802.11b抗干扰自适应频率规划机制的研究与实现

     摘要：IEEE802.11b研究表明，只要重叠或相邻BSS小区中心频率相距25MHz以上，就可以有效避免同频或邻频干扰。在BSS小区密集地区，需要严格的频率规划。提出并实现适用于IEEE802.11b的一种抗干扰自适应频率规划机制。测试表明，在无严格频率规划条件下，该机制能抗同频或邻频干扰和其它窄带信号干扰，改善BSS小区性能。

     关键词：VLAN 抗干扰 自适应 频率规划

作为无线通信领域的热点之一，无线局域网得到了越来越多的关注。在有线线缆安装困难的地区，无线局域网作为有线网络的替代，提供到有线骨干网的无线数据传送服务。近年来，无线局域网还被用来在热点地区提供高速的公众无线接入服务。作为无线局域网基础协议之一，IEEE802.11b工作在2.4GHz的ISM频段，其物理层采用直接序列扩频技术（DSSS），提供了达11Mbps的数据速率。

工作在2.4GHz的ISM频段上的其它无线发射机可能会对IEEE802.11b设备的工作造成干扰，例如蓝牙网络、商业微波炉等。很多文献研究了蓝牙网络与IEEE802.11b的共存和商业微波炉对IEEE802.11的干扰问题，本文不讨论这类问题。由于采用DSSS物理层，IEEE802.11b设备具有一定的抗干扰能力。这样干扰主要是高斯白噪声、突发性噪声干扰或者其它不同类型无线发射机干扰。当干扰强度超过某门限值时，引起IEEE802.11b小区性能显著下降，甚至不可用。其它，对抗干扰的方法就是重新进行频率配置，减少信道带宽与干扰信道带宽的重叠。因此，本文提出了适用于IEEE802.11b基础结构网络的自适应频率规划机制，并对该机制进行了工程实现。相对于其它通过改进DCF达到抗干扰目的的MAC层方案，本文提出的方案能简单通过软件升级实现，而且抗干扰能力更强。

1 IEEE802.11b物理层特性

IEEE802.11b定义了两种工作模式；基础结构网络（Infrastructure）和自组织网络(Ad hoc)。在基础结构网络中，BSS小区的所有站点工作信道由AP决定。通常情况下，AP的工作信道在初始化中配置。遇到强外部干扰，AP的配置无法改变，导致BSS小区的性能严重下降。

在83.5MHz带宽上，一共定义了14个信道。每个信道的中心频率相距5MHz。信道编号及其对应的中心频率见文件。在中国，遵守相关无线频率规划，支持其中11个信道。尽管支持四种不同速率，IEEE802.11b物理层信号带宽为22MHz，占有超过4个信道带宽。称来自重叠或相邻BSS小区工作信道的干扰为BSS小区干扰。只要工作信道中心频率至少相距25MHz，小区干扰就不会产生。由于使用相同的伪随机扩频序列码，仔细测量表明，在通常情况下，当重叠或相邻的BSS小区中心频率在15MHz内时，小区干扰会成为影响BSS小区性能的主要因素。因此，为减少或避免小区干扰的发生，通常需要预先进行严格的频率配置规划，或者采用信号分集处理技术。在很多情况下，由于应用环境的限制，普通分集技术难以消除小区干扰的影响。

2．4GHz的ISM频段还有可能存在其它窄带信号干扰。这样的窄带干扰信号可能来自于其它无线发射机的带外泄漏。这样的窄带信号通常持续时间长，具有较高的信号功率，对BSS小区性能影响较大。从对干扰信号的分析得到自适应频率规划机制的基本思路：当BSS小区受到强烈干扰导致性能降低时，AP依据一定的算法通过软件重新配置工作信道，直至成功躲避干扰信号为止。

2 自适应频率规划机制简述

自适应频率规划机制的流程描述为：AP采集平均噪声值，按照预定干扰判决准则进行干扰判断。如果判断干扰消失，持续时间重置为0，经过延时重新进行干扰参数采集和干扰判决。如果判决干扰存在且持续时间大于干扰定值时，按照随机产生的工作信道切换序列重新进行工作信道配置；否则延时后重新进行干扰参数采集和干扰判决。当重新配置工作信道完成后，若干扰噪声值恢复，结束信道配置过程。否则继续按照已产生的工作信道切换序列配置工作信道。直至遍历所有工作信道后结束。

设工作信道切换序列为：Fx={fx(1),fx(2),fx(3),…，fx(p)}。此时，fx(i)表示在种子数x产生的工作序列中第个频率的工作信道编号，p是该序列中信道的个数（p=11）。假设当前工作信道编号为fx（i），则重新配置的工作信道编号为fx（i+1）。因此，给定种子数x和序列素引i,就可以得到重新配置的工作信道编号。

工作信道编号由式（1）给定：

fx(i)=[b(i)+x]mod(11)+1     (1)

其中，种子数x的产生符合区间均匀分布的随机过程。取模和加1的目的是保证产生的工作信道编号符合标准。b（I）为预定序列，其值可由表1决定。在表1中，相邻b(i)值相距至少为4，保证产生的相邻工作信道中心频率间距至少20MHz。表1可有多种变化，使得工作信道切换序列具有不同性质，可做进一步讨论。

表1 预定b(i)值序列

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
b(i)	0	5	10	6	2	9	4	8	1	7	3

3 工作实现

为了研究自适应频率规划机制的性能，笔者对自适应频率规划机制进行了工程实现。在基础结构网络中，自适应频率规划机制工作于AP上，以实现对BSS小区的频率控制。值得注意的是，目前的自适应频率规划只适于单BSS小区。多BSS小区的AP协同进行自适应频率规划的研究依赖于IEEE802.11f中IAPP协议，有待于进一步研究。

