基于DAFR的共存無線網(wǎng)絡(luò)自靜態(tài)干擾緩解方案

鄧衛(wèi)民

(揚州職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇揚州 225009)

工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段中存在著多個網(wǎng)絡(luò)同時運行的現(xiàn)象，因此造成了不同網(wǎng)絡(luò)之間的互相干擾，如無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍牙、個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)、無線電話等［1］。在這些現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，藍牙是一個低成本、低能耗且結(jié)構(gòu)簡單的標(biāo)準(zhǔn)，因此具有很大的應(yīng)用前景，而WLAN(IEEE 802.11)采用更高覆蓋區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，目前幾乎每臺筆記本和其他許多設(shè)備都預(yù)裝了WiFi網(wǎng)卡［2］。未來同時部署WiFi和藍牙網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備會越來越多，這就引起研究人員對WiFi和藍牙網(wǎng)絡(luò)共存問題的巨大關(guān)注。

藍牙跳頻網(wǎng)絡(luò)和WLAN共存時會產(chǎn)生大量干擾，主要為靜態(tài)干擾和自干擾［3］。目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對ISM頻段中各種網(wǎng)絡(luò)的無干擾共存進行了研究，并提出了解決方案。文獻［4］給出了多個藍牙網(wǎng)絡(luò)共存時數(shù)據(jù)包誤差率的上下界，并提出干擾會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量下降的觀點，有效吞吐量是一個表示成功傳輸?shù)牧炕笜?biāo)。文獻［5］提出一種避免自干擾的新技術(shù)，稱為自適應(yīng)頻率滾動(AFR)。在AFR中，特定時間間隔內(nèi)的共存微微網(wǎng)在一個小頻率集上跳頻，而不像自適應(yīng)跳頻(AFH)使用整個頻率范圍。文獻［5］用“跳頻集”來表示這些小范圍頻率集，通過分配不重疊跳頻集給共存微微網(wǎng)來避免自干擾，當(dāng)兩個微微網(wǎng)頻率重疊時會自動跳到另一個隨機信道。文獻［6］提出自適應(yīng)頻率滾動與探針(AFR－P)機制來避免靜態(tài)干擾，在AFR－P中，微微網(wǎng)在整個頻率范圍上跳頻，基于它們的傳輸經(jīng)歷將各頻率標(biāo)記為“好”和“壞”，消除因靜態(tài)干擾源而重疊的信道不僅耗時而且會造成有效吞吐量的降低，因為共存微微網(wǎng)在探測狀態(tài)會遭遇自干擾［6］。文獻［7］提出一種動態(tài)自適應(yīng)跳頻(DAFH)技術(shù)，在這種技術(shù)中，當(dāng)有微微網(wǎng)遭遇干擾并存在不成功傳輸經(jīng)歷時，將其頻率拆分來重新調(diào)整其信道利用率，由于每次拆分之后信道的數(shù)目會減半，所以這種技術(shù)可能會違反FCC對ISM頻段跳頻制定的規(guī)則［1］。AFR是藍牙跳頻網(wǎng)絡(luò)中最智能的干擾抑制技術(shù)之一，但它存在兩個問題:1)當(dāng)微微網(wǎng)數(shù)目較多時，頻率分集會顯著降低，頻率分集是選擇兩個連續(xù)信道之間頻率偏移的度量;2)在WLAN存在的情況下，微微網(wǎng)有效吞吐量會降低，因為AFR－P在避免靜態(tài)干擾上利用了大量的吞吐量，而且AFR－P要求遍歷所有信道，因此之間又會產(chǎn)生自干擾［8］。

基于上述分析，本文提出一種多元化自適應(yīng)頻率滾動(Diversified Adaptive Frequency Rolling，DAFR)技術(shù)，該技術(shù)有如下貢獻:1)維持顯著頻率分集(不考慮共存微微網(wǎng)的數(shù)目)，避免頻率選擇性衰落;2)緩解自干擾;3)在不降低網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量和不增加額外傳輸消耗的前提下，分類信道的“好”和“壞”。本文提出的方法利用非重疊跳頻集技術(shù)，很好地避免了網(wǎng)絡(luò)共存中的自干擾和靜態(tài)干擾。

