（电路与系统专业论文）ISM频段上无线系统干扰分析模型和共存问题的研究.pdf

北京邮 电大学博 士论文 摘要 无线频率是一种非常珍贵的、不可替代的资源， 频谱共享是 i s m ( i n d u s t r i a l , s c i e n c e a n d m e d i c a l )频段的本质特性;加上人们对性价比 孜孜不倦的追求，使得愈来愈多的无线 技术将目 光投向于 此， 特别是目 前唯一的 基于 世界范围通用和开放的2 .4 g h z i s m频段，于 是同一频段上大量彼此各异且互不协调的干扰信号如何共存，成为一个急待解决的问题。 本论文的主要贡献是: 1 .在剖析干 扰产生原因的基础上， 针对 i s m频段上采用随机接入方式的分组网络， 提出了一个综合干扰分析模型，包含了来白无线传播、调制、ma c ( me d i u m a c c e s s c o n t r o l )层及网络的各项基本干扰因素:基于信干比阀值，引入有效干扰 面积的概念，进而确定了干扰源的数日，并利用统计分析方法，得到在多个干扰 源包围f ，无线网络传输过程中.以 上述参数为自 变量的分组错误概率 p e c ( p r o b a b i l i ty o f p a c k e t e r r o r ) 的闭 合解析式. 2 . 并非所有的参数在决定函 数值 p e c 时都同样重要，因 此本论文仿照模式识别特征 选抒过程中的 特征排序方式，提出了一种将各项参数依据影响分组错误概率的程 度不同进行排序的方法。该方法在后面的应用中证明是非常有效的。 3 . 结合对抗干扰的扩频调制技术，将综合干扰分析模型具体应用到分析和解决 2 .4 g h z i s m频段上的一对突出矛盾， 即跳频与直接序列扩频的干扰问 题。以 蓝牙 和i e e e 8 0 2 . 1 1 b wl a n间的干扰为例，采用更加 接近实际 使用环境的 干扰拓扑结 构.从多个方面补充了 前人所做的一 作， 例如分析了一个蓝牙微型网 ( p i c o n e t ) 在内部 ( 来自 其它蓝牙微型网)和外部 ( 一个 i e e e 8 0 2 . 1 1 6 wl a n)干扰共同影 响 f 的联 合分 组错误概率p e p ( j o i n t p r o b a b i l it y o f p a c k e t e r r o r ). 并对三种干扰拓 扑结构下， 部分参数对分组错误概率的影响程度进行了排序，通过仿真分析结果 验证了排序的有效性.为共存技术的提出奠定了基础。 4 .在对比了 信号处理抗干扰技术与非信号处理共存技术之后，分析了非 信号处理共 存机制中， 协作与非协作方式的本质区别。提出了 通过非信号处理方式解决跳频 ( f h ) 与直接序列 ( d s )扩 频系统间干扰的最佳途径. 5 .针对蓝牙和 i e e e 8 0 2 . 1 1 b wl a n间的干 扰，提出了将蓝牙白 适应跳频与 i e e e 8 0 2 . 1 1白 适应分割相结合的共存机制。针对前者提出了白 适应跳频序列产生的简 单 模式m o d e s ( s i m p l e m o d e ) 和复 合 模式m o d e i ( i n t e g r a t e d mo d e ) : m o d e s 只利用到跳频信道中基本不受干扰影响的 “ 好”信道，而 mo d e i考虑到不同业务 北京邮电大学博十论文 对信道质量的要求不同，配台蓝牙分组类型的白 透应选择对部分受干扰影响的 “ 坏” 信 道 加以 合 理 应 用。 两 种 模 式 随 机 映 射 ( r a n d o m m a p p i n g ) 部 分的 具 体 实 现电路可以 统一， 并通过ma t l a b 搭建的仿真平台 验证了 这两种模式 对抗干 扰的 有效 性。 针 对后 者 提出了 将 r t s t c t s 握 手机 制 ( r e q u e s t t o s e n d /c l e a r t o s e n d h a n d s h a k in g m e c h a n i s m )与补偿分割算法相 结合的自 适应分割方式，其中 r t s / c t s握手机制可帮助区分是载波侦听多址接入 ( c s m a )冲突还是千扰造成 的传输失 败， 有助于自 适应分割方式的实施， 并通过o p n e t搭建的仿真 平台 验证 了自适应分割方式对抗干扰的有效性. 作为wp a n和 wl a 的主流技 术， 对蓝牙和 i e e e 8 0 2 .1 2 6 之间的干 扰分析及共存机 制的探讨， 仅仅是拉开了 研究各种无线技术标准之间 共存问题及共存技术的序幕。本论文 在最后提出，如何让各项技术在充分发挥特长 的同时，又能彼此间和平共处，甚至相互融 合， 是开发多频带、多模式及多标准无线技术必须面临的一 个里要课题和挑战。 