基于DAFR的共存無線網絡自靜態(tài)干擾緩解方案

鄧衛(wèi)民

(揚州職業(yè)大學信息工程學院，江蘇揚州 225009)

工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段中存在著多個網絡同時運行的現象，因此造成了不同網絡之間的互相干擾，如無線局域網(WLAN)、藍牙、個人區(qū)域網(PAN)、無線電話等［1］。在這些現有標準中，藍牙是一個低成本、低能耗且結構簡單的標準，因此具有很大的應用前景，而WLAN(IEEE 802.11)采用更高覆蓋區(qū)域的標準化協(xié)議，目前幾乎每臺筆記本和其他許多設備都預裝了WiFi網卡［2］。未來同時部署WiFi和藍牙網絡的設備會越來越多，這就引起研究人員對WiFi和藍牙網絡共存問題的巨大關注。

藍牙跳頻網絡和WLAN共存時會產生大量干擾，主要為靜態(tài)干擾和自干擾［3］。目前，已經有很多學者對ISM頻段中各種網絡的無干擾共存進行了研究，并提出了解決方案。文獻［4］給出了多個藍牙網絡共存時數據包誤差率的上下界，并提出干擾會導致整個網絡有效吞吐量下降的觀點，有效吞吐量是一個表示成功傳輸的量化指標。文獻［5］提出一種避免自干擾的新技術，稱為自適應頻率滾動(AFR)。在AFR中，特定時間間隔內的共存微微網在一個小頻率集上跳頻，而不像自適應跳頻(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來避免自干擾，當兩個微微網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，微微網在整個頻率范圍上跳頻，基于它們的傳輸經歷將各頻率標記為“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)自適應跳頻(DAFH)技術，在這種技術中，當有微微網遭遇干擾并存在不成功傳輸經歷時，將其頻率拆分來重新調整其信道利用率，由于每次拆分之后信道的數目會減半，所以這種技術可能會違反FCC對ISM頻段跳頻制定的規(guī)則［1］。AFR是藍牙跳頻網絡中最智能的干擾抑制技術之一，但它存在兩個問題:1)當微微網數目較多時，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，因此之間又會產生自干擾［8］。

基于上述分析，本文提出一種多元化自適應頻率滾動(Diversified Adaptive Frequency Rolling，DAFR)技術，該技術有如下貢獻:1)維持顯著頻率分集(不考慮共存微微網的數目)，避免頻率選擇性衰落;2)緩解自干擾;3)在不降低網絡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，很好地避免了網絡共存中的自干擾和靜態(tài)干擾。

1 DAFR整體結構

圖1所示為DAFR整體框圖，信道選擇器模塊根據其他模塊的輸入信息為數據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PER超過預定義閾值時，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，微微網甚至會因為信道噪聲而經歷頻率隨機跳;而如果閾值太高，微微網在跳之前會有較多的數據包丟失。本文在仿真實驗中，選擇了一個閾值，如果PER超過1%，微微網進入跳狀態(tài)，轉移到某個新的跳頻集。

圖1 DAFR結構框圖

避免靜態(tài)干擾模塊的任務是依據受WLAN干擾的反饋信息，標記跳頻集中信道的“好”和“壞”，數據傳輸模塊在分配的頻率信道上傳輸數據。

2 DAFR詳細設計

2.1 跳頻集設計

跳頻集由特定微微網在指定時間間隔內使用的頻率信道組成，跳頻集設計是整個系統(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，共存微微網使用非重疊跳頻集，如果nt是微微網的總數目，任意跳頻集信道數目H的最大值為

根據式(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，即使微微網數目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

選擇適當的Δf，以便跳頻集中的信道很好地分散于整個頻率范圍內。假設fs是微微網選擇的起始頻率，在對應跳頻集中應用式(3)和式(4)可獲得信道Cfs，即

不重疊跳頻集的數目nh為

式中:nh和式(2)中的Δf相等。共存微微網的最大數目nt不能超過非重疊跳頻集的數目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，則對應存在一個唯一跳頻集。