为提高适应性，笔者采用应用广的Prism2硬件平台作为接入点开发平台。此平台MAC控制芯片为HFA3841，并通过寄存器读写实现参数配置、控制和状态读取等操作。采用Host-Based模式实现PC对AP的模拟(注:Host-Based模式为AP的一种编程实现。采用D-Link公司PCI接口无线网卡（DWL-520）实现IEEE802.11b无线接口。运行在PC上的操作系统为Linux，内核版本为2.4.20。

笔者采用C语言编写了Host-based模式的AP程序，用于实现PC对AP功能的模拟，并嵌入了可配置的自适应频率规划机掉。它由工作信道切换序列模块和控制模块组成。其三层软件层次架构如图1所示。

当PC完成所有软件模块的加载并正确配置后，就可以完整地模拟具有自适应频率规划机制功能的AP。只要经过正确配置，其它具有IEEE802.11b无线网卡的微型计算机就可以通过此PC连接到有效局域网中。

当PC完成所有软件模块的加载并正确配置后，就可以完整地模拟具有自适应频率规划机制功能的AP。只要经过正确配置，其它具有IEEE802.11b无线网卡的计算机就可以通过此PC连续到有线局域网中。

4 测试环境和结果

为了模拟小区干扰和窄带信号干扰，信号发生器（型号：HP8648D）产生2.4GHz的功率可调的窄带干扰信号，并通过同轴电缆连续一个工作于2.4GHz的定向微带天线（增益为6.7dBi）。为了排队其它因素对测试结果的影响，采用了简单的IEEE802.11b基础结构应用模式。测试环境如图2所示。

设备1为工程实现中对AP模拟的PC；设备2为具有IEEE802.11 PCMCIA无线网卡（型号：）的PC；设备3为高性能服务器；设备4为信号发生器，通过设备5(微带天线)产生窄带干扰信号。设备2通过设备1连接至设备3上。采用FTP文件作为上层应用场景。在这里，忽略无线传播对TCP/IP协议影响。

经过仔细检查和测量，测试环境中不存在其它可能的干扰。由于无线信号传播受环境和多径效应（快衰落）的影响，在整个测试中，设备5到设备1的视线距离造成时信号的衰减。为减少实验的复杂度，固定设备5到设备1的视线距离为定值，并取设备5的输出功率减去设备1的噪声功率算术平均值（该平均值通过多次测量设备1的噪声功率得到）作为固定信号衰减值。在此情况下，只调节信号发生器的输出功率就可以改变干扰信号的强度，并可预估计噪声功率。

测试前还需要确定两个重要参数：噪声功率门限值和噪声采集周期。经过反复实验，根据在设备1上读出的当前信道信号质量、当前信道的信号功率及噪声功率，发现：接收信号功率变化不显著，为±2dB；噪声功率变化显著。当噪声功率达到-120dB时，设备2与设备1的连接受到很大影响，有时几乎无线进行正常连接，BSS小区性能下降得很快。因此可以设定-120dB为噪声功率门限值。噪声采集周期决定了系统对干扰信号的反应时间。为避免突发性干扰造成频繁工作信道切换，噪声采集周期设为这6s。

为了准确评估自适应频率规划机制对BSS小区抗干扰性能的改善，笔者设计了两个测试场景。场景一配置有自适应频率规划机制，场景二没有配置自适应频率规划机制。两个测试场景的测试步骤为：（1）按图2设置测试环境并完成正确配置，设备2通过设备1连接至设备3；（2）开通FTP服务，传输文件；（3）设备设备4输出频率当前工作信道的中心频率，并设备设备4输出为关闭状态，即无干扰下，记录数据稳定传送的速率为初始速率；（4）在5s时，设备设备4输出为开启状态，记录50s内以5s为时间单位的数据传输速率（kbps）；（5）重新设置设备1的工作信道，重复步骤（1）至（5）。每种场景进行20次独立测试，取每时间单位测试结果算术平均值作为各记录时刻的数据速率，如图3所示。

    图3表明，强干扰信号影响下，两种场景的设备2的数据速率的均急速下降，不足以前的1/3，BSS小区的性能受到了很大影响，通信质量无法得到保证。场景一的数据速率下降速度甚至稍快于场景二。这是由于场景一的自适应频率规划机制发生了作用，设备1重新进行工作信道配置，设备2与设备1需要重新进行连接。系统利用TCP滑动窗口机制进行短暂的拥塞控制，上层FTP应用并没有发生中断。当受到强干扰信号影响时，场景一中配置的自适应频率规划机制工开始工作，设备1在随机产生的工作信道切换序列中选择下一个工作信道，同时周期性监视当前工作信道噪声功率值，直至切换到噪声功率值低的工作信道。如图3所示，在20s内，场景一的系统性能得到了很快恢复。而场景二的系统性能始终受强干扰信号影响，在测试时间内保持在较低的水平。适当调节噪声功率门限值和噪声采集周期值，系统性能会出现细微变化。

另外，笔者在计算机上对自适应频率规划机制进行了仿真，仿真结果与测试结果基本吻合。误差原因是由于在仿真环境中，信号传播环境设备为理想信号传播，没有考虑信号衰落和多径的影响。

窄带干扰是影响BSS小区性能的重要因素之一，而IEEE802.11b的广泛应用也必然会带来越来越严重的频率干扰问题。本文提出了IEEE802.11b的抗干扰自适应频率规划机制，并进行了工程实现。测试表明，在缺少严格频率规划的环境中，自适应频率规划机制能躲避可能对吞吐量造成严重影响的小区干扰和窄带干扰，有效提高BSS小区的性能。