关键词:无线系统干 扰分析共存机制 北京邮电 人学博十论文 a b s t r a c t wi re l e s s f re q u e n c y i s a k i n d o f r a r e a n d u n r e p l a c e m e n te d re s o u r c e , s h a r i n g o # s p e c t r u m is t h e i n t e rn a l p r o p e r ty in i s m b a n d , i n a d d i ti o n , p e o p l e i s a l w a y s k e e p 吨 o n p u r s u i n g t h e p r i c e - p e r f o r m a n c e r a d i o . s o m o r e a n d m o re w i n l e s s t e c h n o l o g i e s ta r g e t a t t h e s e b a n d s , e s p e c i a l l y , u p t o n o w , 叔 o n ly o n e 卯e n a n d w o r l d - w 记 。 u s e d b a n d -2 .4 g h z 巧 mb a n d丁 h e n , h o s e t o c o e x 该i n a b a n d 喇小n u m e r o u s , d i s p a r a t e a n d u n c o o r d in a t e d i n te r f e r e n c e is 叔 p r e s s in g p r o b l e m勿加s o lv e d . t h e m a i n c o n tr i b u t i o n s o f t h is d i s s e r t a t i o n in c l u d e : b a s e d o n a n a l y s is o f h o w i n t e r f e re n c e c o m i n g i n t o b e i n g , to w a r d t h e p a c k e t n e t w o r k s u s i n g r a n d o m a c c e s s i n g s c h e m e in 玲 mb a n d ， a n i n te g r a g e d i n t e r f e r e n c e a n a l y s i s m o d e l i s d e r iv e d i n c l u d i n g t h e s e b a s i c i n t e r f e r i n g f a c t o r s fr o m r a d io p r o p a g a t i o n , m o d u la t i o n , m a c la y e r a n d n e t w o r k ; b a s e d o n s ig n a l - i n t e r fe r e n c e r a t i o th r e s h o l d , t h e c o n c e p t o f e f f e c t i v e i n t e r f e re n c e a r e a i s i n t r o d u c e d , th e n u m b e r o f i n t e r f e re t s i s d e r i v e d , a n d u s i n g s t a t is t i c a n a ly s is m e t h o d , t h e . c l o s e d - f o r m s o l u t i o n f o r th e p r o b a b i li t y o f p a c k e t e r r o r ( p e c ) i n t e r m s o f t h e s e p a r a m e t e r s i s a l s o d e r i v e d d u r in g w i re l e s s n e t w o r k t r a n s m i s s i o n u n d e r m u l t i p l e i n t e r f e r e r s s u r r o u n d i n g n o t a l l t h e p a r a m e t e r s 。 