（环境科学专业论文）无线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m o d e mc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e sh i g ht r a n s m i tr a t e ，h i g hm o b i l i t y , w i d ec o n v e r g e a n dm u l t i p l es e r v i c e s t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nw i l li n t e g r a t ev a r i o u s t y p e so fw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n i q u es u c ha sw l a n ，w p a na n dm a n e t , a n dr e a l i z e d i f f e r e n tt r a m cs u c ha sv o i c e m u l t i m e d i aa n dd a t ao na l l - i pc o r en e t w o r k w l a na n da dh o en e t w o r k sa r ew i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n tf i e l d s ，b u tt h el i m i t e d f r e q u e n c yb a n d w i d t hw i l li n d u c et h ei n t e r - s y s t e ma n di n t r a s y s t e mi n t e r f e r e n c e ，a n d r e d u c et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fw l a na n da dh o c n e t w o r k ，a n dd i s c u s st h es t r a t e g yo fr e d u c i n gi n t e r f e r e n c e f i r s t l y , w ed i s c u s si n t e r f e r e n c em e c h a n i s mo fi s mf r e q u e n c yb a n d ，a n da n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fw l a n w i t hi n t e r f e r e n c ef r o mo t h e re q u i p m e n t s w et h e ns i m u l a t et h e b e r ( b i te r r o rr a t e ) p e r f o r m a n c eo fw l a nb yb a s e b a n dm o d e l w ec o m p a r et h e d i f f e r e n tp e r f o r m a n c ef a c t o ri ni n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n tb yc o m b i n i n gt i m e f r e q u e n c y c o l l i s i o na n a l y s i s ，a n dp r o p o s ea na d a p t i v ep a c k e ta d j u s t m e n ts c h e m et oi m p r o v et h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo f w l a n s e c o n d l y , w es t u d ym e c h a n i s m st os c a l et h ec a p a c i t yo fh o t - s p o t st oas c e n a r i ow i t h m u l t i p l ew i s p s ( w i f e l e s si n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) a n dm a n y w i r e l e s su s e r s w ef i r s ts t u d y t h ei m p a c to fs e p a r a t i n ge a c hs e r v i c ep r o v i d e ra tt h ep h y s i c a ll a y e ru s i n gm u l t i p l e o v e r l a p p i n gc h a n n e l sa sp r o v i