2.2 跳頻集內的頻率分集

頻率分集Df的量化公式為

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

2.3 滾動間隔

根據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共存信道的數目總是大于5的情況下設計的。

圖2解釋了一般情況下的頻率滾動現象。假設微微網π1起跳，跳頻集大小H=3且起始頻率fs=1。在跳頻集內信道選擇總是偽隨機的，微微網在滾動間隔之后，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，任意微微網需要跳轉并轉移它的起始頻率，至少向前或向后轉移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，微微網僅重疊了一個頻率間隙，只要微微網π2將起始頻率向前轉移一個頻率間隙或微微網π1將起始頻率向后轉移一個頻率間隙，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計一個新的起始頻率，為了經歷隨機跳轉，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束(ISM帶寬中79個信道)時避免重疊。一旦已知Nj，應用式(10)加入“跳”的影響，最后在式(11)中進行“?！辈僮鲗⑵鹗碱l率置于信道內。

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，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，不成功傳輸經歷超過了預定義閾值(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，并將它標記為“壞”信道。跳頻集維持不變，跳頻集內的信道會用“好”和“壞”標記，但是微微網會在小數量信道上跳頻，而不是在整個信道范圍內(H?M有助于微微網迅速移除因靜態(tài)干擾源而重疊的“壞”信道)。不論跳頻集中信道的數目如何，跳頻速率基本保持不變，如果跳頻集中信道數目較少，則遍歷所有信道的時間跨度會很短，信道質量分類也會在較短時間內完成。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技術的性能。為了加入動態(tài)影響，本文設定了一個熱點，微微網達到這個熱點并在停留特定時間之后離開。微微網的到達率遵循平均值為λ的泊松分布，每個微微網的停留時間是從均值為τav秒的指數分布中隨機抽取的值，并且確保微微網在熱點停留至少20 s。整個仿真中微微網的平均數目為

設置τav=60 s，不同的微微網平均數目設置不同的λ。為了加入靜態(tài)干擾源的影響，假設WLAN也到達熱點，停留一個指數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的數目，設置WLAN到達率比微微網低很多。使用式(12)能得到WLAN的平均數目，為了在最差情況下評價提出方案的性能，假設WLAN在熱點停留的時間內一直傳輸數據［12］。

仿真設置中，由于微微網是偽隨機選擇信道，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，研究了參數如跳頻集大小H、微微網平均數目Nav和WLAN數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，設定計算頻率分集時間超過20 s，即微微網在熱點的最小停留時間。

3.2 有效吞吐量性能比較

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

圖4顯示了各種微微網數目(Nav)和各種跳頻集大小(H)在一個WLAN下的仿真結果?？梢钥闯?，對于任意H值，DAFR的有效吞吐量都遠好于AFR，AFR中的有效吞吐量較差是因為微微網為避免靜態(tài)干擾源而進入到“探測”狀態(tài)，當微微網返回到正常狀態(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，微微網找到非重疊跳頻集的可能性將變小。如果微微網數目增加，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數目Nav變化的影響

為了進一步闡述有效吞吐量和H之間的關系，圖5給出了在各種Nav值下改變H值的仿真結果。結果表明如果H增加，有效吞吐量會降低，因為共存微微網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(選擇這個數目是因為H≤6不需要頻率滾動)。AFH的性能隨著微微網數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?？梢钥闯?，在頻率分集方面DAFR優(yōu)于AFR。在AFR中，當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，有助于提高網絡對干擾的免疫力。

圖7 頻率分集隨跳頻集大小H的變化

4 結束語

本文提出一種多元化自適應頻率滾動(DAFR)技術，通過跳頻集設計減輕了多種網絡間自干擾，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絡吞吐量的浪費。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，并將其部署在各種類型的跳頻網絡中，進一步緩解網絡的自干擾和靜態(tài)干擾，從而更好地實現各種網絡的共存。

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