WLAN分布式同頻干擾避免新方法

1、42 2009年第07期，第42卷 通 信 技 術(shù) Vol.42，No.07,2009 總第211期 Communications Technology No.211,TotallyWLAN 分布式同頻干擾避免新方法夏茂素， 羅克露， 閆麗明， 鄒 敘， 黃康長(zhǎng)（阿德利亞科技（北京）有限公司，成都，610054；北京科創(chuàng)海光儀器有限公司，北京，100016；阿德利亞科技（北京）有限公司，北京，100085）【摘 要】文中針對(duì)WLAN 中普遍存在的干擾問題及現(xiàn)有WLAN 干擾監(jiān)測(cè)和避免方法的不足，提出了分布式動(dòng)態(tài)干擾檢測(cè)和避免新方法，該方法無須中心集中控制器的干預(yù)，各被干擾的AP 只需根據(jù)自身所

2、處的環(huán)境合理地選擇切換信道，將干擾的影響局限在一個(gè)很小的范圍。特別適用于AP 密集，嚴(yán)重干擾的情況。并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的正確性。 【關(guān)鍵詞】WLAN；IEEE 802.11；同頻干擾；動(dòng)態(tài)頻率選擇【中圖分類號(hào)】TP393.17 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1002-0802(200907-0042-03A New Distributed Interference Avoidance Algorithm for WLANXIA Mao-su， LUO Ke-lu， YAN Li-ming， ZOU Xu， HUANG Kang-chang（Embedded Lab，University o

3、f Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 610054, China；Beijing Kchuang Haiguang Instrument Co.,Ltd，Beijing，100016, China；Azalea Science and Technology Co.,Ltd，Beijing，100085, China）【Abstract】In this paper, a new method is proposed for effective interference avoidance in a WLAN vi

4、a distributed, dynamic frequency selection. Each AP evaluates the wireless channel conditions independently and switches channel by using a distributed coordination process among neighboring APs. Such coordination could avoid the channel flapping problem and stabilizes the distributed channel select

5、ion. This proposed method is completely distributed and without any centralized control. Intensive experiment results have proved the effectiveness of the proposed method.【Key words】WLAN; IEEE 802.11; frequency interference; dynamic frequency selection0 引言無線局域網(wǎng)WLAN (Wireless Local Area Net-work是計(jì)算機(jī)網(wǎng)

6、絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以無線多址信道作為傳輸媒介，免去或減少了網(wǎng)絡(luò)布線的工作量,只要安裝一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)AP (Access Point設(shè)備,就可建立覆蓋整個(gè)建筑或地區(qū)的局域網(wǎng)絡(luò)。無線接入點(diǎn)AP 目前在IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中，工作方式主要都是基于IEEE802.11b/g的分布式訪問控制機(jī)制，工作在2.4G 公用頻段， 而且實(shí)際可用的不重疊的信道僅有1 ,6 ,11 ，非常有限1，這就使得WLAN極容易被干擾。目前干擾檢測(cè)和避免主要有兩類方法,可歸納為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法:（1）靜態(tài)法。各接入點(diǎn)工作頻率固定，通過技術(shù)手段再輔以工程建設(shè)規(guī)劃來規(guī)避干擾。這是干擾避免中不可或缺的一環(huán)，但是

7、不能避免動(dòng)態(tài)的干擾；（2）動(dòng)態(tài)法。即根據(jù)實(shí)際的干擾情況，動(dòng)態(tài)的切換信道以避開干擾。現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)干擾避免方法多數(shù)引入了一個(gè)接入控制器（AC），通過AC 定期的探測(cè)AP 的狀態(tài)來發(fā)現(xiàn)干擾，同時(shí)由AC 協(xié)調(diào)整個(gè)WLAN 信道分配2-3。該方法中干擾檢測(cè)和信道分配由AC 集中處理，限制了WLAN 的組網(wǎng)方案。而且，信道的重新分配，需要考慮整個(gè)WLAN 的信道分配情況，容易導(dǎo)致牽一發(fā)而動(dòng)全身，造成WLAN 的不穩(wěn)定和頻繁信道切換4-5。收稿日期：2008-09-01。作者簡(jiǎn)介：夏茂素（1977-），女，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；羅克露（1948-），女，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；閆麗明