d e db yt h ei e e e8 0 2 1ls t a n d a r d w em o d e lt h ee f f e c t so f c h a n n e lo v e r l a pf o rc a t e n ts y s t e m sa n ds h o wt h a tt h e yh a v es e v e r es c a l i n gl i m i t a t i o n s ， s t u d yt h ei m p a c to fs u c hf a c t o r sa sc h a n n e lc o n d i t i o n s ，n o d ed e n s i t y ，c h a n n e la l l o c a t i o n p o l i c i e s ，a n dm a cp r o t o c o lo nt h r o u g h p u ts c a l i n ga n df a i r n e s s b a s eo nt h ec o n c e p to f v i r t u a la c c e s sp o i n t ，w ep r o p o s eav a ps t r u c t u r ew i t hm u l t i p l e ( b u tl i m i t e d ) a i r i n t e r f a c e ss h a r e db ym u l t is e r v i c ep r o v i d e r b yu s i n gm u l t i c h a n n e lo p p o r t u n i s t i ca u t o r a t e ( m o a r ) p r o t o c o lo nv a p ，i tc a ni n c r e a s et h r o u g h p u tb ye x p l o i t i n gt e m p o r a l v a r i a t i o n so fm u l t i p l ei e e e8 0 2 11c h a n n e l st oo p p o r t u n i s t i c a l l ys e l e c th i g hq u a l i t y c h a n n e l s f i n a l l y , w ea n a l y z et h e i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c ei na dh o cn e t w o r ka n dt h e f e a s i b i l i t yo fa v o i di n t e r f e r e n c eb yr o u t i n g an o v e lc r o s s l a y e rr o u t i n gt e c h n i q u ew a s p r o p o s e df o ra dh o cn e t w o r k sw i t h m u l t i r a t em e c h a n i s mb a s e do na n a l y s i so f n e t w o r kd e l a y c o m b i n i n gt h es n rm e a s u r eo np h y s i c a ll a y e rw i t ht h ed e l a ye s t i m a t e o nm a cl a y e r ，w ep r o p o s ear o u t i n gm e t r i c ，w h i c ha l l o w su st os e l e c tar o u t ew i t h i i i 无线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的韧f 究 w i d e rb a n d w i d t h ，l o w e rd e l a ya n dl e s sc o n g e s t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h e r o u t i n gt e c h n i q u ei m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e o fa dh o cn e t w o r ks i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：w l a n ；a dh o c ；i n t e r f e r e n c e 1 v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：鸨“雩 移s 年r ts e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：哥铐芝彳7 日期：。