e q u a ll y i m p o r t a n t i n d e t e r m i n in g p e c , s o f o l l o w in g t h e f e a t u r e o r d e r i n g m e t h o d t o s e l e c t f e a t u r e s d u r i n g p a t t e r n r e c o g n i ti o n , w e p r e s e n t a n a p p r o a c h t o m e a s u re th e a b o v e p a r a m e t e r s a c c o r d i n g t o t h e d e p e n d e n c y o f p e c o n t h e m . t h e m e t h o d i s c o n f i r m e d l a t e r 妙s im u l a t i n g r e s u l ts . c o m b in e d w i t h触 即r e a d s p e c t r u m m o d u la t io n协c o m b a t 功 t e r f e re n c e , 触 玩 te g r a t e d i n t e r f e r e n c e a n a 妙 s i s m o d e l is w e l l u s e d t o a n a l y z e a n d s o lv e a p r o m i n e n t c o n f l i c t i n 2 .4 g h z i s m b a 呱 i , e . t h e i n te r f e r e n c e b e tw e e n f r e q u e n c y h o p p i n g ( p h ) a n d d i r e c t s e q u e n c e 但斗 c o m m u n i c a t i o n s y s te m s , s u c h a s b l u e t o o th a n d i e e e 8 0 2 .1 比 t h e in t e r f e ri n g t o p o lo g y a r c h i t e c tu re a p p r o x i m a t i n g仍p r a c t ic a l u s a g e e n v i r o n m e n t 论a d o p t e d , m o re c o n t e n t s a r e s u p p l e m e n t e d t o e a r l i e r r e s e a r c h w o r k , f o r e x a m p l e , t h e j o i n t p r o b a b il i t y o f p a c k e t e r r o r ( p e p ) i n a b l u e t o o t h p i c o n e t i s a n a l y z e d a n d d e r i v e d u n d e r t h e c o l l e c t iv e i n t e r f e r in g i n fl u e n c e s f r o m b o t h i n t e r n a l s y s t e m ( o t h e r b l u e t o o th p ic o n e t s ) a n d e x t e r n a l s y s t e m ( a n i e e e 8 0 2 . 1 1 b w l a n ) . 丸俪 s a m e t i m e , s o m e p a r a m e t e r s a r e m e a s u r e d a c c o r d i n g t o 触 山 p e n d e n c y 成 p ; 门o n th e m , 耽 e f f i c i e n c y o f t h e m e a s u r e m e n t i s c o n f i r m e d 奸s im u l a t i n g r e s u l t s , 叔 o r d e r m e t h o d b e c o m e s th e b a s i s o f c o e x i s t e n c e t e c h n o l o g y 人 f fe r c o m p a r i n g t h e s i g n a l p r o c e s s in g b a s e d i n t e r f e r e n c e r e j e c t i o n t e c h n o l o g i e s t o t h e n o n - s i g n a l p r o c e s s i n g b a s e d c o e x i s t e n c e m e c h a n i s m , w e p r o p o s e th e o p t i m a l . a p p r o a c h t h r o u g h n o n - s i g n a l p r o c e s s i n g t o s o l v e t h e i n te r f e r e n c e p r o b l e m f a c i n g t o l 只 a n d d s s y s t e m s 北京邮电人学博士论文 t h e c o e x i s t e n c e m e c h a n i s m c o m b in i n g b l u e t o o t h a d a p t i v e f r e q u e n c y h o p p i n g w i t h 8 0 2 . 