8、（1978-），女，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；鄒 敘（1976-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)；黃康長(zhǎng)（1977-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。43本文針對(duì)現(xiàn)有WLAN 干擾避免方法的不足，提出了一個(gè)分布式同頻干擾避免方法。1 分布式同頻干擾避免方法無線設(shè)備（包括AP）采用載波檢測(cè)機(jī)制和虛擬的載波檢測(cè)機(jī)制判斷信道繁忙與否。載波檢測(cè)機(jī)制通過CCA（Clear Channel Assessment）實(shí)現(xiàn)，CCA 是IEEE802.11物理層根據(jù)接收端能量是否高于一個(gè)閾值來判斷當(dāng)前無線介質(zhì)是處于忙還是空閑狀態(tài)，如果檢測(cè)到超過閾值的任何能量，CCA 都

9、將報(bào)告介質(zhì)當(dāng)前狀態(tài)為忙。無線設(shè)備準(zhǔn)備傳送新分組數(shù)據(jù)之前，將通過CCA 機(jī)制檢測(cè)信道是否繁忙。虛擬的載波檢測(cè)機(jī)制通過網(wǎng)絡(luò)向量分配(NAV實(shí)現(xiàn)，無線設(shè)備在發(fā)送的每個(gè)分組中將通過duration 字段的值向其他移動(dòng)站指示信道重新空閑所需的時(shí)間。所有收到該分組的移動(dòng)站將根據(jù)該duration 字段的值更新自己的NAV，并隨著時(shí)間流逝，遞減NAV 的值，當(dāng)NAV 的值為零時(shí)，無線設(shè)備才有機(jī)會(huì)訪問信道。同時(shí)，作為無線接入點(diǎn)的AP 需要不間斷的廣播beacon, 告知其他無線設(shè)備自己的存在, 對(duì)于AP，通常情況下它會(huì)以固定的間隔一直發(fā)下去，默認(rèn)值一般為100 ms。 1.2 適用范圍接下來闡述本文將用到的一

10、個(gè)概念：CCA范圍，處于該范圍內(nèi)的無線設(shè)備發(fā)出的信號(hào)到達(dá)AP 時(shí)信號(hào)強(qiáng)度高于AP 設(shè)定的CCA 門限值。我們將AP 的CCA 范圍作為干擾檢測(cè)和信道質(zhì)量評(píng)估的范圍。超出這一范圍的干擾不在檢測(cè)之列。本方法是基于前期無線局域網(wǎng)合理規(guī)劃的基礎(chǔ)上，即合理的配置各AP 的工作頻率，使相互間的干擾最小。本方法的定位在于當(dāng)無線局域網(wǎng)投入使用后，動(dòng)態(tài)的檢測(cè)干擾，合理的信道切換以避開干擾，保證WLAN 正確和穩(wěn)定的運(yùn)行。 1.3 原理本方法通過周期的對(duì)當(dāng)前工作信道干擾檢測(cè)來發(fā)現(xiàn)干擾，如果干擾發(fā)生，則等待一段時(shí)間后， 再去評(píng)估所有可用信道的質(zhì)量，為信道切換提供參考信道，最后挑選最優(yōu)信道切換，實(shí)現(xiàn)了干擾避免。 1.

11、4 狀態(tài)機(jī)處于該狀態(tài)的AP 正常的工作，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)后，啟動(dòng)當(dāng)前信道質(zhì)量評(píng)估。 圖1 狀態(tài)機(jī)當(dāng)存在干擾時(shí)，AP 會(huì)依據(jù)IEEE802.11規(guī)范，延遲任何包的發(fā)送。如果干擾持續(xù)存在的話,AP 就不再能發(fā)出任何包來. 而干擾的檢測(cè)需要在AP 有流量和沒有流量的時(shí)候都能穩(wěn)定工作. 那么這個(gè)檢測(cè)的方法就不能像傳統(tǒng)的做法那樣基于數(shù)據(jù)流量。本文采用信道的空閑率和檢測(cè)到的AP 數(shù)量來評(píng)價(jià)信道的質(zhì)量。信道質(zhì)量評(píng)估為信道選擇提供素材?？臻e率：在一段時(shí)間內(nèi)，定時(shí)去檢測(cè)信道的占用情況，在一次檢測(cè)中，若載波檢測(cè)機(jī)制或虛擬載波檢測(cè)機(jī)制指示信道空閑，則認(rèn)為信道空閑，據(jù)此統(tǒng)計(jì)出信道的空閑率。一般說來，空