年，7 月眵日 导师签名：日期：年月 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 1 1 1 研究背景 现代移动通信要求传输速率高( 3 g 达2 m b p s 、w l a n 达5 4 m b p s ) 、移动 性强、覆盖范围广、多业务( 语音，数据，多媒体) ，移动通信的发展趋向于 网络业务的数据化、分组化，网络技术的宽带化、智能化。无线数据传输 技术的研究核心是如何实现新的业务要求，在有限的频带内实现更高的数 据速率“1 。 图1 - 1 各种无线通信系统中数据速率、移动速度、移动范围的关系 无线移动通信技术与i n t e r n e t 结合产生了3 g 、4 g 技术及无线因特网， 无线因特网涵盖了w l a n 、无线a t m 、宽带卫星以及蓝牙( b 1l l e t o o t h ) 等技 术，使通信速率得到很大的提高，覆盖范围得到增强，为无线数据业务提 供了承载平台。各种无线通信系统的覆盖范围、数据速率及移动性的比较 “如图卜1 所示。图中可见，2 g ( l o k b p s ) 、3 g ( 2 m b p s ) 等蜂窝移动 第l 帝绪硷 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 1 1 1 研究背景 现代移动通信要求传输速率高( 3 g 达2 m b p s 、w l a n 达5 4 m b p s ) 、移动 性强、覆盖范围广、多业务( 语音，数据，多媒体) ，移动通信的发展趋向于 网络业务的数据化、分组化，网络技术的宽带化、智能化。无线数据传输 技术的研究棱心是如何实现新的业务要求，在有限的频带内实现更高的数 据速率“1 。 图1 1 各种无线通信系统中数据速率、移动速度、移动范围的关系 无线移动通信技术与i n t e r n e t 结合产生了3 g 、4 g 技术及无线囡特网， 无线冈特网涵盖了w l a n 、无线a t m 、宽带卫星以及蓝牙( b 1u e t o o t h ) 等技 术，使通信速率得到很大的提高，覆盖范围得到增强，为无线数据业务提 供了承载平台。各种无线通信系统的覆盖范围、数据速率及移动性的比较 “”“如图1 1 所示。图中可见，2 6 ( 1 0 k b p s ) 、3 6 ( 2 m b p s ) 等蜂窝移动 “”“如图卜1 所示。图中可见，2 6 ( s i f s ，如图2 - 9 第2 章无线通信系统的抗干扰及速苹自适应机制 所示。 d e $ hj c c o s ss l e c ts l o t 如dd e a r t n 咄tt 培t i 仃- - l o n g - n 州t l 蚯i si 棚e 图2 - 9c s m a 协议 ( 2 )基本接入方式 基本接入方法见图2 1 0 当目的地f 确接收到一个数据帧时，将传送 一个a c k ，表示在一个s i f s 间隔内接收到了数据。如果源节点没有接收 到a c k ( 在指定的a c k 时限t 内) ，就假设这个数据丢失，源节点就进行 重传。 源节点 目的节 其它节 d l f s d i f s d a t a i 点 剥 点 c w 推迟访问推避访削后退避 ( 3 )r t s c t 8 机制 源节点 目的节 其它节 图2 - 1 1基本接入机制 d i f s s i p 3 m 两 点 叫高叫离 n 蛾固迥4 百一 点 n a v ( r t s ) ? 恤 l n a v ( c t s ) 舡地仕a 一堪魁 图2 - 1 2r t s c t s 机制 无线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 当一个站要传送数据帧时，等待直到对于一个d i f s 帧间隔内检测到 信道空耕寸，在延迟一个退避时间后，传送一个r t s 帧而不是一个数据帧。 当目标接收到r t s ，在一个s i f s 后回应一个c t s ( c l e a rt os e n d ) 。只有 源节点证确地收到c t s 后，才能发送数据帧。r t s 和c t s 帧都包含了要传 送的帧的长度的信息。收到r t s 和c t s 的其它节点，会更新自己网络分配 矢量表( n a v ，n e t w o r ka ll o c a t i o nv e c t o f ) ，并推迟传送。r t s c t s 方法 有助于解决隐终端问题。 2 3 3o s 地v o a 机制的马尔科夫( h r k o v ) 模型 如前所述，8 0 2 1 l 的c s m a c a 的冲突避免功能是由随机指数退避过 程来实现的。一个节点在发送数据之前，使用载波侦听机制来决定介质状 态。如果介质忙，节点延迟等待，直至介质空闲。检测到信道处于空闲状 态后仍需要等待一段时间进入指数退避过程。每个节点产生一个随机退避 ( b a c k o f f ) 周期用于额外的延迟。这个过程使冲突最小化，在多个站之间 竞争时，这些站为同一事件进行延迟，其状态转换图如图2 1 3 。 ，77 一、如信通空州， 、退蠢计时甚逮蕞 图2 1 3c s m a c a 状态转换图 d c f 指数退避过程中，随机退避周期在( 0 ，w 一1 ) 之间平均选择，w 被称 第2 章无线通信系统的抗干扰及速牢白适应机制 为竞争窗( c o n t e n t i o r lw i n d o w ，c w ) ，是位于c 1 。