无线通信论文

1、Partially Overlapped Channels Not Considered Harmful部分重叠信道不具伤害性ABSTRACTMany wireless channels in different technologies are known to have partial overlap. However, due to the interference effects among such partially overlapped channels, their simultaneous use has typically been avoided. In this pap

2、er, we present a first attempt to model partial overlap between channels in a systematic manner. Through the model, we illustrate that the use of partially overlapped channels is not always harmful. In fact, a careful use of some partially overlapped channels can often lead to significant improvemen

3、ts in spectrum utilization and application performance. We demonstrate this through analysis as well as through detailed application-level and MAC-level measurements. Additionally, we illustrate the benefits of our developed model by using it to directly enhance the performance of two previously pro

4、posed channel assignment algorithms one in the context of wireless LANs and the other in the context of multi-hop wireless mesh networks. Through detailed simulations, we show that use of partially overlapped channels in both these cases can improve end-to-end application throughput by factors betwe

5、en 1.6 and 2.7 in different scenarios, depending on wireless node density. We conclude by observing that the notion of partial overlap can be the right model of flexibility to design efficient channel access mechanisms in the emerging software radio platforms.摘要我们知道在不同的技术中许多无线信道会有部分重叠。然而，由于在这样的部分重叠信

6、道中的干扰影响，通常 被避免它们同时使用。在本文中，我们提出了用系统的方法首次尝试模拟信道之间部分重叠。通过该模型，我 们说明了使用部分重叠的通道并不总是有害的。事实上，如果谨慎使用一些部分重叠的信道常常会带来频谱利 用率和应用性能的显著改善。我们证明这一观点通过分析，以及通过详细的应用层和MAC层的测量。另外，我 们说明了我们开发的模型的好处通过用它来直接增强两个先前提出的信道分配算法的性能一一在无线局域网和 其它的在多跳无线网状网络。通过详细的模拟，我们表明这两种情况下利用部分重叠的信道可以在不同的情况 下提高终端到终端的应用吞吐量因子在1.6和2.7之间，这取决于无线节点密度。最后，我们

7、通过观察得出部分重 叠的概念正好可以灵活的来设计高效的信道接入机制在新兴的软件无线电平台。KeywordsIEEE 802.11, channel assignment, partially overlapped channels.关键词IEEE 802.11，信道分配，部分地重叠通道。Llml介绍Transmit PowerLlml介绍Transmit PowerFrwq飓耳(aciualj(粤 partially-owrif pi ngchannels (actual(aciualj图一，部分重叠和不重叠信道为了正确的解决发送机在无线介质上传输的竞争，许多无线技术采用双重做法。首先，分裂频

8、谱频带为子范 围被称为“信道并且每个发射机（和其相应的接收器）占用这些信道中的某一个。显然，在发送机数量与信道 数量不相符时，还会出现争用问题。不同的技术采用不同的机制，例如时分多址（TDMA），码分多址（CDMA） 或随机存取的机制等。本文列举了以802.11 （a/b/g）为基础的无线通信技术的例子，802.11b运行在2.4 GHz的频谱波段，它被分为11 个信道。每个信道的带宽是44兆赫。当在802.11 DCF模式操作时，分配给无线发射机的信道使用随机接入争用 机制，如RTS-CTS握手。无线信号自身调频使用的是跳频扩频（FHSS）或直接序列扩频（DSSS）技术，允许 它潜在的共存与

9、其他无线技术传输和环境噪声。干扰范围：对一个给定的信道的传输和任何其他传输在相同的信道干扰在一定范围内。传输干扰范围取决于传 输功率。因此对传输功率的选择决定了相同信道的空间再利用。两个同时传输在相同的信道共存则要求物理分 离。为了提高信道的空间再利用，每种无线技术都加强其在信道上可允许的传输功率的特定限制。信道分界：首先研究的是发射信号的能量和无线信道的信息容量之间的关系。 香农公式如下：每种无线技术定义精确的界限发射器的输出功率在信道的频率范围内。为了最大限度地利用一个给定的信道的 容量在发射功率的约束内，发射机应该发射的最大允许功率的信道的所有的频率。例如，图1（a）所示。发射机限制输出