12、閑率越高，則信道質(zhì)量也好。當(dāng)檢測(cè)到干擾時(shí)，AP 首先選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，然后進(jìn)入抑制狀態(tài)。處于抑制狀態(tài)的AP, 仍然正常工作，只是對(duì)新的干擾發(fā)現(xiàn)通知不再處理，并等待抑制時(shí)間結(jié)束。為什么要引入抑制過程，而不是直接進(jìn)入信道質(zhì)量評(píng)估階段。當(dāng)工作在同一信道的AP 較密集時(shí)，往往同一干擾源會(huì)對(duì)多個(gè)AP 造成干擾，如果此時(shí)各AP 在同一時(shí)間啟動(dòng)信道質(zhì)量評(píng)估，將會(huì)對(duì)信道質(zhì)量做出相同的評(píng)價(jià)，所以必然導(dǎo)致當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，附近相同信道工作的AP 都選擇相同的信道進(jìn)行干擾避免，這樣各AP 之間相互干擾，導(dǎo)致性能并不理想。當(dāng)加入抑制過程后，各AP 在抑制結(jié)束后，才去進(jìn)行44 信道質(zhì)量評(píng)估，這樣如果有被干擾的AP 先切換到

13、某一信道，后面的AP 也可以通過信道質(zhì)量評(píng)估過程發(fā)現(xiàn)這一變化，所以多個(gè)AP 切換到相同信道的可能性大大降低。該階段一個(gè)關(guān)鍵的過程就是抑制時(shí)間的范圍和粒度的確定。抑制時(shí)間的粒度需要根據(jù)AP 從開始切換信道到信道切換完成并能正常工作所需要的時(shí)間確定。抑制時(shí)間的粒度AP 評(píng)估信道質(zhì)量需要的時(shí)間+AP通知客戶端下線時(shí)間AP 信道切換時(shí)間客戶端重新連接需要的時(shí)間。抑制時(shí)間的范圍最大可能被干擾的AP 數(shù)量抑制時(shí)間的粒度。由于工作在相同信道上的無線設(shè)備越多，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)碰撞的幾率越大，反而造成信道的利用率低，所以單純用信道的空閑率作為挑選信道的依據(jù)，難免有失偏頗。所以本方法同時(shí)結(jié)合可選信道上工作的無線設(shè)備數(shù)目

14、，無線設(shè)備信號(hào)的強(qiáng)度等因素來確定切換的信道。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，還可以指定優(yōu)先選擇的信道，使干擾避免后的WLAN 按照預(yù)期的信道工作。2 測(cè)試本文根據(jù)慣例，僅將1，6，11作為可用的信道。我們用四臺(tái)無線路由器，一個(gè)干擾源和四臺(tái)筆記本搭建了測(cè)試平臺(tái),四臺(tái)筆記本分別與四臺(tái)無線路由器關(guān)聯(lián)。干擾設(shè)備WD 采用連續(xù)的單窄波，工作在信道1所在的頻率上，處于AP2和 圖2 測(cè)試模型我們采用各AP 的可以達(dá)到的最大吞吐量，及被干擾后，所有AP 能夠提供服務(wù)所需要的時(shí)間來展示W(wǎng)LAN 的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。表1 未應(yīng)用本文方法測(cè)試結(jié)果工作模式及信道 平均最大吞吐量(Mb/sAP干擾前干擾后 干擾前 干擾后

15、 AP1802.11g, 6802.11g, 6 27 27 AP2802.11g, 1802.11g, 1 27 0 AP3802.11g, 11802.11g, 11 27 27 AP4802.11g, 1802.11g, 127表2 應(yīng)用本文方法測(cè)試結(jié)果工作模式及信道 平均最大吞吐量(Mb/sAP干擾前干擾后 干擾前 干擾后 AP1802.11g,6802.11g,6 26 13 AP2802.11g,1802.11g,6 26 13 AP3802.11g,11802.11g,11 26 13 AP4802.11g,1802.11g,112613從上述數(shù)據(jù)可以看出：（1）應(yīng)用本文方法前：

16、被干擾的AP 已經(jīng)被干擾到癱瘓，無法提供服務(wù)；（2）應(yīng)用本文方法后：WLAN 中被干擾的AP 能動(dòng)態(tài)的檢測(cè)并避開干擾，并且相同WLAN 中的未被干擾的其他AP 的工作頻率沒有改變（只是吞吐量有所下降，對(duì)有限的信道資源來說，這也是不可避免的），能將干擾的影響局限在一個(gè)很小的范圍，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)WLAN 的動(dòng)蕩。同時(shí)能夠根據(jù)信道上AP 的密集情況來合理的選擇信道。從干擾發(fā)生到整個(gè)WLAN 能夠再次提供服務(wù)總耗時(shí)：12秒（其中，假定最多有5個(gè)AP 被干擾），能實(shí)現(xiàn)快速收斂。3 結(jié)語本文針對(duì)WLAN 中普遍存在的干擾問題，提出了分布式動(dòng)態(tài)干擾檢測(cè)和避免方法，該方法無須中心集中控制器的干預(yù)，各被干擾的AP 只根據(jù)自身所