和c k 。之间的任一整 数。 当介质被侦听为空闲时，退避时间计数器开始递减，当检测到信道有 数据传送时，计数器停止减数。在一个d i f s 以上的时间内，当信道又重 新被侦听为空闲时，计数器又重新开始减数。当退避时间计数减到零时， 开始传送数据。当每个传送不成功时，w 就会被加倍，直到最大值 2 ”w = ( c 。+ 1 ) ，这里w 等于( c w o 。+ 1 ) 。 当传送时发生冲突，或者传送失败时，节点也会重新进入退避过程。 在一个退避过程开始时，竞争窗取一个初始值c w m , 。，在到达c w m 。之前使 c w m 。加倍，保持最大值c 。，直到被重启。于是，节点的退避计时器设 置为 o ，c w m 。 内的一个随机分布的数，当退避计数器递减为零时，又试 图重新传送。如果到达最大的传送错误界限，则停止重传，c w 重置为 c 。，分组被丢弃”。 c s m a c a 采用离散时间退避算法( d is c r e t e t i m e ) 退避的最小时间间 隔为一个时隙( s 1 0 tt i m e ) ，我们使用马尔科夫模型进行分析”“，假设信 道条件是理想的，不存在隐终端等问题。网络内有固定的n 个节点，每个 节点都有数据分组需要传送。 用6 ( f ) 表示一个节点的退避计数器取值的随机过程，t 和t + 1 分别代表 两个连续的时隙。在每一个时隙开始时，如果每个节点侦听信道处于繁忙 状态，则冻结退避时间计数器；否则，开始减数。模型的主要的近似是： 在每一个时隙，至少n 一1 个站的其中一个在传送数据的概率p 是不变是而 且是独立的。用j ( f ) 代表在时刻i 时每一个站的退避级数( 0 ，m ) 的随机过 程。退避算法可以表示成一个两维的离散时间的马尔科夫链( m a r k o v c h a i n ) s ( f ) ，6 ( f ) ) ，如图2 1 4 所示。 在马尔科夫链中，m 代表最大退避阶数( b a c k o f fs t a g e ) ，即最大重 传计数。m 表示按指数增加的竞争窗c w ( c i l l + l , c w 。+ 。) 的最大计数：m 大 于m 的值。当c w 达到c w m 。，c w 将保持这个值直到重启。因此，我们有： 无线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 w似：=2w7 这里w 等于( c 。+ 1 ) ，并且2 “w = ( c 。+ 1 ) 。 该马尔科夫链的单步转换概率是 p i ，k i f ，女+ 1 - 1k ( o ，w - 2 ) i e ( o ，m ) p i o ，l f ，o ) 5 ( 1 一p ) w o 七( o ，w o 1 ) i ( o ，7 ”) ( 2 - 7 ) p i ，ki i l ，0 = ，w k ( o ，w 一1 ) i e ( 1 ，m ) p m ，k l m ，0 ) _ p 1 k ( o ，一1 ) 其中，第一个公式表示在每个时隙的开始时刻，退避计时器减1 的概 率为1 ；第二个公式表示在一个帧成功传输之后，新的帧从退避级数0 开 始，从( 0 ，w 。一1 ) 等概地取一个值；第三个公式表示一次不成功传输之后， 退避计时器从( 0 ，w ：) 中等概地选取一个值；第四个公式表示当退避级数达 最大时，一次不成功传输时，退避计时器的取值方法。 ( 卜p ) w o 图2 - 1 4c s m a c a 马尔科夫链 令岛 = l i m ，+ p s ( f ) = f ，扫( f ) = k ，i e ( o ，m ) ，k e ( o ，w 一1 ) 表示该马尔科夫链的 稳念分布，根据状态转移图，我们首先可推导下列两式成立 p f 女，j b k = p j “+ 1 ) = ，h r + 1 ) = 与js ( f ) = b 6 ( f ) = k 第2 章无线通信系统的抗十扰及速率自适应机制 和 岛- l o p = 包，o- 6 j ，o = p b o ，o 0 i ，l ( 2 8 ) b m - l , o p ：( 1 一p j 瓯，。- ，。：二。( 2 - 9 ) 卜一p 对于每一个k ( 1 ，w i ) ，有 = 等仁麓j 紫i = o 1 根据公式( 2 9 ) 和：b i = b o , o ( 1 一p ) ，( 2 1 0 ) 可以重新写为 = 等f ( o m ) 吲州_ 1 ) ( 2 - 所有的包。可以表示为b o 。和冲突概率p 的函数，可以通过规一化条件 来简化 =盏孙=弘笔警秀m1掣 = 艺岛，。= 岛，。艺二：告产= 包，o 二：七 i ；o t = 0f _ 0 = 0w = o 2 ：细i 锄= 0 + 等+ 专 2 。12 b o ，。最后可以由正态分布的规一化条件决定，根据( 2 1 0 ) ，b o 。可以写成 下式 2 而再瓦2 0 万- 2 雨p ) ( f i - 历p ) 而i ( 2 - 1 3 ) 一个站在随机选择的时隙发送的概率为r ，该节点的退避计时器为零 时开始传输，可以表示为 r = 弘= 鲁= 雨丽丽2 ( i - 丽2 p ) 而而( 2 - 1 4 ) f 通常依赖于条件冲突概率p ，一个分组冲突的概率等于系统中 n 1 个分组在传送的概率。