基于DAFR的共存无线网络自静态干扰缓解方案

邓卫民

(扬州职业大学信息工程学院，江苏扬州 225009)

工业、科学和医疗(ISM)频段中存在着多个网络同时运行的现象，因此造成了不同网络之间的互相干扰，如无线局域网(WLAN)、蓝牙、个人区域网(PAN)、无线电话等［1］。在这些现有标准中，蓝牙是一个低成本、低能耗且结构简单的标准，因此具有很大的应用前景，而WLAN(IEEE 802.11)采用更高覆盖区域的标准化协议，目前几乎每台笔记本和其他许多设备都预装了WiFi网卡［2］。未来同时部署WiFi和蓝牙网络的设备会越来越多，这就引起研究人员对WiFi和蓝牙网络共存问题的巨大关注。

蓝牙跳频网络和WLAN共存时会产生大量干扰，主要为静态干扰和自干扰［3］。目前，已经有很多学者对ISM频段中各种网络的无干扰共存进行了研究，并提出了解决方案。文献［4］给出了多个蓝牙网络共存时数据包误差率的上下界，并提出干扰会导致整个网络有效吞吐量下降的观点，有效吞吐量是一个表示成功传输的量化指标。文献［5］提出一种避免自干扰的新技术，称为自适应频率滚动(AFR)。在AFR中，特定时间间隔内的共存微微网在一个小频率集上跳频，而不像自适应跳频(AFH)使用整个频率范围。文献［5］用“跳频集”来表示这些小范围频率集，通过分配不重叠跳频集给共存微微网来避免自干扰，当两个微微网频率重叠时会自动跳到另一个随机信道。文献［6］提出自适应频率滚动与探针(AFR－P)机制来避免静态干扰，在AFR－P中，微微网在整个频率范围上跳频，基于它们的传输经历将各频率标记为“好”和“坏”，消除因静态干扰源而重叠的信道不仅耗时而且会造成有效吞吐量的降低，因为共存微微网在探测状态会遭遇自干扰［6］。文献［7］提出一种动态自适应跳频(DAFH)技术，在这种技术中，当有微微网遭遇干扰并存在不成功传输经历时，将其频率拆分来重新调整其信道利用率，由于每次拆分之后信道的数目会减半，所以这种技术可能会违反FCC对ISM频段跳频制定的规则［1］。AFR是蓝牙跳频网络中最智能的干扰抑制技术之一，但它存在两个问题:1)当微微网数目较多时，频率分集会显著降低，频率分集是选择两个连续信道之间频率偏移的度量;2)在WLAN存在的情况下，微微网有效吞吐量会降低，因为AFR－P在避免静态干扰上利用了大量的吞吐量，而且AFR－P要求遍历所有信道，因此之间又会产生自干扰［8］。

基于上述分析，本文提出一种多元化自适应频率滚动(Diversified Adaptive Frequency Rolling，DAFR)技术，该技术有如下贡献:1)维持显著频率分集(不考虑共存微微网的数目)，避免频率选择性衰落;2)缓解自干扰;3)在不降低网络有效吞吐量和不增加额外传输消耗的前提下，分类信道的“好”和“坏”。本文提出的方法利用非重叠跳频集技术，很好地避免了网络共存中的自干扰和静态干扰。

1 DAFR整体结构

图1所示为DAFR整体框图，信道选择器模块根据其他模块的输入信息为数据传输选择下一个跳频频率。自干扰监测模块通过监听自干扰引起的不成功传输，保持对目前跳频集中PER的跟踪。当PER超过预定义阈值时，自干扰监测器将会发送信息给信道选择模块，使其执行信道“跳”动作，找到新的非重叠跳频集。如果这个阈值太低，微微网甚至会因为信道噪声而经历频率随机跳;而如果阈值太高，微微网在跳之前会有较多的数据包丢失。本文在仿真实验中，选择了一个阈值，如果PER超过1%，微微网进入跳状态，转移到某个新的跳频集。

图1 DAFR结构框图

避免静态干扰模块的任务是依据受WLAN干扰的反馈信息，标记跳频集中信道的“好”和“坏”，数据传输模块在分配的频率信道上传输数据。

2 DAFR详细设计

2.1 跳频集设计

跳频集由特定微微网在指定时间间隔内使用的频率信道组成，跳频集设计是整个系统中最重要的，因为它决定着两个相邻跳频之间的频率偏移［9－10］。在DAFR中，共存微微网使用非重叠跳频集，如果nt是微微网的总数目，任意跳频集信道数目H的最大值为

