Wi-Fi認證中的干擾規避技術分析與測試

王 歡,方勇軍,閆富貴

(1.浙江大華技術股份有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江大華視覺物聯融合應用重點實驗室,浙江 杭州 310000)

0 引言

國內最新型號核準(SRRC)指導文件,工信部無〔2021〕129 號 《關于加強和規范2 400 MHz、5 100 MHz和5 800 MHz頻段無線電管理有關事宜的通知》對非跳頻無線電發射設備的干擾規避技術提出了要求,本文就采用當前主流干擾規避方案——“發射前偵聽”的技術原理進行分析,如圖1所示。詳解干擾規避技術實現的原理,結合相關標準實現干擾規避的測試驗證、問題分析與解決,為相關產品型號核準的認證測試提供指導。

圖1 非跳頻無線電發射設備干擾規避分類

1 干擾規避技術

無線電發射設備干擾規避技術是為提高區域內所有無線設備的總傳輸效率而開發的一種技術[1],通過限制設備的發射時間、發射功率以及根據數據類型優化信道競爭機制而形成。目前,較為常見的干擾規避技術分為2大類:一是基于幀的干擾規避技術;二是基于負載的干擾規避技術。以Wi-Fi技術為例,目前,所有Wi-Fi方案都內置了Wi-Fi干擾規避接口,均支持上述兩種干擾規避技術。

1.1 基于幀的干擾規避技術

基于幀的設備采用的是一種“先聽后說”信道接入機制來監測信道上是否有其他設備正在發射數據,即設備在發射前會先進行信道監測,當發射設備檢測到此時信道空閑時即可進行發送數據,若不空閑則需要進行下一個周期的等待,直到檢測到信道空閑為止。

以Wi-Fi技術為例,Wi-Fi設備的固定幀周期如圖2所示,包含3個部分:信道可用性檢測時間、信道占用時間和空閑時間,整個時間周期為1～10 ms,具體由設備制造商宣稱[2]。信道可用性檢測時間(Clear Channel Assessment,CCA):評估信道是否空閑所需的時間,不小于16 μs;信道占用時間(Channel Occupancy Time, COT ):設備在給定信道上進行數據傳輸的時間,在1～10 ms;信道空閑時間:設備在當前信道上的空閑時間,至少為信道占用時間的5%,其間可以發送短控制信令,控制信令的占空比應≤10%。

圖2 基于固定幀的發包時序

按照信道可用性檢測時間為16 μs,信道空閑時間為信道占用時間的5%來計算,那么整個幀周期為16 μs+COT+COT×5%,在1.066～10.516 ms。

設備在該信道占用期間可以多次傳輸,當傳輸間隙不大于16 μs時不需要進行信道評估。信道占用時間為1～10 ms,信道空閑評估時間不小于18 μs,空閑時間至少為信道占用時間的5%但不小于100 μs。

1.2 基于負載的干擾規避技術

和基于幀的干擾規避技術一樣采用的是基于“先聽后說”的信道接入機制,只是對“說”的內容進行了優先級的定義,并賦予不同競爭窗口(Contention Window,CW)[2]。

基于負載的設備應實現一種基于EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)機制的信道接入機制,EDCA是對基本DCF(Distributed Coordination Function)的擴展,通過采納帶優先級的QoS(Quality of Service)實現設備根據傳遞報文類型不同制定優先級,從而為其分配不同的等待時間,來實現有差別的數據傳輸服務。以Wi-Fi設備為例,該機制定義了4種接入類別:背景(AC_BK)、盡力而為(AC_BE)、視頻(AC_VI)、音頻(AC_VO),默認優先級從低到高,制造商可以個根據設備類型自行設定優先級順序,為Wi-Fi設備在不同業務場景提供不同的無線信道接入能力[3]。

DCF(Distributed Corrdination Function)是一種分布式的,基于信道競爭的信道接入技術。當一個站點需要發送數據時,首先要對當前信道進行一個16 μs的CCA(Clear Channel Assessment)偵聽,從而判斷當前信道是否空閑。若信道空閑,則站點認為其可以開始發送數據,否則需要進行下一個隨機等待(Backoff Time=Random [0,CW(k)]×a Slot Time)其中,CW(k)=min(2kCWmin,CMmax);a slot Time是單個時隙;k是回退級數,即當前傳輸失敗次數,若是首次嘗試傳輸,k取值為0,CW取CWmin,每次傳輸失敗,則k加1,CW增大一倍,直到k增加至最大值;期間如有一次傳輸成功,CW重置為CWmin。

如圖3所示,站點2發送數據時檢測到信道繁忙,在目的站發出ACK后,經過DIFS(分布式幀間間隙=SIFS(短幀間間隙,通常為16 μs)+2×a Slot Time)后,開始進行預先分配好的隨機等待,等待結束立即發送數據。