1 1 a d a p t i v e f r a g m e n t a t io n i s p r o v i d e d f o r t h e i n t e r f e r e n c e b e t w e e n b l u e t o o t h a n d i e e e 8 0 2 . 1 1 b wl a n. t o w a r d th e f o r m e r , th e s i m p le m o d e ( mo d e s ) a n d th e i n t e g r a t e d m o d e ( mo d e i ) a r e p r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y : mo d e s o n l y u s e s t h e g o o d c h a n n e l s u n i n fl u e n c e d b y i n t e r f e r e n c e , w h i l e m o d e i c a n u s e p a rt o f b a d c h a n n e l s i n fl u e n c e d 妙i n t e r f e r e n c e w o r k i n g w i t h a d a p t i v e s e l e c t i o n o f b l u e t o o t h p a c k e t t y p e s , d u e t o d i f f e r e n t r e q u i r e m e n t s o f d i f e r e mt s e r v ic e s . t h e r a n d o m m a p p i n g s e c t i o n o f t h e t w o m o d e s c a n b e th e s a m e im p le m e n t c i r c u i t , a n d t h e e f f i c i e n c y o f t h e t w o m o d e s i s p r o v e d t h r o u g h m a t l a b s i m u la ti o n p l a t f o r m ; to w a r d t h e l a t t e r , t h e a d a p t iv e m e t h o d c o m b i n i n g r t s / c t s h a n d s h a k i n g m e c h a n i s m w it h b a c k - o f f fr a g m e n t a lg o r i t h m i s p r e s e n t e d , w h e r e r t s / c t s h a n d s h a k i n g m e c h a n i s m c a n d i f f e r e n t i a t e t h e t r a n s m i s s i o n f a i l u r e c a u s e d b y c s ma / c a c o l l is i o n o r i n t e r f e r e n c e , t h e n a s s i s t t o im p l e m e n t a d a p t iv e f r a g m e n t a t io n m e t h o d , a n d t h e c o m b a t i n g i n t e r f e r e n c e e f f i c i e n c y o f th e mo t h o d i s p r o v e d t h r o u g h t h e o p n e t s i m u l a t io n p la t f o r m. a s t h e m a i n s t r e a m o f wp a n a n d wl a n , t h e i n te r f e r in g a n a l y s i s a n d c o e x is t e n c e d i s c u s s i o n b e t w e e n b l u e to o t h a n d i e e e 8 0 2 . 