率在 40% 到 50% 之间时，无线网络容量通常会达到饱和。对于对延迟敏感的应用和实时应用(例如，VoWLAN)，信道利用率在超过 30% 时就可能会影响最终用户体验。
1）降低SSID数量&降低管理帧开销：
无线网络中每增加一个SSID都会带来不小的空口开销，例如在一个无线接入点上启用一个SSID，他的信标等管理帧占用信道的开销在1Mbps数据连接速率是约为3%。而一个无线接入点启用了3个SSID，占用信道的开销在1Mbps数据连接速率就升高到了约为9%。当你在连续覆盖组网时，该无线接入点如果与同信道无线接入点处于一个竞争域内，此时信道利用率会高达27%。
※另外一个降低SSID数量的原因是很多客户端由于自身能力的限制，无法应付大量的SSID信息，这些终端会由于检测到大量SSID而被锁定、重启甚至无法关联无线网络。减少SSID的数量可以通过合并类似用途的SSID来实现，例如：
1.利用802.1x/EAP将连接同一SSID的客户端动态分配到不同VLAN。
2.启用BYOD，单一SSID完成客户端报道和接入。
3.启用FastLane协议，不论客户端是否支持802.11r均可关联同一SSID。
2）关闭低数据速率：
当客户端远离无线接入点时(处于蜂窝覆盖边缘)，数据连接速率会下降到一个较低的值，从而导致设备所用的无线传播时间变长。关闭地数据速率，强制无线客户端与无线接入点之间以高数据速率通信是改善信道利用率的手段之一。其次，数据速率决定了信标等管理帧占用信道的开销，例如1Mbps数据连接速率的信道开销是约为3%，如果关闭6Mbps以下的数据连接速率，此时信道开销约为0.6%，如果关闭12Mbps以下的数据连接速率，此时信道开销约为0.3.%。
在实际的部署优化中，通过关闭低数据连接速率和减少SSID数量，用户可以获得信道利用率的极大改善。
3）控制客户端数量和客户端应用的行为：
高信道利用率也体现了客户端数量和客户端应用的行为，无线接入点上关联的客户端数量多少会间接的反映到信道利用率上，关联客户端多的无线接入点的信道一般比少的繁忙。此时如果有必要，可以通过系统级的客户端负载均衡手段来改善无线接入点的信道利用率。如果客户端传输的是实时视频，那么他比浏览简单网页的应用要更多占用信道。通过应用可视化和控制(AVC)手段，管理员可以禁用客户端的无关应用来改善信道利用率。
4）调解无线接入点的蜂窝覆盖尺寸
5）合理规划信道复用
6）排除非法设备（无线接入点和连接在其上的客户端）：
邻频干扰无法通过规划设计被无线网络“管理”，因此无线网络需要具备有效地手段来识别、分类、定位和排除非法设备。
7）其他方法：
例如，优化漫游的802.11k 标准允许客户端请求报告来获取与作为漫游候选的已知邻居无线接入点相关的信息。这种请求采用 802.11 管理帧的形式，无线接入点将回应相同 WLAN 上邻居无线接入点的列表以及它们的 Wi-Fi 信道号。利用来自无线接入点的802.11k 响应帧，客户端可以在下一次漫游前知道应扫描的最佳候选信道。掌握了这个方便的邻居列表后，客户端在接近下一个漫游位置之前，可以先在战略角度检测这些报告的信道，从而缩短扫描时间并加快无线接入点漫游目标的决策速度。

信道底噪：
信道底噪就是信道的背景噪音，范围一般为-80~-125dBm，几乎所有发射电磁信号的设备都会产生无线电频率干扰。这些设备包括无绳电话、蓝牙设备、微波炉,甚至还有智能电表。
信道底噪大于-100dBm时，底噪对无线网络产生的干扰较为明显，造成用户体验不佳，建议底噪数值大于-105dBm时提示用户更换信道或者降低当前AP的输出功率。

信道规划原则：
1）AP数量较少时推荐使用1、6和11信道；若同一区域AP较多时，为提高2.4G并发率或降低同频间干扰，推荐使用1、5、9和13信道。
2）室内5G覆盖容量要求较少时建议采用高频覆盖，若需提高并发需求，推荐5G使用高低频信道重叠覆盖，即每个区域至少可以收到一个高频和一个低频5G信号。

★根据《工业和信息化部关于发布5150-5350兆赫兹频段无线接入系统频率使用相关事宜的通知》(工信部无函〔2012〕620号)，已规划5150-5350兆赫兹（MHz）频段用于无线接入系统。
3）合理规划每个AP的信道，规避现网已有信号干扰，以保证无线网络的接入性能。
4）同频、邻频间距离尽量远，提高信道的复用率，并考虑错开上下楼层AP信道。