摘 要: IEEE802.11b研究表明,只要重疊或相鄰BSS小區(qū)中心頻率相距25MHz以上,就可以有效避免同頻或鄰頻干擾。在BSS小區(qū)密集地區(qū),需要嚴格的頻率規(guī)劃" title="頻率規(guī)劃">頻率規(guī)劃。提出并實現(xiàn)適用于IEEE802.11b的一種抗干擾自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制。測試表明,在無嚴格頻率規(guī)劃條件下,該機制能抗同頻或鄰頻干擾和其它窄帶信號干擾,改善BSS小區(qū)性能。
關(guān)鍵詞: WLAN 抗干擾 自適應(yīng) 頻率規(guī)劃
作為無線通信領(lǐng)域的熱點之一,無線局域網(wǎng)得到了越來越多的關(guān)注。在有線線纜安裝困難的地區(qū),無線局域網(wǎng)作為有線網(wǎng)絡(luò)的替代,提供到有線骨干網(wǎng)的無線數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。近年來,無線局域網(wǎng)還被用來在熱點地區(qū)提供高速的公眾無線接入服務(wù)。作為無線局域網(wǎng)基礎(chǔ)協(xié)議之一,IEEE802.11b[1]工作[hhf1]在2.4GHz的ISM頻段,其物理層采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS),提供了最高達11Mbps的數(shù)據(jù)速率" title="數(shù)據(jù)速率">數(shù)據(jù)速率。
工作在2.4GHz的ISM頻段上的其它無線發(fā)射機可能會對IEEE802.11b設(shè)備的工作造成干擾,例如藍牙網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)微波爐等。很多文獻[2~3]研究了藍牙網(wǎng)絡(luò)與IEEE802.11b的共存和商業(yè)微波爐對IEEE802.11的干擾問題,本文不討論這類問題。由于采用DSSS物理層,IEEE802.11b設(shè)備具有一定的抗干擾能力。這些干擾主要是高斯白噪聲、突發(fā)性噪聲干擾或者其它不同類型無線發(fā)射機干擾。當(dāng)干擾強度超過某門限值時,引起IEEE802.11b小區(qū)性能顯著下降,甚至不可用。其實,對抗干擾的最好方法就是重新進行頻率配置,減少信道帶寬與干擾信道帶寬的重疊。因此,本文提出了適用于IEEE802.11b基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制,并對該機制進行了工程實現(xiàn)" title="工程實現(xiàn)">工程實現(xiàn)。相對于其它通過改進DCF達到抗干擾目的的MAC層方案,本文提出的方案能簡單通過軟件升級實現(xiàn),而且抗干擾能力更強。
1 IEEE802.11b物理層特性
IEEE802.11b定義了兩種工作模式:基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Infrastructure)和自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,BSS小區(qū)的所有站點工作信道由AP決定。通常情況下,AP的工作信道在初始化中配置。遇到強外部干擾,AP的配置無法改變,導(dǎo)致BSS小區(qū)的性能嚴重下降。
在83.5MHz帶寬上,一共定義了14個信道。每個信道的中心頻率相距5MHz。信道編號及其對應(yīng)的中心頻率見文獻[1]。在中國,遵守相關(guān)無線頻率規(guī)劃,支持其中11個信道。盡管支持四種不同速率,IEEE802.11b物理層信號帶寬為22MHz,占有超過4個信道帶寬。稱來自重疊或相鄰BSS小區(qū)工作信道的干擾為BSS小區(qū)干擾。只要工作信道中心頻率至少相距25MHz,小區(qū)干擾就不會產(chǎn)生。由于使用相同的偽隨機擴頻序列碼,仔細測量表明,在通常情況下,當(dāng)重疊或相鄰BSS小區(qū)中心頻率在15MHz內(nèi)時,小區(qū)干擾會成為影響B(tài)SS小區(qū)性能的主要因素。因此,為減少或避免小區(qū)干擾的發(fā)生,通常需要預(yù)先進行嚴格的頻率配置規(guī)劃,或者采用信號分集處理技術(shù)。在很多情況下,由于應(yīng)用環(huán)境的限制,普通分集技術(shù)難以消除小區(qū)干擾的影響。
??? 2.4GHz的ISM頻段還有可能存在其它窄帶信號干擾。這樣的窄帶干擾信號" title="干擾信號">干擾信號可能來自于其它無線發(fā)射機的帶外泄漏。這樣的窄帶信號通常持續(xù)時間長,具有較高的信號功率,對BSS小區(qū)性能影響較大。從對干擾信號的分析得到自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制的基本思路:當(dāng)BSS小區(qū)受到強烈干擾導(dǎo)致性能降低時,AP依據(jù)一定的算法通過軟件重新配置工作信道,直至成功躲避干擾信號為止。
2 自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制簡述