1 1 b a r e j u s t t h e p r e l u d e t o r e s e a r c h o n c o e x i s t e n c e p r o b le m s a n d t e c h n o l o g ie s a l o n g w it h a l l k in d s o f w i r e le s s te c h n o l o g y s ta n d a r d s . a t t h e e n d o f th e p a p e r , w e p o i n t o u t t h a t h o w t o u t il i z e a l l o f t h e te c h n o l o g o ie s w e l l , a t t h e s a m e t i m e , c o e x i s t p e a c e fu l l y a n d e v e n in t e g r a t e t o g e t h e r is a n i m p o r t a n t s u b j e c t a n d c h a ll e n g e t o d e v e l o p m u t l i- b a n d , m u l t i - m o d e a n d mu l t i- s t a n d a r d wir e l e s s t e c h n o l o g y . k e y w o r d : w i r e l e s s s y s t e m in t e r f e r e n c e a n a l y s i s c o e x i s t e n c e me c h a n is m 北京邮电大学博士论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 背景 电路制作_ s ; 艺、集 成度以 及小 ra 化技术领域的发 展使移动无线设各更加小巧、 便携、 可靠且持续_ l 作时间更长。多 模式芯 片组、 c p u内 置无线通信功能使消费 类电子产品在 功 能的多样性上如虎添翼通信和计 算的结合更加紧密，而通信和计算设备间的界限姗更 加 模糊。 用户的个性化需求和移动终端的多 样性带动了 无线业务的拓展。从单纯的语 音业务到 无线数据业务， 直至全方位支持包 括动态图像传输在内的多媒体业务，从最初的网页浏览 和i c q 到 适 应 用户 需 求 的 基于 位 置 信 息的 内 容 服务 和路 上 服务 。 在 用 户 需 求 和 业 务 拓 展 的 刺 激 f ， 新 的 无 线 技 术 应 运 而 生， 被 不 断 地开 发 及 利 用 d ad 6 1 例如， 可以实现便携电子设各与外设 及其周边设备间的近m离无线连接、资 源共享的无线 个人局域网 wp a n ( w i r e le s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 16 1 技术，其中最引人瞩日 的是蓝牙 ( b l u e t o o th ) 1 x 1 . 即一种新的短距离无线通 信技术标准，为各种无线设 备间的相互连接提供 了一个通用的空中接口:还有可以帮 助移动设备携带者通过分布在机场、 饭店等“ 热点” 地区的接入点 幼 ( a c c e s s p o in t )，随时获取个人资源及公司数据库信息的无线局域网 w l a n ( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) la l技 术， 它能 够 提 供与 有 线以 太网 相 差 无 几 的 传 输 速 率，但组网更灵活、更方便，已成为企业无线解决 方案的震要组成部分， 交通、服务和餐 饮业提升服务水准，吸引客源的卖点. 1 .1 . 1共存问题的提出 包括 i e e e 8 0 2 . 1 1 和 b l u e t o o t h 在内的许多 无线技术选择了 无需执照的 频段1 三 作，即 i s m 频段 ， 土 要 是 出 于 如下 考 虑 1 9 1 , - i s m 频段无需执照，可以白由 便用扩只要工作在此频段的设备能够遵照相关的频 谱使用管理机构在发射功率、 天线增益和扩谱方式等方面的规定，就可共享 m谱 资源: 能够提供较宽的带宽。 美国联邦通信委员 会 ( f c c ) 划分的儿个 i s m数段范围包 括:9 0 0 mh z i s m频段 ( 9 0 2 mhz -9 2 8 mhz )提供 2 6 mh z 带宽，2 . 4 g h z i s m频段 ( 2 . 4 0 0 0 g h z 一2 .4 8 3 5 g h z )提供 7 9 m h z可用带宽，而 5 . 8 g h z i s m 额段 北京 1 8 11 l l 人 学博i s 论文第一章 绪论 ( 5 . 7 2 5 g h z - 5 .8 7 5 g h z )则提供 1 2 5 m h z 的可用带宽。 从而可以 提供较高速率的 数据传输，例如 i e e e 8 0 2 . 1 1 b最高速率 i l m b p s . i e e e 8 0 2 . 1 1 a 最高速率 5 4 mb p s 。不同国家和地区划分i s m频段的范围 存在差异。 2 .4 g h z i s m频段是目 前唯一的基于 世界范围通用和开放的频段， 在大多 数国家其 频段范围是 2 4 0 0 m h z 一一 2 4 8 3 .5 m h z . 