根据式(1)，所有跳频集将包含至少H个信道，存在nt个非重叠跳频集。为了维持高频率分集，即使微微网数目nt很高，在DAFR中，跳频集中任意两个信道之间的频率偏移总是维持在某个值，即

选择适当的Δf，以便跳频集中的信道很好地分散于整个频率范围内。假设fs是微微网选择的起始频率，在对应跳频集中应用式(3)和式(4)可获得信道Cfs，即

不重叠跳频集的数目nh为

式中:nh和式(2)中的Δf相等。共存微微网的最大数目nt不能超过非重叠跳频集的数目nh，这样可以避免自干扰。对于给定的起始频率fs、H和M的值，则对应存在一个唯一跳频集。

2.2 跳频集内的频率分集

频率分集Df的量化公式为

式中:ch(i)是第i跳时微微网采用的信道;ch(i+1)是第(i+1)跳时微微网采用的信道;N是考虑的跳频次数。为了加入随机性影响，N的值应该保持足够大。

2.3 滚动间隔

根据FCC规定，如果nt≤5，则不需要滚动，因为非重叠跳频集大于5。本文中的滚动间隔是在假设共存信道的数目总是大于5的情况下设计的。

图2解释了一般情况下的频率滚动现象。假设微微网π1起跳，跳频集大小H=3且起始频率fs=1。在跳频集内信道选择总是伪随机的，微微网在滚动间隔之后，会滚动到下一个跳频集，为了在下一个跳频集中找到信道，计算新的起始频率为

只要已知fsnext和H，就可以通过2.1节给出的方法确定跳频集。图2中，第2个跳频集H2的起始频率fs=27或26+1，其中26是频率偏移的值。

图2 DAFR中的频率滚动

2.4 避免跳频集之间的重叠

图3给出了共享重叠跳频集的两个微微网π1和π2可能存在的两种重叠情况，其中跳频集大小H=5。图3a中，微微网π1和π2完全重叠，这是最差的情况。为了避免重叠，任意微微网需要跳转并转移它的起始频率，至少向前或向后转移5个频率间隙，与跳频集大小H相等［11］。图3b是重叠中最好的情况，微微网仅重叠了一个频率间隙，只要微微网π2将起始频率向前转移一个频率间隙或微微网π1将起始频率向后转移一个频率间隙，就能避开重叠。为了确保避免跳频集之间的重叠，需要为上述最差情况设计一个新的起始频率，为了经历随机跳转，将Nj限制在两个门限之间，即

式中:Nj的上限是为了在所有M个信道的起始频率结束(ISM带宽中79个信道)时避免重叠。一旦已知Nj，应用式(10)加入“跳”的影响，最后在式(11)中进行“模”操作将起始频率置于信道内。

已知跳频集大小H和频率偏移Δf就能确定新起始频率。运用2.1节的方法，就可以找出无重叠的新跳频集。

2.5 避免蓝牙和WLAN之间的干扰

图3 共存微微网之间的重叠

由于DAFR中，信道良好分布于ISM频段的整个范围内，所以静态干扰源不会阻塞所有信道。如果在一个特定信道上，不成功传输经历超过了预定义阈值(由静态干扰源引起的可处理PER值)，则将信道从跳频集中移除，并将它标记为“坏”信道。跳频集维持不变，跳频集内的信道会用“好”和“坏”标记，但是微微网会在小数量信道上跳频，而不是在整个信道范围内(H≪M有助于微微网迅速移除因静态干扰源而重叠的“坏”信道)。不论跳频集中信道的数目如何，跳频速率基本保持不变，如果跳频集中信道数目较少，则遍历所有信道的时间跨度会很短，信道质量分类也会在较短时间内完成。相比于AFR，在DAFR中，不需要遍历整个ISM频段就能分出“好”和“坏”信道，这既避免了自干扰，又避免了微微网节点之间传输信息上的额外消耗，有助于维持有效吞吐量。

3 仿真实验

3.1 仿真实验内容

本文搭建了一个基于MATLAB的仿真平台，用来评估DAFR和先前提出的AFR和AFH技术的性能。为了加入动态影响，本文设定了一个热点，微微网达到这个热点并在停留特定时间之后离开。微微网的到达率遵循平均值为λ的泊松分布，每个微微网的停留时间是从均值为τav秒的指数分布中随机抽取的值，并且确保微微网在热点停留至少20 s。整个仿真中微微网的平均数目为