自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制的流程描述為:AP采集平均噪聲值,按照預(yù)定干擾判決準則進行干擾判決。如果判決干擾消失,持續(xù)時間重置為0,經(jīng)過延時重新進行干擾參數(shù)采集和干擾判決。如果判決干擾存在且持續(xù)時間大于預(yù)定值時,按照隨機產(chǎn)生的工作信道切換序列重新進行工作信道配置;否則延時后重新進行干擾參數(shù)采集和干擾判決。當(dāng)重新配置工作信道完成后,若平均噪聲值恢復(fù),結(jié)束信道配置過程。否則繼續(xù)按照已產(chǎn)生的工作信道切換序列配置工作信道。直至遍歷所有工作信道后結(jié)束。
設(shè)工作信道切換序列為:Fx={fx(1),fx(2),fx(3),…,fx(p)}。此時,fx(i)表示在種子數(shù)x產(chǎn)生的工作序列中第i個頻率的工作信道編號,p是該序列中信道的個數(shù)(p=11)。假設(shè)當(dāng)前工作信道編號為fx(i),則重新配置的工作信道編號為fx(i+1)。因此,給定種子數(shù)x和序列索引i,就可以得到重新配置的工作信道編號。
工作信道編號由式(1)給定:
fx(i)=[b(i)+x]mod(11)+1???????????? (1)
其中,種子數(shù)x的產(chǎn)生符合區(qū)間均勻分布的隨機過程。取模和加1的目的是保證產(chǎn)生的工作信道編號符合標(biāo)準[1]。b(i)為預(yù)定序列,其值可由表1決定。在表1中,相鄰b(i)值相距至少為4,保證產(chǎn)生的相鄰工作信道中心頻率間距至少20MHz。表1可有多種變化,使得工作信道切換序列具有不同性質(zhì),可做進一步討論。
3 工程實現(xiàn)
為了研究自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制的性能,筆者對自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制進行了工程實現(xiàn)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制工作于AP上,以實現(xiàn)對BSS小區(qū)的頻率控制。值得注意的是,目前的自適應(yīng)頻率規(guī)劃只適于單BSS小區(qū)。多BSS小區(qū)的AP協(xié)同進行自適應(yīng)頻率規(guī)劃的研究依賴于IEEE802.11f中IAPP協(xié)議[4],有待于進一步研究。
為提高適用性,筆者采用應(yīng)用最廣的Prism2硬件平臺作為IEEE802.11b接入點開發(fā)平臺。此平臺核心MAC控制芯片為HFA3841,并通過寄存器讀寫實現(xiàn)參數(shù)配置、控制和狀態(tài)讀取等操作。采用Host-Based 模式[5]實現(xiàn)PC對AP的模擬(注:Host-Based 模式為AP的一種編程實現(xiàn)。;采用D-Link公司PCI接口無線網(wǎng)卡(DWL-520)實現(xiàn)IEEE802.11b無線接口。運行在PC上的操作系統(tǒng)為Linux,內(nèi)核版本為2.4.20。
筆者采用C語言編寫了Host-based模式的AP程序,用于實現(xiàn)PC對AP功能的模擬,并嵌入了可配置的自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制。它由工作信道切換序列模塊和核心控制模塊組成。其三層軟件層次架構(gòu)如圖1所示。
當(dāng)PC完成所有軟件模塊的加載并正確配置后,就可以完整地模擬具有自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制功能的AP。只要經(jīng)過正確配置,其它具有IEEE802.11b無線網(wǎng)卡的計算機就可以通過此PC連接到有線局域網(wǎng)中。
4 測試環(huán)境" title="測試環(huán)境">測試環(huán)境和結(jié)果
為了模擬小區(qū)干擾和窄帶信號干擾,信號發(fā)生器(型號:HP8648D)產(chǎn)生2.4GHz的功率可調(diào)的窄帶干擾信號,并通過同軸電纜連接一個工作于2.4GHz的定向微帶天線(增益為6.7 dBi)。為了排除其它因素對測試結(jié)果的影響,采用了最簡單的IEEE802.11b基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用模式。測試環(huán)境如圖2所示。
設(shè)備1為工程實現(xiàn)中對AP模擬的PC;設(shè)備2為具有IEEE802.11 PCMCIA無線網(wǎng)卡(型號:)的PC;設(shè)備3為高性能服務(wù)器;設(shè)備4為信號發(fā)生器,通過設(shè)備5(微帶天線)產(chǎn)生窄帶干擾信號。設(shè)備2通過設(shè)備1連接至設(shè)備3上。采用FTP文件下載作為上層應(yīng)用場景。在這里,忽略無線傳播對TCP/IP協(xié)議影響。