因此在稳态时，每个站传送的概率为f ，则 p = 1 一( 1 - r ) ”。 ( 2 1 5 ) 等式( 2 一1 5 ) 和( 2 1 4 ) 代表一个f 和p 未知的非线性系统，可以用数值 方法解出。以上模型可以知道单个节点的传输特性，并可以获得该节点任 一时隙传送帧的稳态概率，在后续章节中将用此模型进行分析。 无线局域刚和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 2 4 无线网络中w l a n 中的速率自适应机制 2 4 1 自适应传输技术 由于无线信道环境非常恶劣，信号传输受到多种因素的干扰，信道增 益不断变化，导致信道的容量也随之改变。为了适应未来高速无线数据传 输的需要，通信系统必须能够在有限的频谱资源上支持高速率数据，提高 系统在衰落信道中的频谱利用率。因此，频谱利用率成为未来无线通信系 统的关键环节之一。自适应传输技术“2 1 根据不同的信道条件，相应地改变 调制方式和编码的复杂度，最大限度的提高系统容量。 目前信道适应技术采用的方案有功率自适应和传输速率自适应。功率 自适应是针对衰落信道的状态调节发射功率，对于实时性要求较高的系 统，可以保证系统能够同时容纳的用户数达到最大。然而，对于面向数据 的分组系统对实时性的要求有所降低。平均发射功率不变的情况下，根据 衰落信道的特性来调整数据速率，也能够获得较高的吞吐量。在给定数据 传输质量的前提下，根据业务量、平均信噪比、平均时延等参数来决定所 采用的信道编码方式和调制方式，并进一步将两者有机地结合起来，利用 无线信道和干扰的时变特性，通过符号持续时间、星座图尺寸、编码速率 方案等参数的自适应变化来实现链路预算的实时平衡，从而提高频谱效 率。 目前许多无线通信系统己经采用白适应传输技术来提高无线通信系 统的容量，满足用户的高速业务需求。如g p r s 在固定调制方式下使用四 种不同的编码方式来适应不同的无线环境”；e d g e 中采用两种调制方式 并结合几种不同的编码方案，向系统提供了8 种传输速率以适应不同的无 线信道环境”；h s d p a 系统中使用多种调制和编码方式相结合提供多种不 同的传输速率，最高可达l o m b p s ”。 根据无线信道的状况而自适应地改变传输参数，可以提高网络的性 能。w l a n 也有支持多速率的技术“”，但有不同内容。例如，在h i p e r l a n 2 中，对于每一个传送，由控制中心来决定传送速率“。对于8 0 2 1 1 w l a n 第2 章无线通信系统的抗干扰及速率自适应机制 的链路自适应技术中“”，在最初的i e e e8 0 2 1 1 标准中，所有的帧都以 单一的速率发送。而i e e e8 0 2 1 l a 和8 0 2 11b 在物理层则可提供多速率 能力，所有控制帧及广播、多播帧以基本速率发送，而数据帧可以根据信 道状况选择不同的速率：当信道具有高信噪比时可以选择高速率发送数 据。在8 0 2 11 b 中，允许使用的速率有1 ，2 ，5 5 和1 1 m b p s ：在8 0 2 11 a 中，允许使用的速率有6 ，9 ，12 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 。 2 4 2 札州多速率机制下的吞吐量分析 不同的调制方式对应着不同的传输速率，且具有不同的误比特率b e r ( b i te r r o r ) ，设平均b e r 用只表示，在高斯白噪声( a w g n ) 情况下，可 由瑞利( r a y l e i g h ) 信道衰落的概率密度函数得到。室内办公环境中，从 墙壁和家具来的反射信号在接收机输入端与原信号迭加。正确接收一个 b i t 的概率为1 - ，j 下确接收h 个比特的概率为y l ( 1 - p ，) ，假定b e r 在b i t i = 0 之间是相互独立的，可以写成p “= ( 1 一只) “，从而可以计算接收n 个比特不 正确的概率即系统的分组错误概率( p e r ) ： p e r = l 一( 1 一只) “( 2 1 6 ) 这里，l 是i e e e 8 0 2 1 l b 一个数据分组中包含比特数。 w l a n 的系统吞吐量与m a c 层协议和l l c 差错控制机制有关。 i e e e 8 0 2 1 l b 采用d c f 机制和停等协议，其数据包由开销( 前导码和帧头) 及有效数据部分组成，如 图2 6 。为保证正确的分组的接收，要在这里考虑d i f s ，s i f s 及a c k 。 传送这个分组的时间为： l ：d i f s + o v e r h e d d + d a t a l e n g t h i - s i f s + a c k ( 2 17 ) “ r a 把 c s m a c a 协议中，如果接收机发生错误，就不会传送一个a c k 到发 送端，并且等待，直到重传。