10、功率在不同的频率上可以看做一个理想的带通滤波器。根据这样的结构 在逻辑上具有相邻信道（A1，A2和A3）是不重叠的，即两个相邻信道不共享任何频率。而信道的这种结构在容 量方面是有效的。但是现实中并非如图a所示的理想的带通滤波器。而是如图b，这意味着这样的信道的容量是 比理想的那些在图1（a）中的低。802.11标准的相邻信道被构造以两种不同方式。802.11a标准信道的构造类似于示于图1（b）与相邻信道之间没 有重叠。因此，信道B1和B2可以同时用于相同的物体附近传输。802.11b的标准，通道被构造类似于图1（c），其中相邻信道（例如，C1和C2）部分频域重叠显示。这种结构 的含义是，在物理

11、上接近的通道C1和C2同时传输会造成干扰。我们称这样的信道部分重叠信道。因此，在许多 情况下，这种部分重叠的信道不能被同时使用。在本实施例中图1（c）可以看出，只有信道C1，C4和C7没有 重叠的频域，我们称他们非重叠信道。当两个远程发射机在相同的信道进行操作，它们彼此干扰。这种干扰被 称为同信道干扰。当两个发射器在相邻信道的重叠那部分操作时，会导致程度较轻的干扰，这被称为相邻信道 干扰的。最后，两个发射器在非重叠的信道操作不会相互干扰。部分重叠的信道可以被使用吗？对进行无线通信的节点分配信道是一个重要的问题，例如：802.11b定义了11个信道，其中只有3个信道不重叠， 即1.，6和11。大

12、多数用户和无线局域网管理员配置其无线接口通常使用这三个不重叠信道之一。这导致在较为 密集的场景下在最典型的情况下，会有两个相邻节点分配相同的信道。这种方法是接受的由于以下原因： 在相同的信道，也就是说，同信道干扰的干扰可以直接检测，并且可以通过争用解决机制明确地处理，例如， 在RTS-CT S握手在802.11网络。相反，相邻的信道干扰往往有助于背景噪声，并且不能以清晰的方式通过信道 争用的技术来处理。因此系统的方法来处理相邻信道干扰通常被认为是困难的。由于相邻信道干扰的不利影响， 之前所有的无线信道的分配方法在不同的无线技术方案（例如，蜂窝网络，802.11无线局域网等）也单独使用 非重叠的

13、信道。本文的重点是研究系统的方法可以有效地利用部分重叠信道，以提高频谱利用率。具体而言，我们首先描 述了一个模型，捕捉部分重叠信道干扰的影响，然后说明这样的模型如何可以有效的利用在提高信道分配算法 的设计，并最终进行详细的评估研究，以演示这样的模型和算法方法如何导致无线频谱的利用率提高。我们的 例子是绘制两个应用场景一一信道需要在无线局域网（WLAN）以及多跳无线Mesh网络分配。关系到物理层的编码技术：乍一看它可能似乎是更好的物理层调制技术可以利用光谱的整个范围，同时还 允许对不同传输并存。例如，在跳频扩频方法中，一个单一的传输被编码在不同的频率和不同的时间。传输的 频率序列的选择先验采用“

14、跳频”的模式决定。因此，具有不同跳频模式的节点可以共存于相同的频域。然而， 使用相同的物理层调制技术的所有节点共享无线介质的容量由调制决定。65 4 3Disisnoe (EeLeH(a) UDP throughput at 11Mbps data rate(b) TCP throughput nt 1.1Mbps djta rate65 4 3Disisnoe (EeLeH(a) UDP throughput at 11Mbps data rate(b) TCP throughput nt 1.1Mbps djta rate图2： TCP / UDP的吞吐量与物理距离。本文的重点是在频域范围

15、内仔细管理同时传输以提高频谱利用率-这是相辅相成的对于物理层方法的机制。主要贡献：以下是这项工作的主要贡献：一个详细的系统的部分重叠信道的模型在无线通信中是一般性的并且适用于广泛的通信技术。该模型动 机通过详细的实验。我们使用模型来修改现有的两个信道分配和管理的算法在不同的无线场景。并且显示新的模型是怎样显 著提高无线频谱的利用率。测量部分重叠KoiPfllr-APakiaTigui e 3: The inensureineDt setup.设置：两对无线通信通信节点建立802.11硬件放置如图3。在每一对中，两个通信节点被放置在彼此的附近。每 对中的下层节点发送流量到上层节点。为了进行通信，