經(jīng)過仔細檢查和測量,測試環(huán)境中不存在其它可能的干擾。由于無線信號傳播受環(huán)境和多徑效應(yīng)(快衰落)的影響,在整個測試中,設(shè)備5到設(shè)備1的視線距離造成時變信號的衰減。為減少實驗的復(fù)雜度,固定設(shè)備5到設(shè)備1的視線距離為定值,并取設(shè)備5的輸出功率減去設(shè)備1的噪聲功率算術(shù)平均值(該平均值通過多次測量設(shè)備1的噪聲功率得到)作為固定信號衰減值。在此情況下,只調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出功率就可改變干擾信號的強度,并可預(yù)估計噪聲功率。
測試前還需要確定兩個重要參數(shù):噪聲功率門限值和噪聲采集周期。經(jīng)過反復(fù)實驗,根據(jù)在設(shè)備1上讀出的當(dāng)前信道信號質(zhì)量、當(dāng)前信道的信號功率及噪聲功率,發(fā)現(xiàn):接收信號功率變化不顯著,為±2dB;噪聲功率變化顯著。當(dāng)噪聲功率達到-120dB時,設(shè)備2與設(shè)備1的連接受到很大影響,有時幾乎無法進行正常連接,BSS小區(qū)性能下降得很快。因此可以設(shè)定-120dB為噪聲功率門限值。噪聲采集周期決定了系統(tǒng)對干擾信號的反應(yīng)時間。為避免突發(fā)性干擾造成頻繁工作信道切換,噪聲采集周期設(shè)定為6s。
為了準確評估自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制對BSS小區(qū)抗干擾性能的改善,筆者設(shè)計了兩個測試場景。場景一配置有自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制,場景二沒有配置自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制。兩個測試場景的測試步驟為:(1)按圖2設(shè)置測試環(huán)境并完成正確配置,設(shè)備2通過設(shè)備1連接至設(shè)備3;(2)開通FTP服務(wù),傳輸文件;(3)設(shè)置設(shè)備4輸出頻率為當(dāng)前工作信道的中心頻率,并設(shè)置設(shè)備4輸出為關(guān)閉狀態(tài),即無干擾下,記錄數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳送的最大速率為初始速率;(4)在5s時,設(shè)置設(shè)備4輸出為開啟狀態(tài),記錄50s內(nèi)以5s為時間單位的數(shù)據(jù)傳輸速率(kbps);(5)重新設(shè)置設(shè)備1的工作信道,重復(fù)步驟(1)至(5)。每種場景進行20次獨立測試,取每時間單位測試結(jié)果算術(shù)平均值作為各記錄時刻的數(shù)據(jù)速率,如圖3所示。
圖3表明,強干擾信號影響下,兩種場景的設(shè)備2的數(shù)據(jù)速率均急速下降,不足以前的1/3,BSS小區(qū)的性能受到了很大影響,通信質(zhì)量無法得到保證。場景一的數(shù)據(jù)速率下降速度甚至稍快于場景二。這是由于場景一的自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制發(fā)生了作用,設(shè)備1重新進行工作信道配置,設(shè)備2與設(shè)備1需要重新進行連接。系統(tǒng)利用TCP滑動窗口機制進行短暫的擁塞控制,上層FTP應(yīng)用并沒有發(fā)生中斷。當(dāng)受到強干擾信號影響時,場景一中配置的自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制開始工作,設(shè)備1在隨機產(chǎn)生的工作信道切換序列中選擇下一個工作信道,同時周期性監(jiān)視當(dāng)前工作信道噪聲功率值,直至切換到噪聲功率值低的工作信道。如圖3所示,在20s內(nèi),場景一的系統(tǒng)性能得到了很快恢復(fù)。而場景二的系統(tǒng)性能始終受強干擾信號影響,在測試時間內(nèi)保持在較低的水平。適當(dāng)調(diào)節(jié)噪聲功率門限值和噪聲采集周期值,系統(tǒng)性能會出現(xiàn)細微變化。
另外,筆者在計算機上對自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制進行了仿真,仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合。誤差原因是由于在仿真環(huán)境中,信號傳播環(huán)境設(shè)置為理想信號傳播,沒有考慮信號衰落和多徑的影響。
窄帶干擾是影響B(tài)SS小區(qū)性能的重要因素之一,而IEEE802.11b的廣泛應(yīng)用也必然會帶來越來越嚴重的頻率干擾問題。本文提出了IEEE802.11b的抗干擾自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制,并進行了工程實現(xiàn)。測試表明,在缺少嚴格頻率規(guī)劃的環(huán)境中,自適應(yīng)頻率規(guī)劃機制能躲避可能對吞吐量造成嚴重影響的小區(qū)干擾和窄帶干擾,有效提高BSS小區(qū)的性能。
參考文獻
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