在西斑牙、以色列和沙特阿拉伯的具体频 谱范围有少许 不同; 这样可以 减少用户在跨区域使用时的 不便。 由于无需频谱中 请， 可以 加快产品的上市速度; 相对于建设移动电 话网 络所需要的 庞大开支 ( 包括购买频谱的费用、 ; ， ， 地和基站 建设费用等)， 在 i s m频段 ! ; 作的无线技术 可以方便快捷地在各种公 共场合、 校 园和企业内部提供无线数据接入和语音服务的网络，以及各种临时组建的白 组网 ( ad ho e ne t wo r k )。 无线频率是一种非常珍贵的、不可替代的资 源，而且随着社会经济的发展，这种无线 频率资源将变得愈加珍贵。 在为新业务和新标准选择何种通信技术时，上述这些优势会成 为一个主要考虑的因素。因 此共享带宽成为 基本前 提，特别是属于世界范围通用和开放的 频段，即 2 .4 g h z i s m频段， 存在大擞来自 不同系统的各种信号， 例如微波炉、射频识别 r f id ( r f i d e n f ic a t i o n )、无绳电话 ( c o r d l e s s p h o n e )、wl a n ( i e e e 8 0 2 . 1 i b / g )和 w p a n ( b l u e t o o th / z i g b e e / w i m e d ia ) ， 等 等 。 同 时由 于 其 中的 无 线传 输系 统 存在 以f 特 点 工 1付 1 1 1 ) . 时变传播特性; 因 无法 界 定 网 络 边 界 导 致 网 络 覆 盖 区 域 的 重 叠 ( o v e r l a p ) ; 容易受到外界信号的佼扰; 具有动态拓扑结构: 通常采用容易实现的随 机接入协议 ( r a n d o m a c c e s s p r o t o c o l )，以分 组形式传 输。 对无线通信的研究就提出了更高的要求和挑战 川 ， 即: 在带宽和功率受限的前提下. 如何优化系统的输出，即吞吐量 ( t h ro u g h p u t ): 同一频段上大鳅彼此各异且互不协调 的干扰信号如何共存 ( c o e x i s t e n c e ) 。 这 两 个问 题相 辅 相 成 ， 本 论 文 侧 重 于 对 共 存 问 题 和共 存 技 术 的 研 究。 .2 共存问 题的 研究手段及解决途径 共存问 题的 研究手 段有三 种;理 论分析、 实验测试和仿真研究。 ( d 理论分析: 理论 分析为研究干扰的影响及系统性能的下降 提供了一种近似分析方法，为最终解决问题 提供 理论依据。 但是由于为了 简化分 析， 往往需要对网 络的拓扑结构、 业务的分布 及 m a c层的 北京邮电大学1 14七论文第一章 绪论 执行过程等做出 假设，结果离实际情r相差较大。更重要的是，为了使分析结果容易处 理， 都忽略了干扰是相互影响的过程，而假设千扰方能够不受影响的连续发送数据。实际 情况是，由于千抚的影响，不管是信号源还是干扰源 in发送速率都会放缓。 ( 劲 实验9 试;与理论分析的一般性相对的是实验m试的 特殊性，测试结果可以比 较准确爵反峡出实 际情况，但毕竞与当时的测试环境、测试手段等具体测试条件有很大的关联，是 一个在一 定测试场合下的特定结果。 ( 3 ) 仿真研究: 实际上是将模型和仿真工具相结合，这种方式 提供了更灵活的分析平台，其结果的 准确 性有赖于所 采用的模 型， 对信道、p h y层和 m a c 层描述得越细致。 对仿真 工具和仿真设条的要求就越高a因 此， 在现已发表m有关 s s m频 段上wl a n和wp a n干扰和共存河 题的文章中， 多数是仿真研究的 结果， 但其仿 爽的拓扑 结构都相对简单，与理论分析相比，仿真研究可以 对一 段时间内非均衡业务的干扰情况 进 行 实 时 分 析， 而 由 理 论分 析 得 到的 结 yk 往 往 是 在分 析时 段内 的 平 均 值， 体 现不出 突发 千 抚 的影响. 解决共存闷 题的途经分为两条: ( 价 基于信 号处理的抗t 扰技术，在 p h y层实 现。 运41调 v 技术 如扩频、 o f d m) 和接收技术 蓄 如分集、自 适5 1, 均 衡和自 适应滤波)对 扰千 扰。以 i s m频段上现阶段要求使用的 扩领信号为例，扩频遴信系统内在的处理增益赋予了 它充分抑制干扰的能力， 但在某些情况f . ，仅有处理增益是不够的，还需要其它一些信号 处理技术与扩频调制 形成 互补，共同提高系统的抗 干扰性能。 在 p f 4 y层上，不管采用何种 基于信号处理的抗千扰技术，都会直接影响d 1 系统的成本，也会使电 路的设计更加复杂 化: ( 2 ) 基子非信号处理的 共存技术， 在 m a c层及更高层实 现。包括白 适应信道选择、 白 适应跳领、白 适应功率控制，以 及自 适应业务 控制， 等等。m a c层由基于数字信 号的 硬 件和软件构成， 在此处做技术改进所需的 成本 较低。以 蓝牙和 i e e e 8 0 2 . 