下面是协议定义的一些参数： s ，船= 1 0 p s d i f s = 5 0 9 s ，a c k = 1 1 2 9 s ，o v e r h e a d = p r e a m b l e + h e a d e r = 1 4 4 + 4 8 = 1 根据( 2 1 6 ) 式，可以计算分组接收的错误概率p e r ，为便于计算，这里 无线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关簧略的研究 用q 表示。于是，一个数据分组从被正确传送到被正确接收的平均时间为 瓦= w 1 刊扣瓦+ 百t a , q = 玉1 - q 2 - 1 8 于是可以导出吞吐量公式为： g ：d a t a l e n g t h ：d a t a l e n g t h ( 1 一p e r ) ( 2 一1 9 ) 瓦y d 确定吞吐量的公式后，就可以画出不同数据速率下的吞吐量，如图 2 一1 5 。 图2 1 5 不同数据速率下b e r 与吞吐量的关系 2 4 3m a c 层速率自适应协议 在介质访问控制( m a c ) 层- - 协议上运用自适应调制和编码技术，可以最 大限度地利用信道的容量，根据不同终端报告的信道情况提供不同的调制 与编码选择；对位置较好的用户提供高速率的数据服务，增加系统的吞吐 率；并且由于信道的自适应是通过改变调制和编码的方式，而不是像功率 第2 章无线通信系统的抗干扰及速率自适应机制 控制那样改变发射功率，因此系统中干扰变化很小。 i e e e 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 的物理层可以支持多速率，根据信道状态调 整数据速率，从而保证可接受的误码率。为有效地利用多速率物理层机制， 在物理层提出了多种算法，这些算法也可与m a c 层结合。研究者据此提出 了一些支持多速率的m a c 层机制” 速率自适应m a c 协议的中心思想是：在信道条件较好时，用较高的速 率发送数据，这可以通过改变物理层调制方案来实现。 ( 1 ) a u t or a t ef a ll b a c k ( a r f ) a r f ( a u t o r a t ef u l lb a c k ) “是最早由l u c e n t 公司开发的基于发送 端信息的自动速率协议，使用8 0 2 标准，在发送端在成功发送若干个 帧后，尝试用更高的速率发射，如果失败则降低发射速率。 a r f 面临两个问题：一是如果信道条件变化快，就不能有效地进行自 适应。例如在a dh o c 网络中，由于8 0 2 1 1 分组传送过程中会产生突发干 扰，使自适应调整产生波动。因为如果a r f 中如果有一到两个分组错误就 降低其传送速率，如果有连续十个分组正确传送就增加其速率，在快速变 化时，速率调整将不能与信道条件同步。 二是如果信道条件不变化，或者慢速变化，每十个成功传送后，试图 用更高的速率传送，会增加了重传的尝试，从而降低总的吞吐量。 ( 2 ) r e c e i v e rb a s e da u t or a t e ( r b a r ) r b a r ( r e c e i v e rb a s e da u t o r a t e ) 1 是基于接收端信息的m a c 层机 制，接收机收到r t s 信号后，根据信道的信噪比确定链路速率，并在c t s 中将此速率通知发送端，从而自适应地调整速率。它们先以基本速率发送 r t s 帧到接收机，接收机根据测量的信号强度判断$ n r ，选择合适的速率， 并把此信息附在c t s 帧上送回发送机。在每一个数据分组发送之前，必须 交换r t s c t s 信息，并把信道和速率的信息作为r s h ( r e s e r v a t i o ns u b h e a d e r ) 插入到数据分组之前，如图2 1 6 所示。控制信息以基本速率传送， 以保证所有的节点能昕到。这些节点根据r s h 信息，调整n a v 值，并且相 应地设置自己的退避时间。 无线局域刚和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 跏 d s t 8 珥m 一 mr 8 hd a t a g t 8厩i d c 五6 图2 1 6r b a r 协议 如果用m ，表示调制方式，谚表示接收机门限，则r b a r 的算法可以简 化成以下的伪码： i m i fs n r 舅 ( 2 - 2 0 ) m f矿舅 s n r 鼠“f = 1 ，一，n 一1 【m n 。t h e r w i s p ( 3 ) o p p o r t u n i s t i ca u t or a t e ( o a r ) o a r ”的主要思想是伺机寻找高质量的信道，并在信道质量好时，发 送多个分组，发送的分组与信道质量成正比。一般地说，节点之间距离近， 路径衰落小，信道条件好，可以用高的数据速率进行传送。其实现方法是： 用r b a r 或者a r f 机制判断信道质量( r b a r 效果较好) ，当信道质量好时， 利用8 0 2 1 l 的分片( f r a g m e n t a t i o n ) 机制，发送多个数据包。o a r 能保证 所有的节点都有相同的接入时间，与单速率的8 0 2 1 l 有相同的公平性。 