16、在所有实验中，每对的两个节点被配置为使用相同的无 线信道。两对节点之间的物理隔离和信道分离是变化的。在18的实验中使用1和2 Mbps的数据速率在物理层它 使用二进制相移键控(BPSK)调制。我们报告结果使用补码键控(CCK)调制，802.11 b指定的标准，该标准提供 了11 Mbps的数据速率。图2显示了这些结果对于TCP和UDP在应用层流量。我们注意到这样的结果有如下要点：从图二的结果可以看出，物理分离增加，干扰减少，且导致了增加的吞吐量。然而，相同级别的吞吐量在小的物理分离可以实现通过增加两对节点之间的信道分离。例如，如图2 所示三个通道分离(如通道1和4)物理分离大约10米足以让两个

17、节点吞吐量达到最大可能。然而,在 同一个信道上进行操作需要大约60米的物理分离才让两个链接操作没有干扰。因此，如果谨慎使用部分重叠信道可以提供更大的空间再利用。部分重叠的模型无线信号在其确定的频率范围内集中了大部分能量在一定有限带宽。当一个发送节点发射一个无线信号在一个 特定的无线信道中。它使用一个发射频谱掩模。发射频谱掩模在指定的频率上限是允许的对于发射信号的所有 频率。图4展示出发射频谱掩模在IEEE 802.11标准标准下使用DSSS调制。信道带宽为44兆赫。中心频率fc， 掩模的限制的输出功率为0-输出功率等于输入功率并且信号传递未受影响。频率在Fc+11兆赫和Fc-11兆赫。陌-Q-

18、dBdB-5D dE50 d 日-Z2Mhz -11-ctlHi 1 Mhz +22 MhzFigure 4: TTlie Transmit Spectrum Miisk. for IEEE SO2.11 DSSS modu la tian.Rel Freq (MHz)131414.414 一 S22.42356Rel Power (dB)D15-20-28-3442-52表1：发射频谱遮罩用于在IEEE 802.16标准的无线城域网物理层的28 MHz的信道功率衰减下降-30分贝，并进一步到-50分贝在Fc22兆赫，其中，通道c的中心频率为Fc。类似地，表1列出了 发射频谱掩模在IEEE 8

19、02.16标准（WiMAX的）下有一个类似的结构。注意，该发射频谱掩模是理想并且现实中只有一些连续近似的。为了接收一个给定的信号，一个接收器使用其他带通滤波器选择性地接收某个频带。带通滤波器“允许” 允许中心频率附近的一定频带并消除了所有其他频率通过无线电电路在接收端。接收到的信号的功率取决于接 收机的带通滤波器和发射器的信号分配（通常由发射频谱掩模限定）在频域之间的重叠量。基于这些观察，可以量化两个无线信道之间部分重叠的概念。图5中所示，一个发射机的输出功率分布在一 个中心频率为Fc的特定信道。如果FC =2.437吉赫，对应于IEEE 802.11b标准下的信道6。该信号占用中心频率左 右

20、的44 MHz的带宽。一个理想的带通滤波器的接收器被定位在Fc+10兆赫。因为802.11b的通道有5MHz的分离， 则接收机被调谐到信道8。关于信道6发送的信号被接收在通道8以低的接收功率，并且这个功率是由在阴影区域 中的能量所示。另外，如果接收器的过滤器连续地转换为正确，则所接收的功率将减小以相应连续方式。Bind-pses filter centerediki FgBind-pses filter centerediki Fg +10专门针对基于I EEE802.11标准的传输 之间的重叠量。专门针对基于I EEE802.11标准的传输 之间的重叠量。t= 5| i - I日畋了）=冲）

21、=一m召 -30dB id.B图5：功率减少由于接收机和发射机的信道之间的重叠减少。发展模式：第一步，以发展机制采取部分重叠的优势建立一个模型，以一个定量的方式捕获出现重叠。我们引 入的干扰因子（I-因子的简称）的概念，即捕捉在某一频率FT和在一个特定的接收频率FR之间传输的重叠量。 重叠量是被定量捕获通过计算信号频谱和接收器的带通滤波器之间的交叉区域。ST（f）表示信号在整个频谱的功 率分布，BR（f）分别表示带通滤波器的频率响应。IF（t）为接收功率。I时g=Sr（F）BR（F-r）df （1）J 8我们定义了理想化的离散的模型I-因子表示为Itheory（i，j）作为i，j信道if I/