1 DAFR整體結(jié)構(gòu)

圖1所示為DAFR整體框圖，信道選擇器模塊根據(jù)其他模塊的輸入信息為數(shù)據(jù)傳輸選擇下一個跳頻頻率。自干擾監(jiān)測模塊通過監(jiān)聽自干擾引起的不成功傳輸，保持對目前跳頻集中PER的跟蹤。當(dāng)PER超過預(yù)定義閾值時，自干擾監(jiān)測器將會發(fā)送信息給信道選擇模塊，使其執(zhí)行信道“跳”動作，找到新的非重疊跳頻集。如果這個閾值太低，微微網(wǎng)甚至?xí)驗樾诺涝肼暥?jīng)歷頻率隨機跳;而如果閾值太高，微微網(wǎng)在跳之前會有較多的數(shù)據(jù)包丟失。本文在仿真實驗中，選擇了一個閾值，如果PER超過1%，微微網(wǎng)進入跳狀態(tài)，轉(zhuǎn)移到某個新的跳頻集。

圖1 DAFR結(jié)構(gòu)框圖

避免靜態(tài)干擾模塊的任務(wù)是依據(jù)受WLAN干擾的反饋信息，標(biāo)記跳頻集中信道的“好”和“壞”，數(shù)據(jù)傳輸模塊在分配的頻率信道上傳輸數(shù)據(jù)。

2 DAFR詳細(xì)設(shè)計

2.1 跳頻集設(shè)計

跳頻集由特定微微網(wǎng)在指定時間間隔內(nèi)使用的頻率信道組成，跳頻集設(shè)計是整個系統(tǒng)中最重要的，因為它決定著兩個相鄰跳頻之間的頻率偏移［9－10］。在DAFR中，共存微微網(wǎng)使用非重疊跳頻集，如果nt是微微網(wǎng)的總數(shù)目，任意跳頻集信道數(shù)目H的最大值為

根據(jù)式(1)，所有跳頻集將包含至少H個信道，存在nt個非重疊跳頻集。為了維持高頻率分集，即使微微網(wǎng)數(shù)目nt很高，在DAFR中，跳頻集中任意兩個信道之間的頻率偏移總是維持在某個值，即

選擇適當(dāng)?shù)摩，以便跳頻集中的信道很好地分散于整個頻率范圍內(nèi)。假設(shè)fs是微微網(wǎng)選擇的起始頻率，在對應(yīng)跳頻集中應(yīng)用式(3)和式(4)可獲得信道Cfs，即

不重疊跳頻集的數(shù)目nh為

式中:nh和式(2)中的Δf相等。共存微微網(wǎng)的最大數(shù)目nt不能超過非重疊跳頻集的數(shù)目nh，這樣可以避免自干擾。對于給定的起始頻率fs、H和M的值，則對應(yīng)存在一個唯一跳頻集。

2.2 跳頻集內(nèi)的頻率分集

頻率分集Df的量化公式為

式中:ch(i)是第i跳時微微網(wǎng)采用的信道;ch(i+1)是第(i+1)跳時微微網(wǎng)采用的信道;N是考慮的跳頻次數(shù)。為了加入隨機性影響，N的值應(yīng)該保持足夠大。

2.3 滾動間隔

根據(jù)FCC規(guī)定，如果nt≤5，則不需要滾動，因為非重疊跳頻集大于5。本文中的滾動間隔是在假設(shè)共存信道的數(shù)目總是大于5的情況下設(shè)計的。

圖2解釋了一般情況下的頻率滾動現(xiàn)象。假設(shè)微微網(wǎng)π1起跳，跳頻集大小H=3且起始頻率fs=1。在跳頻集內(nèi)信道選擇總是偽隨機的，微微網(wǎng)在滾動間隔之后，會滾動到下一個跳頻集，為了在下一個跳頻集中找到信道，計算新的起始頻率為