1 1 b 之间的 共存为 例、由于两者之间缺乏直接交换信息的机制，无法准确掌握对方的相关参数和即将采取的 行动，蓝牙 快迷的伪随机跳d方式，使 8 0 2 ub 很 难根据 “ 先w后说” ( l i s te n - b e f o re - ta lk ) 的fa听技术以 及以往的传 输失 败记 录来作出 判断。 但是，i e e e 8 0 2 . 1 i b 的ma c e可 k 确 定 数据传输速率和帧长 度。面对蓝牙干扰，通 过均衡数据速率与帧长度之间的关系，或采难 自 适应补偿和分剖算法就有可能提高w l a n的吞吐量。 不管通过何种途径解决，最终日 标是要找到 使各种互不兼赛的系统能够在同一频段上 和谐共处的最f it 方式， 所谓最佳方式既要考虑m 络的整体效果 ( 分组错误概率， 传输时 延， 吞吐量)，也要考虑实现ic i 复杂程度 ( 电路设计本身和对原标准的改动)以及成本 等。出于对 i e e e 8 0 2 . 1 1 w l a n和基千 篮牙的 wp a n之间共 存问题的认知而成立的 i e e e 8 0 2 . 1 5 . 2 共 存1 : 作 组( c o e x i s t e n c e g r o n p ) 。 以 及 蓝 牙 特 殊 兴 趣小 组( b s i g ) 的w l a n共 存1 ; 作组， 所提1 1 9 的共存机制就是基j . 非信号处 理的 方式。 北京邮电大 学博十论文第一章 绪论 随 着各种无线新技术的不断开发和日 益普及，无 线系统间的干抚现象及共存问题会愈 演愈烈，和有效利用频谱资源的矛盾也会越来越突出。本论文将从理论分析的角度，在全 面剖析干扰产生原因的基础上，建立一个综合干扰分析模型，利用统计分析方法，得到表 征系统 性能的分组错误概率与各项参数 ( 包括无线传播、调制、m a c层和网络参数) 之间 的闭合 ( c l o s e d - f o r m) 解析式， 并提出 将各项参数依据影响分组错误概率的 程度不同 进行 排序的方法，根据上述分析结果，可以提出相应的 解决 措施。本论文提出的通用千扰分析 方法可以帮助我们从整体上充分了 解无线系统在同 一频段上的干扰情况。论文将该分 析方 法应用在不同共存环境下，分析 wl a n ( 基于 i e e e 8 0 2 . 1 1 b )和 wp a n ( 基于蓝牙之间 存在的 干扰影响，分析影响的程度， 继而提出可以降 低干扰影响的有效措施， 即蓝牙白 适 应跳频与8 0 2 . 1 1 白 适应分割相结合的共存机 制.并 通过仿 真分析分别加以 验证. 1 . 2前人的工作 对 i s m频段上无线系统之间的 干扰及共存问 题展开研究是近儿年的事。从发 表的文 章 石( u 1- 3 9 1 ，主要集中在讨论 wl a n( 包 括 i e e e 8 0 2 . 1 1 f h s s / d s s s . i e e e 8 0 2 . 1 l b d s s s和 i e e e 8 0 2 . 1 1 g o f d m)、 wp a n( 蓝牙f h s s )以 及微波炉之间的千扰问题。 尤其是对i e e e 8 0 2 . 1 1 b与蓝牙之间的共存进行了大量的 研究， 通过仿真分析和实验测试验证了，当 两者近 距离工作时 信号接收机和干 扰发 射机之间的距离不超过2 米)，确实存在干扰，干扰 严重 时8 0 2 . 1 1 b 的误分组率p e r ( p a c k e t e r r o r r a t e ) 甚至超过t 6 0 % . 在理论分析方面，e n n i s 在文献 1 3 1 中 最早提出了 蓝牙和 i e e e 8 0 2 . 1 1 6之间的干扰模 型， 研究i e e e 8 0 2 . 1 1 b 以1 1 m b p s 的传输速率发送一 个分组与连 续数个蓝牙分组的 冲突概率 ( p r o b a b i l i ty o f c o l l i s i o n )。即信号 源和干 扰源发出的分组由 于在时间和频率上发生重叠而 产生的冲突机率， 其中时间重叠与分组的实际传输时长以 及发 送分组的时间间隔相关， 而 频率重叠与蓝牙的跳频信道数及 i e e e 8 0 2 . 1 1 b直扩频谱相关，指出了导致分组出错的原 因，为分析跳频扩频 ( f h s s )系统和直接序列扩频 ( d s s s )系统间的千扰奠定了理论基 础 。 这 个 模t a 被后 人 所 采 纳， 并 不 断 被 细 化 和 改 进。 z y r e n 14 1 和s h e l l h a m m e r i 6 1 提 出 了 接 近 实际 状况的大尺度路径损耗无线传播模型及p h y层的模型。 在上 述 研究 的 基 础 上， h o w it t 1 9 112 0 1 和 n d r e a c o n t i 2 m 采 用 统 计 分 析 方 法分 别 提出 了 一 种 通用干扰分析模型， 其中 h o w i t t 侧重分析干扰对不同无线业务的影响， 从时间 和频率冲突 分析出发，基于对数正态阴影 ( l o g -n o r m a l s h a d o w i n g )无线传播模型和邻频干扰分析，得 :. 