它的原理类似于3 g 网络中的h d r ，一种按比例的公平调度算法”。由于 信道相关时间大于多个分组传送的时间，o a r 与其它速率自适应结构相比， 可以得到更好的吞吐量增益。 ! 且日卤圈宙囤宙曰宙围自曰 丑叵l 。亩圈圈回 二兰三曰圈曰国且 意黑t 。裟 巳| 亡 n “ed ；二； 图2 1 7o a r 与r b a r 的比较 3 6 第2 章无线通信系统的抗干扰及速率自适心机制 2 5 本章小结 本章归纳总结了一些与w l a n 系统干扰有关的基本概念和基本方法。 系统地对无线通信存在的干扰及其原理进行了分类总结，对抵抗各类干扰 的方法手段进行了规纳，还简要介绍了i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局域网的物理层 及m a c 层的机制，给出了c s m a c a 机制的马尔科夫链分析模型，这是后续 章节建模分析的基础。此外，还介绍了速率自适应机制及i e e e 8 0 2 1 1w l a n 中的多速率m a c 层协议，并分析了其吞吐量性能。 无线局域网和自组织劂在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 第3 章ls m ( 2 4 g h z ) 频段无线设备对w l a n 的干扰分析 w l a n 工作在免申请的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f ic ，m e d i c a l a p p l i c a t i o t i s ) 频段，由于此频段存在w p a n 、h o m e r f 等无线通信系统和微 波炉等电子设备，无线信号种类繁多，这些信号的干扰使得w l a n 的工作 环境更加复杂。本章以i e e e 8 0 2 1 l b 的w l a n 作研究对象，着重分析蓝牙 系统对w l a n 系统构成的干扰。第一节简要介绍了i s m 频段的划分及工作 在此频段的无线设备，并分析了其干扰原理。第二节通过仿真，从时域和 频域两方面分析蓝牙系统对w l a n 系统构成的干扰，第三节提出了一个在 共存环境下提高w l a n 吞吐量的方案。第四节对本章内容进行小结。 3 11 8 m 频段及无线设备 图3 - 1i s m 频段及所处频带示意图 无线频率是一种不可再生的资源，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。i s m 频段是国际电联( i t u r ，i n t e r n a t i o n a l 第3 章i s m ( 24 g h z ) 频段无线设各对w l a n 的干扰分析 t e le c o m m l j n i c a t i o nu n io n r a d i o c o m m u n ic a t i o ns e c t o r ) 规定的无须执 照的频段，不同国家和地区划分i s m 频段的范围存在差异。大多数国家的 频段范围是2 4 0 0 m h z 2 4 8 3 5 m h z 。美国联邦通信委员会( f c c ) 划分的几个 i s m 频段范围包括：9 0 0 m h zi s m 频段( 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ) 提供2 6 m h z 带宽， 2 4 g h zi s m 频段( 2 4 0 0 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z ) 提供8 3 5 m h z 可用带宽，而 5 8 g h zi s m 频段( 5 7 2 5 g h z 5 8 7 5 g h z ) 则提供1 5 0 m h z 的可用带宽，并可 支持较高速率的数据传输。在中国，i s m 频段中可用于w l a n 的频段主要 是( 2 4 0 0 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z ) 、( 5 7 2 5 g h z 5 8 5 g h z ) 和( 3 3 6 f 1 1 j z 3 4 4 1 1 t z ) 三个频段”“。图3 1 为2 4 g h z 频带( 左半部分) 和5 g h z 频带( 右半部分) 示意图，其中包括了i s m 频段。 i s m 频段无需执照，只要工作在此频段的设备能够遵守相关的频谱使 用管理机构在发射功率( 小功率通信小于1 0 m w m h z ) 、天线增益和扩谱方 式等方面的规定，就可共享频谱。由于无需频谱申请，运营商可以加快产 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、征地和基站建设费用等) ，利用在i s m 频段运作的无线技术， 可以方便快捷地在各种公共场合、校园和企业内部构建无线数据接入和语 音服务的网络，以及临时组建各种自组织网( a dh o cn e t w o r k ) 。 在为新业务和新标准选择通信技术时，前述的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，特别是在世界范围内通用和 开放的频段。