作為無(wú)線通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，無(wú)線局域網(wǎng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在有線線纜安裝困難的地區(qū)，無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。近年來(lái)，無(wú)線局域網(wǎng)還被用來(lái)在熱點(diǎn)地區(qū)提供高速的公眾無(wú)線接入服務(wù)。作為無(wú)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(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，提供了最高達(dá)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(wú)線發(fā)射機(jī)可能會(huì)對(duì)IEEE802.11b設(shè)備的工作造成干擾，例如藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)微波爐等。很多文獻(xiàn)[2～3]研究了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與IEEE802.11b的共存和商業(yè)微波爐對(duì)IEEE802.11的干擾問(wèn)題，本文不討論這類問(wèn)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(wú)線發(fā)射機(jī)干擾。當(dāng)干擾強(qiáng)度超過(guò)某門限值時(shí)，引起IEEE802.11b小區(qū)性能顯著下降，甚至不可用。其實(shí)，對(duì)抗干擾的最好方法就是重新進(jìn)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?rùn)C(jī)制，并對(duì)該機(jī)制進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)" title="工程實(shí)現(xiàn)">工程實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于其它通過(guò)改進(jìn)DCF達(dá)到抗干擾目的的MAC層方案，本文提出的方案能簡(jiǎn)單通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)，而且抗干擾能力更強(qiáng)。
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(diǎn)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(qiáng)外部干擾，AP的配置無(wú)法改變，導(dǎo)致BSS小區(qū)的性能嚴(yán)重下降。
　　在83.5MHz帶寬上，一共定義了14個(gè)信道。每個(gè)信道的中心頻率相距5MHz。信道編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的中心頻率見(jiàn)文獻(xiàn)^[1]。在中國(guó)，遵守相關(guān)無(wú)線頻率規(guī)劃，支持其中11個(gè)信道。盡管支持四種不同速率，IEEE802.11b物理層信號(hào)帶寬為22MHz，占有超過(guò)4個(gè)信道帶寬。稱來(lái)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(huì)產(chǎn)生。由于使用相同的偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列碼，仔細(xì)測(cè)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(shí)，小區(qū)干擾會(huì)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(jìn)行嚴(yán)格的頻率配置規(guī)劃，或者采用信號(hào)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(hào)干擾。這樣的窄帶干擾信號(hào)" title="干擾信號(hào)">干擾信號(hào)可能來(lái)自于其它無(wú)線發(fā)射機(jī)的帶外泄漏。這樣的窄帶信號(hào)通常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有較高的信號(hào)功率，對(duì)BSS小區(qū)性能影響較大。從對(duì)干擾信號(hào)的分析得到自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制的基本思路：當(dāng)BSS小區(qū)受到強(qiáng)烈干擾導(dǎo)致性能降低時(shí)，AP依據(jù)一定的算法通過(guò)軟件重新配置工作信道，直至成功躲避干擾信號(hào)為止。
2 自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制簡(jiǎn)述
　　自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)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(zhǔn)則進(jìn)行干擾判決。如果判決干擾消失，持續(xù)時(shí)間重置為0，經(jīng)過(guò)延時(shí)重新進(jìn)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(shí)間大于預(yù)定值時(shí)，按照隨機(jī)產(chǎn)生的工作信道切換序列重新進(jìn)行工作信道配置；否則延時(shí)后重新進(jìn)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(guò)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：F_x={f_x(1),f_x(2),f_x(3),…，f_x(p)}。此時(shí)，f_x(i)表示在種子數(shù)x產(chǎn)生的工作序列中第i個(gè)頻率的工作信道編號(hào)，p是該序列中信道的個(gè)數(shù)(p=11)。假設(shè)當(dāng)前工作信道編號(hào)為f_x(i)，則重新配置的工作信道編號(hào)為f_x(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(hào)。
　　工作信道編號(hào)由式(1)給定：
　　f_x(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(jī)過(guò)程。取模和加1的目的是保證產(chǎn)生的工作信道編號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)^[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(jìn)一步討論。