1 以 无 线 传 播和 网 络 参 数 为 变 星的 联 合 冲 突 概 率p r c ( j o in t p r o b a b il i t y o f c o l l i s io n ) 的 表 达 式. 依据 p r c 求取网 络的性能指标.如误分组率 p e r ，分组重传率 r t ( p a c k e t r e t r a n s m i s s i o n ) 和传 输 时 延 s ( t r a n s m i s s i o n d e la y ) 。 能 够分 析 接 收 信号 在 平 均 分 布 的 多 个 北京邮电 人学脾十 论文第一章 绪论 干扰源存在的情况 卜 ，性能 卜 降的程度。该模型的缺陷在于忽略了包括调制方式、信道纠 错和分 组结构等因素的影响。 而a n d r e a c o n t i 等人的e 作则 侧重于 分析所有传输 ( 多 径衰落 传播效应， 干扰和热噪声，调制方式， 编码技术)以 及 m a c 层 ( 跳频， 分组结构， 业务 负 载)的各 项因素， 基于 信噪比 ( s n r ) 与误符号率 ( p s )的 关系以 及邻频干扰分析， 得到平 均分组错误概率p e p ( a v e r a g e p r o b a b i l i ty o f p a c k e t e r r o r )的 表达式。但该模型不 宜于 分析 有多个干扰源存在的情况。 在仿真分析方面，美国国家标准与 技术研究 所 ( n i s t ) 推出 了在o p n e t 仿真器上开发 的 一 个 集 成仿 真 模 型 ( b tes w l a n es m o d e l n i s t - w i n 3 2 ) l i ， 这 个 集 成 模 型 构 成的 仿 真 平 台 可 以对由干扰造成的 mac层和 p h y层之间复杂的相互影响进行分析。该模型也是. i e e e 8 0 2 . 1 5 . 2 在其官方网站上 ( g r o u p e r . i e e e . o r g / g r o u p s / 8 0 2 / 1 5 / p u b it g 2 .h t m l )公开推荐的系统干 扰仿真模型。还有利用网络仿真器 ( n e t w o r k s i m u l a t o r )，即 n s ，进行仿真研究的，例如 i b m开发的开放源码的蓝牙仿真器一一 b l u e h o c ( w w w - 1 2 4 .i b m .c o m / d e v e lo p e r w o r k s / o p e n s o u r c e / b l u c h o c ) 。但是，当前网络级仿真器对无线 信道的 物理特性 ( 如衰落)的模型支持不足:而 ma t l a b对 ma c协议的仿真支持不足。 1 . 3本文的工作 本论文的主要一 作包括: ( 1 )在全面剖析干扰产生原因的基础上， 建立了 一个针对 i s m 频段分组网络、 基于邻 频干扰的综合干扰分析模型，利用统计分析方法，得到在多个干扰源存在的情况 下，表征系统性能的分组错误概率 ( p e c )与 各项参数 ( 无线传播、 调制、 m a c 层和网络参数) 之间的闭合解析式; ( 2 )并非所有参数在决定函数值p e c 时都同样重 要，因 此本论文仿照模式识别特征选 择过程中的特征排序方式，提出了将各项参数依据影响分组错误概率的程度不同 进行排序的方法; ( 3 ) 将综合干扰分析模型应用于不同的wl a n ( 基于i e e e 8 0 2 . 1 1 b )和 w a n( 基于 蓝牙) 共存环境。 采用更 加接近实际 使用环境的干扰拓扑结构，从多个方面补充 了 前人所作的一1 : 作。 并将各种 情况下，部 分参数对分组错误概率 p e c 的 影响程度 进行了排序，为共存技术的提出奠定了基础。 ( 4 ) 在探讨了信号处理抗干扰技术与非信号处理共存机制的基础上， 分析了非信号处 理机制中，协作与非协作机制的本质区别， 提出了 解决跳频 ( f h )与直接序列 ( d s )扩频系统间干扰的非信号处理最佳共存方式: 北京邮电大学蹲十论文 第一章 绪论 ( s )依 据上 述 分 析 结 果 和 对 共 存 机 制的 研 究， 提 出 了 蓝牙 自 适 应 跳 频与i e e e 8 0 1 1 1 白 适应分割相结合的共存技术。针对前者提出了自适应跳频序列产生的简单 模式 ( m o d e 5 )和复合模式 ( m o d e 1 ): m o d e s只 利用到跳领信道中基本不受干 扶影 响的 “ 好”信 道，而 m o d e i 可配合蓝牙分 组类型的自 透应选择对部分 受干抚影响 的 “ 坏” 信道加以合理应用。 两种模式随机映射部分的具体实现电 路可以统一， 并通过m a t l a b搭建的仿真平台 验证了 这两 种模式对抗千扰的有效性; 针对后者 提出了 r t s / c t s握手机制与补偿分* 1 算法相结合的白适应分割方式，a中 r t s i c t s握手机制可帮助区分是 c s ma g a冲突还是干找 浩成豹传输失败，有助 于自 适应