设置τav=60 s，不同的微微网平均数目设置不同的λ。为了加入静态干扰源的影响，假设WLAN也到达热点，停留一个指数分布的时间跨度之后离开，它的τav取值为300 s，WLAN在热点的最小停留时间取60 s。为了便于在任意时刻限制WLAN的数目，设置WLAN到达率比微微网低很多。使用式(12)能得到WLAN的平均数目，为了在最差情况下评价提出方案的性能，假设WLAN在热点停留的时间内一直传输数据［12］。

仿真设置中，由于微微网是伪随机选择信道，为了避免随机性的影响，实验中将执行10 000次仿真。

在仿真实验的第一部分，研究了参数如跳频集大小H、微微网平均数目Nav和WLAN数目变化对有效吞吐量的影响。仿真实验的第二部分比较了AFR和DAFR的频率分集性能。为了在信道选择中加入随机性影响，设定计算频率分集时间超过20 s，即微微网在热点的最小停留时间。

3.2 有效吞吐量性能比较

本节进行了各种微微网平均数目和跳频集大小对有效吞吐量影响的仿真实验。

图4显示了各种微微网数目(Nav)和各种跳频集大小(H)在一个WLAN下的仿真结果。可以看出，对于任意H值，DAFR的有效吞吐量都远好于AFR，AFR中的有效吞吐量较差是因为微微网为避免静态干扰源而进入到“探测”状态，当微微网返回到正常状态时，它需要消耗一些时间来寻找非重叠跳频集［13］。而在DAFR的情况下，不需要额外消耗，仅通过给定跳频集中的传输经历来分类信道的“好”和“坏”。图4还表明如果H增加，有效吞吐量会减小，这是因为H增加，微微网找到非重叠跳频集的可能性将变小。如果微微网数目增加，有效吞吐量也会因H较大而迅速下降。

图4 存在WLAN时有效吞吐量随着微微网数目Nav变化的影响

为了进一步阐述有效吞吐量和H之间的关系，图5给出了在各种Nav值下改变H值的仿真结果。结果表明如果H增加，有效吞吐量会降低，因为共存微微网不能定位非重叠跳频集，如果Nav增加，跳频集之间重叠的概率会增加，就会引起有效吞吐量的下降。

图6显示了存在和不存在WLAN情况下自适应跳频(AFH)和DAFR之间的性能比较，跳频集大小为H=5(选择这个数目是因为H≤6不需要频率滚动)。AFH的性能随着微微网数目的增加而急速下降，因为没有避免自干扰的机制［14］。不管有没有WLAN，DAFR的性能都比AFH好，因为本文提出的DAFR通过选择非重叠跳频集而避免了自干扰。

图5 存在WLAN时有效吞吐量随着H变化的影响

图6 存在和不存在WLAN干扰下DAFR与AFH的比较

3.3 频率分集性能比较

图7显示了AFR和DAFR之间频率分集性能的对比。使用式(6)给出的表达式计算频率分集，持续运行仿真20 s，即微微网在热点的停留时间，这样做的目的是最小化信道随机选择中带来的误差。可以看出，在频率分集方面DAFR优于AFR。在AFR中，当H值较低时，频率分集就会降低，这是AFR的一个主要缺点［15］。在DAFR中，频率分集几乎不会受到跳频集大小的影响，因为给定跳频集中任意两个信道之间总会有明显的频率偏移。本文提出的方法获得了较高频率分集，有助于提高网络对干扰的免疫力。

图7 频率分集随跳频集大小H的变化

4 结束语

本文提出一种多元化自适应频率滚动(DAFR)技术，通过跳频集设计减轻了多种网络间自干扰，改善了跳频分集并消除了频率重叠。DAFR通过仅探测部分信道“好”和“坏”来避免静态干扰，最大限度地减少了网络吞吐量的浪费。仿真研究证明，在静态干扰源存在的情况下，DAFR相比于AFR和AFH有效节约了吞吐量，并改善了频率分集。

未来，将继续研究DAFR技术，并将其部署在各种类型的跳频网络中，进一步缓解网络的自干扰和静态干扰，从而更好地实现各种网络的共存。

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