22、 - F, 22MHz if 11MHz |7 - Fc othenwise离散量I因子也可凭经验通过测量得到如下:Pi表示接收功率一个特定的信号在给定的位置在信道i,而Pj表示相同信号相同位置在信道的接收功率。则I measured（i，j）通过Pi/Pj计算。这实际上给出了在信询上的一小部分功率将被信道i接收并且将会经验的 获得通过测量任何给定的无线技术。图6中的曲线显示了理论和测量I因数值在两个干扰的802.11b无线信道匹配得相当好。我们从图7中也可以看到理 论的因数I在2.4 GHz的802.11信到受到来自802.16传输。推断干扰影响无线信号从发射端到接收端信号强度会有衰减，如果

23、发射器和接收器被调谐到相同的信道，这是信号的衰减在 接收端可见的唯一形式。如果接收器和发射器可以被调谐到不同信道（用不同的中心频率）信号衰减被认为附 加在接收机处，为给定的I因子。因此，无论是物理的距离还是发射机和接收机之间的频谱距离都应为信号的衰 减负责。因此，一个信号的干扰效应考虑这两个因素。接收功率如下：r 一帝一如果N是接收机的环境噪音，然后信号被正确的接收如果信号的噪声比（SNR）超过了载波检测阈值th，在 这种情况下R被认为是在T的传输范围内，如果SNR低于该阈值时，信号不被正确地在接收器解码。而不是接收 的功率增加噪声在接收器。在这种情况下，我们认为R在T的干扰范围但不是它的传输

24、范围之内。现在考虑两个发射器T和T0，试图分别与两个接收器R和R0进行沟通。假定两个接收机都发射机的传输范围 之内。在这种情况下，两个传输不能同时出现（由于干扰影响）因而减少并行性。然而由于两个发射器都在接 收机的范围内，则可争用传送，可以使用标准的标准MAC层机制，如RTS-CTS解决。当接收器R是在发射机T为干扰范围内而不是在其传输范围内，这种竞争解决是不可能的。这是因为MAC 级机制，如RTS-CTS，依靠R正确地接收来自丁的帧。特别是，从T传输将增加噪声在R，从而接收数据时降低 其信噪比从其他发送器T0。如果作为结果的信噪比低于载波检测阈值，则这样的数据没有被正确接收。我们研究这两种情

25、形反过来。在传输范围内部分重叠信道的影响。当R在T的传输范围内，这两个射线平面传播模型下的条件：Th d Pr _ gig)Th d csitrpk.信道分配在无线局域网：在WLAN的信道分配的问题处理为APs分配信道，从而最大限度的提高性能通过消 除相邻的BSSs、之间干扰。通常情况下，无线LAN或者使用静态信道分配或AP使用简单的启发式.而仔细的分配 信道，APs可以提高性能通过启发式，客户的负载均衡可用AP是重要的对于实现显著增长。在给定的邻域平均 增加接入点的密度，小心分配信道的客户端和负载的平衡已经成为一个重要的问题。Topol ogj NujEraher02468ID1214TDp

26、ologj1 Topol ogj NujEraher02468ID1214TDpologj1 NlhhIkt(a) UDP Throughpm(b) MAC Wilis wFigur e 12: Rhiilt号 for high iulerfretic topalogi.：j.S0.60.402 a 2 4 6 S 10 12 14TDpGog Nuuibef-十十 kI、NcfaiftGTlap 一L singrlap 3:膏1本伯(a) UDP throughput(b) MAC CoIIisiods基于部分重叠的增强：我们简要地讨论我们的增强功能其中包括部分重叠信道的概念。所有的增强局限

27、于 cfc功能，如前所述。客户端c经历的总干扰。随机压缩算法，使用这种目标函数不需要修改。仿真结果：我们进行的修改NS-2模拟器来改善无线链路的行为纳入真实的信道模型。我们的修饰包括固定 的二进制干扰模型中存在NS-2, 一个误码率模型的实现和根据I-因子模型的实现部分重叠通道。我们观察到11个部分重叠信道带来TCP/UDP吞吐量的改善通过因子在1.6到3.0之间取决于客户密度，如果11 信道都是非重叠的，我们期望一个最好的改善情况即11/3=3.67（超过3个非重叠信道）。我们使用11个重叠的信 道的吞吐量比3个非重叠在2.4GZH带宽的信道明显提高。我们也观察到部分重叠信道的客户端的吞吐量