3 工程實(shí)現(xiàn)
　　為了研究自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制的性能，筆者對(duì)自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制工作于AP上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(jìn)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(tái)作為IEEE802.11b接入點(diǎn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此平臺(tái)核心MAC控制芯片為HFA3841，并通過(guò)寄存器讀寫(xiě)實(shí)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(shí)現(xiàn)PC對(duì)AP的模擬(注：Host-Based 模式為AP的一種編程實(shí)現(xiàn)。；采用D-Link公司PCI接口無(wú)線網(wǎng)卡(DWL-520)實(shí)現(xiàn)IEEE802.11b無(wú)線接口。運(yùn)行在PC上的操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，內(nèi)核版本為2.4.20。
　　筆者采用C語(yǔ)言編寫(xiě)了Host-based模式的AP程序，用于實(shí)現(xiàn)PC對(duì)AP功能的模擬，并嵌入了可配置的自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)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?rùn)C(jī)制功能的AP。只要經(jīng)過(guò)正確配置，其它具有IEEE802.11b無(wú)線網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)就可以通過(guò)此PC連接到有線局域網(wǎng)中。
4 測(cè)試環(huán)境" title="測(cè)試環(huán)境">測(cè)試環(huán)境和結(jié)果
　　為了模擬小區(qū)干擾和窄帶信號(hào)干擾，信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)：HP8648D)產(chǎn)生2.4GHz的功率可調(diào)的窄帶干擾信號(hào)，并通過(guò)同軸電纜連接一個(gè)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采用了最簡(jiǎn)單的IEEE802.11b基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用模式。測(cè)試環(huán)境如圖2所示。

　　設(shè)備1為工程實(shí)現(xiàn)中對(duì)AP模擬的PC；設(shè)備2為具有IEEE802.11 PCMCIA無(wú)線網(wǎng)卡(型號(hào)：)的PC；設(shè)備3為高性能服務(wù)器；設(shè)備4為信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)設(shè)備5(微帶天線)產(chǎn)生窄帶干擾信號(hào)。設(shè)備2通過(guò)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(chǎng)景。在這里，忽略無(wú)線傳播對(duì)TCP/IP協(xié)議影響。
　　經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查和測(cè)量，測(cè)試環(huán)境中不存在其它可能的干擾。由于無(wú)線信號(hào)傳播受環(huán)境和多徑效應(yīng)(快衰落)的影響，在整個(gè)測(cè)試中，設(shè)備5到設(shè)備1的視線距離造成時(shí)變信號(hào)的衰減。為減少實(shí)驗(yàn)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(guò)多次測(cè)量設(shè)備1的噪聲功率得到)作為固定信號(hào)衰減值。在此情況下，只調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出功率就可改變干擾信號(hào)的強(qiáng)度，并可預(yù)估計(jì)噪聲功率。
　　測(cè)試前還需要確定兩個(gè)重要參數(shù)：噪聲功率門限值和噪聲采集周期。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)在設(shè)備1上讀出的當(dāng)前信道信號(hào)質(zhì)量、當(dāng)前信道的信號(hào)功率及噪聲功率，發(fā)現(xiàn)：接收信號(hào)功率變化不顯著，為±2dB；噪聲功率變化顯著。當(dāng)噪聲功率達(dá)到-120dB時(shí)，設(shè)備2與設(shè)備1的連接受到很大影響，有時(shí)幾乎無(wú)法進(jìn)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(duì)干擾信號(hào)的反應(yīng)時(shí)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(zhǔn)確評(píng)估自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制對(duì)BSS小區(qū)抗干擾性能的改善，筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。場(chǎng)景一配置有自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制，場(chǎng)景二沒(méi)有配置自適應(yīng)頻率規(guī)劃?rùn)C(jī)制。兩個(gè)測(cè)試場(chǎng)景的測(cè)試步驟為：(1)按圖2設(shè)置測(cè)試環(huán)境并完成正確配置，設(shè)備2通過(guò)設(shè)備1連接至設(shè)備3；(2)開(kāi)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(wú)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(shí)，設(shè)置設(shè)備4輸出為開(kāi)啟狀態(tài)，記錄50s內(nèi)以5s為時(shí)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(chǎng)景進(jìn)行20次獨(dú)立測(cè)試，取每時(shí)間單位測(cè)試結(jié)果算術(shù)平均值作為各記錄時(shí)刻的數(shù)據(jù)速率，如圖3所示。