圖3 基于負載的發包時序

由此可見,基于負載的干擾規避技術會使站點的工作效率更高,這也是當前大多數設備采用的信道接入方案。

1.3 短控制信令

Wi-Fi信號按照幀的類別主要分為管理幀、控制幀和數據幀[3]。控制幀:協助發送數據幀的控制報文,RTS、CTS、ACK等;數據幀:用戶間的數據報文;管理幀:負責STA和AP之間的能力級的交互、認證、關聯等管理工作,包括信標幀、掃描幀、認證幀、關聯幀。短控制信令通常指控制幀和管理幀,在Wi-Fi干擾規避測試時,加入干擾信號后不允許除控制幀、管理幀之外的其他數據幀在此時發送,并要求在任意一個50 ms的觀測周期內,發射時間的比例不超過10%,即最大發射時間不大于5 ms。

2 干擾規避測試方法

2.1 測試環境搭建

本文以測試對象為Wi-Fi STA的設備為例進行搭建,測試方法參考EN 300 328 V2.2.2,環境搭建如圖4所示。綜測儀是陪測設備,主要功能是使被測物能夠以較高的占空比進行主動發包;干擾源1是干擾信號發生器,主要功能是產生20 MHz以上帶寬高斯白噪聲信號;干擾源2是無用信號發生器,主要功能是產生單載波信號;頻譜儀是信號分析儀,主要用來監測被測物的狀態,比如被測物是否在連續的發包、受到干擾后是否停止發包或者僅剩下短控制信令信號等。

圖4 干擾規避測試環境搭建

2.2 測試步驟

(1)保持干擾源1、干擾源2關閉,綜測儀與被測物建立連接,調節衰減器,使UUT端接收到的信號強度在-50 dBm左右,Iperf最好保持50%以上的流量。

(2)打開干擾源1(信號頻率:被測信道頻點;帶寬:20 MHz;Level:-70 dBm/MHz++ 10×log10 (100 mW/Pout) (Poutin mW e.i.r.p.)),比如Pout是20 dBm,調整信號源的功率,使頻譜儀監測到的AWGN信號為-70 dBm/MHz。

(3)在頻譜以上觀察:①停止發射,如圖5所示;②僅剩余部分短控制信令信號,且占空比在10%內(任意50 ms的觀測時間內),以上觀測結果測試通過,如圖6所示;否則不通過(如沒有停止發射或者短控制信號占空比大于10%等)。

圖5 設備停止發射,無短控制信令信號發出

圖6 設備停止發射,有短控制信令信號發出

(4)保持干擾源1不變,打開干擾源2(頻率:2 395 MHz、2 488.5 MHz,Level:-35 dBm);說明:測試高信道時(工作信道位于2 442～2 483.5 MHz),CW的頻率為2 39 5 MHz;測試低信道時(工作信道位于2 400～2 442 MHz),CW的頻率為2 488.5 MHz;Level的調整也可以在測試前調整好。

(5)在頻譜儀上觀察:①只要存在干擾信號、CW信號,不會恢復數據傳輸,觀測時間至少60 s;②存在干擾信號、CW信號期間,允許段控制信號的存在和發射,發射滿足占空比不大于10%的要求。

(6)關閉干擾源1、干擾源2,設備會立即恢復數據傳輸。

3 測試結論與問題分析

3.1 測試結論

從頻譜上看到的情況如圖5—6所示,表示測試通過,如果不滿足圖5—6兩種情況,則測試失敗。

3.2 問題分析

(1)按照標準要求的干擾信號強度,設備沒有停止數據發送;通過增加干擾信號強度,在頻譜上監測到被測物不再進行發送數據,如圖7所示。

圖7 增加干擾信號強度,設備停止發射

原因分析:增大干擾,被測物會停止發送數據,說明被測物干擾規避相關的檢測閾值設置過高。

(2)在(1)的基礎上增大干擾信號強度,設備依舊沒有停止發送數據。

原因分析:增大干擾,被測物未停止發送數據,說明被測物干擾規避功能沒打開。

以RTLTEK平臺的一款WiFi產品為例,通過以下兩條指令的配置來打開設備的自適應功能,CONFIG_RTW_ADAPTIVITY_EN=1;ADAPTIVITY_MODE=normal。

通過調整“th_l2h_ini th_edcca_hl_diff 0xf5”命令中的參數“0xf5”來改變設備的干擾規避檢測閾值,太高干擾規避測試失敗,太低無法競爭信道成功,所以需要經過多次測試來找到合適的參數,以達到較好的傳輸效果。