只要已知fsnext和H，就可以通過2.1節(jié)給出的方法確定跳頻集。圖2中，第2個跳頻集H2的起始頻率fs=27或26+1，其中26是頻率偏移的值。

圖2 DAFR中的頻率滾動

2.4 避免跳頻集之間的重疊

圖3給出了共享重疊跳頻集的兩個微微網(wǎng)π1和π2可能存在的兩種重疊情況，其中跳頻集大小H=5。圖3a中，微微網(wǎng)π1和π2完全重疊，這是最差的情況。為了避免重疊，任意微微網(wǎng)需要跳轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)移它的起始頻率，至少向前或向后轉(zhuǎn)移5個頻率間隙，與跳頻集大小H相等［11］。圖3b是重疊中最好的情況，微微網(wǎng)僅重疊了一個頻率間隙，只要微微網(wǎng)π2將起始頻率向前轉(zhuǎn)移一個頻率間隙或微微網(wǎng)π1將起始頻率向后轉(zhuǎn)移一個頻率間隙，就能避開重疊。為了確保避免跳頻集之間的重疊，需要為上述最差情況設(shè)計一個新的起始頻率，為了經(jīng)歷隨機跳轉(zhuǎn)，將Nj限制在兩個門限之間，即

式中:Nj的上限是為了在所有M個信道的起始頻率結(jié)束(ISM帶寬中79個信道)時避免重疊。一旦已知Nj，應(yīng)用式(10)加入“跳”的影響，最后在式(11)中進行“模”操作將起始頻率置于信道內(nèi)。

已知跳頻集大小H和頻率偏移Δf就能確定新起始頻率。運用2.1節(jié)的方法，就可以找出無重疊的新跳頻集。

2.5 避免藍牙和WLAN之間的干擾

圖3 共存微微網(wǎng)之間的重疊

由于DAFR中，信道良好分布于ISM頻段的整個范圍內(nèi)，所以靜態(tài)干擾源不會阻塞所有信道。如果在一個特定信道上，不成功傳輸經(jīng)歷超過了預(yù)定義閾值(由靜態(tài)干擾源引起的可處理PER值)，則將信道從跳頻集中移除，并將它標(biāo)記為“壞”信道。跳頻集維持不變，跳頻集內(nèi)的信道會用“好”和“壞”標(biāo)記，但是微微網(wǎng)會在小數(shù)量信道上跳頻，而不是在整個信道范圍內(nèi)(H?M有助于微微網(wǎng)迅速移除因靜態(tài)干擾源而重疊的“壞”信道)。不論跳頻集中信道的數(shù)目如何，跳頻速率基本保持不變，如果跳頻集中信道數(shù)目較少，則遍歷所有信道的時間跨度會很短，信道質(zhì)量分類也會在較短時間內(nèi)完成。相比于AFR，在DAFR中，不需要遍歷整個ISM頻段就能分出“好”和“壞”信道，這既避免了自干擾，又避免了微微網(wǎng)節(jié)點之間傳輸信息上的額外消耗，有助于維持有效吞吐量。

3 仿真實驗

3.1 仿真實驗內(nèi)容

本文搭建了一個基于MATLAB的仿真平臺，用來評估DAFR和先前提出的AFR和AFH技術(shù)的性能。為了加入動態(tài)影響，本文設(shè)定了一個熱點，微微網(wǎng)達到這個熱點并在停留特定時間之后離開。微微網(wǎng)的到達率遵循平均值為λ的泊松分布，每個微微網(wǎng)的停留時間是從均值為τav秒的指數(shù)分布中隨機抽取的值，并且確保微微網(wǎng)在熱點停留至少20 s。整個仿真中微微網(wǎng)的平均數(shù)目為

設(shè)置τav=60 s，不同的微微網(wǎng)平均數(shù)目設(shè)置不同的λ。為了加入靜態(tài)干擾源的影響，假設(shè)WLAN也到達熱點，停留一個指數(shù)分布的時間跨度之后離開，它的τav取值為300 s，WLAN在熱點的最小停留時間取60 s。為了便于在任意時刻限制WLAN的數(shù)目，設(shè)置WLAN到達率比微微網(wǎng)低很多。使用式(12)能得到WLAN的平均數(shù)目，為了在最差情況下評價提出方案的性能，假設(shè)WLAN在熱點停留的時間內(nèi)一直傳輸數(shù)據(jù)［12］。