其中，2 4 g h zi s m 频段是目前唯一的在世界范围内通用和 开放的频段，该频段也因此存在大多数来自各种不同系统的干扰信号，例 如射频识别r f i d ( r fi d e n t i f i c a t i 0 1 2 ) 、w l a n ( i e e e8 0 2 1 l b g ) w p a n ( b l u e t o o t h z i g b e e 、w i m e d i a ) ”，h o m e r f ”“等等。部分i s m 频段无线通信 设备表示如下： 尤线局域网和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 表3 - 1i s m 频段无线设备 此外，i s m 频段还存在微波炉、无绳电话( c o r d l e s sp h o n e ) 等设备， 因此各设备之间存在干扰，干扰的大小与干扰的形式、频率、强度等诸多 因素有关。由于各种无线技术之间的机制不同，相互之间的干扰有不同的 特性。有的干扰是无规则的，或者规则难以预料的，如微波炉的干扰，人 为主动干扰等，有的干扰是非协作系统之间的干扰，如f c c l 5 2 4 7 标准规 定的无绳电话、蓝牙、和h o m e r f 等等。下面分别对其干扰原理进行介绍。 ( 1 ) 微波炉干扰 微波炉辐射基频为2 4 5 ( 0 0 5 ) g h z ，其射频输出的功率范围为 5 0 0 7 0 0 w ，在宽频带内产生的辐射会对周围的电子通信设备产生影响。 其原理主要是脉冲扩展 ”，它靠磁控管发射电波，发射信号是连续波，当 交流市电为2 2 0 伏5 0 h z 时，对于一个任务周期是0 5 的磁控管，其有效 工作时间是1 5 0 * 0 5 = 1 0 m s ，其频率辐射展开的频段很宽( 几十至几百兆 赫兹) ，可能将整个i s m 的工作频段都湮没在微波炉的辐射干扰之中。 ( 2 ) 无绳电话干扰 也是一种干扰源”“，它的特征是低功率和窄带，发送功率是l o d b m 或 者更低，许多d s s s 无绳电话的6 d b 带宽小于2 m h z ，性能影响主要取决于 信号的强度、占用的带宽、频率间隔，要消除其影响，要求中心频率间隔 相为2 0 m h z 。 ( 3 ) 蓝牙干扰 蓝牙也是i s m 频段中广泛使用的技术之一，它采用跳频扩频( f h s s ) 技术，一般使用7 9 个信道，每信道带宽为1 m h z ，跳频速率为1 6 0 0 h z 。如 第3 章i s m ( 2 4 g h z ) 频段无线设备对w l a n 的干扰分析 图3 1 ，蓝牙工作频段为2 4 0 0 m h z 一2 4 8 3 5 m h z ，而w l a n 的工作频段 2 4 0 0 m h z 一2 4 9 7 m h z ，二者在频域上有很大的重叠，因此蓝牙信号是2 4 g h z w l a n 的主要干扰源，当蓝牙帧落在i e e e 8 0 2 1 1 b 帧的频段上时，从频域 上看就是典型的窄带信号对直接序列扩频信号的干扰。蓝牙采用了一系列 独特的措施，如a f h ( a d a p t i v ef r e q u e n c y ) 、l b t ( 1 is t e nb e f o r et a l k ) 、 功率控制等技术来克服干扰，避免冲突。自适应跳频( a f h ) 是蓝牙技术中 采用的预防频率冲突的机制，它能对干扰进行检测并分类，编辑跳频算法 来使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，并把分配变化告知网络中 的其它成员，并周期性地维护跳频集，以最小的发射功率、最低的被截获 概率，达到在无干扰的跳频信道上，长时问保持优质通信的目的。 3 2 蓝牙对w l a n 的干扰分析 本节分析蓝牙干扰对w l a n 系统性能的影响。8 0 2 1 1 b 与蓝牙采用不 同的扩频技术，二者共存时，其帧在时域和频域的冲突见图3 2 。我们将 从频域和时域两方面进行分析。首先，在频域方面，讨论频率重叠对w l a n 误码率的影响，通过对物理层的仿真对蓝牙干扰进行定量分析。然后结合 时域分析，研究其数据帧冲突以及帧长对系统吞吐量的影响。 频率 2 4 8 0 m h z 图3 - 2w l a n 与蓝牙共存的时域和频域示意图 4 1 时间 无线局域嘲和自组织网在干扰环境下的性能分析及相关策略的研究 3 2 1 频率干扰分析 蓝牙采用g f s k 跳频方式，而i e e e s 0 2 1 1 b 主要采用直序扩频方式。 我们把蓝牙作为干扰信号，使用物理层基带模型3 ，在8 0 2 1 1 的1 m b p s d b p s k 和1 1 m b p sc c k 两种调制方式下，对蓝牙产生的同频干扰和邻频干 扰进行分析。 1 信号及仿真模型 ( 1 ) 8 0 2 1 1d b p s k 8 0 2 1 l 的1m b p sd b p s k 方式中，用长为l l b a r k e r 序列来进行扩频， 比特周期t 刚好为1 1 个码片周期t ，系统的处理增益是p g = 鲁