仿真設(shè)置中，由于微微網(wǎng)是偽隨機選擇信道，為了避免隨機性的影響，實驗中將執(zhí)行10 000次仿真。

在仿真實驗的第一部分，研究了參數(shù)如跳頻集大小H、微微網(wǎng)平均數(shù)目Nav和WLAN數(shù)目變化對有效吞吐量的影響。仿真實驗的第二部分比較了AFR和DAFR的頻率分集性能。為了在信道選擇中加入隨機性影響，設(shè)定計算頻率分集時間超過20 s，即微微網(wǎng)在熱點的最小停留時間。

3.2 有效吞吐量性能比較

本節(jié)進行了各種微微網(wǎng)平均數(shù)目和跳頻集大小對有效吞吐量影響的仿真實驗。

圖4顯示了各種微微網(wǎng)數(shù)目(Nav)和各種跳頻集大小(H)在一個WLAN下的仿真結(jié)果。可以看出，對于任意H值，DAFR的有效吞吐量都遠(yuǎn)好于AFR，AFR中的有效吞吐量較差是因為微微網(wǎng)為避免靜態(tài)干擾源而進入到“探測”狀態(tài)，當(dāng)微微網(wǎng)返回到正常狀態(tài)時，它需要消耗一些時間來尋找非重疊跳頻集［13］。而在DAFR的情況下，不需要額外消耗，僅通過給定跳頻集中的傳輸經(jīng)歷來分類信道的“好”和“壞”。圖4還表明如果H增加，有效吞吐量會減小，這是因為H增加，微微網(wǎng)找到非重疊跳頻集的可能性將變小。如果微微網(wǎng)數(shù)目增加，有效吞吐量也會因H較大而迅速下降。

圖4 存在WLAN時有效吞吐量隨著微微網(wǎng)數(shù)目Nav變化的影響

為了進一步闡述有效吞吐量和H之間的關(guān)系，圖5給出了在各種Nav值下改變H值的仿真結(jié)果。結(jié)果表明如果H增加，有效吞吐量會降低，因為共存微微網(wǎng)不能定位非重疊跳頻集，如果Nav增加，跳頻集之間重疊的概率會增加，就會引起有效吞吐量的下降。

圖6顯示了存在和不存在WLAN情況下自適應(yīng)跳頻(AFH)和DAFR之間的性能比較，跳頻集大小為H=5(選擇這個數(shù)目是因為H≤6不需要頻率滾動)。AFH的性能隨著微微網(wǎng)數(shù)目的增加而急速下降，因為沒有避免自干擾的機制［14］。不管有沒有WLAN，DAFR的性能都比AFH好，因為本文提出的DAFR通過選擇非重疊跳頻集而避免了自干擾。

圖5 存在WLAN時有效吞吐量隨著H變化的影響

圖6 存在和不存在WLAN干擾下DAFR與AFH的比較

3.3 頻率分集性能比較

圖7顯示了AFR和DAFR之間頻率分集性能的對比。使用式(6)給出的表達式計算頻率分集，持續(xù)運行仿真20 s，即微微網(wǎng)在熱點的停留時間，這樣做的目的是最小化信道隨機選擇中帶來的誤差。可以看出，在頻率分集方面DAFR優(yōu)于AFR。在AFR中，當(dāng)H值較低時，頻率分集就會降低，這是AFR的一個主要缺點［15］。在DAFR中，頻率分集幾乎不會受到跳頻集大小的影響，因為給定跳頻集中任意兩個信道之間總會有明顯的頻率偏移。本文提出的方法獲得了較高頻率分集，有助于提高網(wǎng)絡(luò)對干擾的免疫力。

圖7 頻率分集隨跳頻集大小H的變化

4 結(jié)束語

本文提出一種多元化自適應(yīng)頻率滾動(DAFR)技術(shù)，通過跳頻集設(shè)計減輕了多種網(wǎng)絡(luò)間自干擾，改善了跳頻分集并消除了頻率重疊。DAFR通過僅探測部分信道“好”和“壞”來避免靜態(tài)干擾，最大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的浪費。仿真研究證明，在靜態(tài)干擾源存在的情況下，DAFR相比于AFR和AFH有效節(jié)約了吞吐量，并改善了頻率分集。

未來，將繼續(xù)研究DAFR技術(shù)，并將其部署在各種類型的跳頻網(wǎng)絡(luò)中，進一步緩解網(wǎng)絡(luò)的自干擾和靜態(tài)干擾，從而更好地實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的共存。

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