28、为最大 可能获得值的70%相比于在11个非重叠信道。这种差距约30%是由于部分重叠出现在信道。吞吐量的改进：两个图显示，部分重叠通道执行会更好。例如，在图12（a）如拓扑数为0，使用非重叠的 信道每个客户端的吞吐量0.3 UDP，而使用部分重叠的吞吐量为0.82，因子有2.73的改进。从图12（b）和13（b）所示，碰撞数在部分重叠的情况下产生平均因子为2的减少。本次减少显示部分重叠 信道如何减少这种竞争从而提高了应用程序感知指标。客户端密度的影响：增加客户端密度模仿所谓的网络部署，也就是以热点或者无管理网络的形式出现，在 图14.15中U DP/TCP的吞吐量是独自的通过增加客户端/APs的

29、密度。使用部分重叠信道随着密度的增加而有所改 善。我们对现有的信道管理办法改进的结果表明，该I-因子模型有广泛适用性在以定量的方式捕捉信道之间部 分重叠。这些结果表明显著成果，可以通过考虑出现空间和光谱再利用的可能性在联合的方式下。增加无线局域网的容量：我们显示了 TCP和UDP的基础实验在图17.在实验中客户端被均匀随机的放置在正 方形的区域内，且APs的布置如上。不同的实验客户端是变化的从500到1000不等。4个部分重叠信道的吞吐量提 高在50%到80%。有所提高在同一频谱带宽增加重叠信道数量从4到11.O.Bo.e0.40.24Clique-4Chan3Glique3Chan4Cliq

30、ue-3Chan0 11O.Bo.e0.40.24Clique-4Chan3Glique3Chan4Clique-3Chan0 11114W 500 600 700 800 900 1 皿0 Njrnber ol cli&nts(a) LIDP tluougliput0.B0.2400 500 SOO 700 SOONumber of clients(b) TCP throughput300Figure 17: Grenter spntinl re-use with overlapped channels in WLANs.网状网络信道分配文章讨论了用数学表述采取部分信道重叠的优势，简要地讨论

31、一下我们的增强线性规划模型解决调度干扰 链路的问题。首先，我们简要地讨论一下后面的修改链路流量调度问题。后来我们利用我们全套增强了实验网 状拓扑结构，显示出因子1.6的平均性能改善结果。链路流量调度：网状网络建模为一个有向图G通过设定无线路由器作为顶点的V。有向边界包括集合E表示 骨干链路在mesh网络。链路调度的问题是指如何将一系列的链路干扰可以被调度传输，传输干扰或碰撞的频率 会降低。这是通过把时间划分成时隙得到的。链路流量调度的必要条件：对于任何的时隙“IWtWT)任何的干扰自由边缘通信调度S在信道i上必须满足:这上述方程中，q表示一个上限关于并发传输的数量属于ISET (e)边缘范围内

32、，并给出边缘e在时隙t不传 输，即Xe，i，t=0.q的值取决于e边缘的干扰区域的几何性质。我们修改这个限制包括所有指标变量Xe,j,t .在信道的e边缘会干扰在信道i的e边缘。无* 4 1营口仲”日l.,&Number ofChannels (A M)N Charnels No-overlapAf Channels Partml OverlapAf ClianudsNo-overlap3： 110.270.42O.-SS4. 160.3615.210.45OBI1Table Aggregnte throughput ncLievedto best-sceuniio the?e 5et of

33、eTperimeats).表二表明：获得标准化的吞吐量通过使用N=3.4.5的非重叠信道。随着使用M=5N-4的重叠信道的性能。这 可以对比为M=5N-4的非重叠信道的情景。这作为一个“上限”可以改进通过采用M部分重叠信道。从表中我们 可以观察到部分重叠信道道按1.6的平均系数提高每个客户端的吞吐量。我们还注意到，随着N的增加，在“上 限”值和这些使用部分重叠信道实现之间的差距减少。同样重要的是要认识到，两组信道(部分地重叠和非重 叠的）的利用完全相同的频率空间。因此，我们实现的性能增益不花费任何额外的频谱的成本。总结信道的分配和管理是一个重要的问题在所有的任何无线环境中，大多数现有的信道分配

34、方法限制的解决只 适用于非重叠信道。这样的限制是低效的，这导致了频谱的利用率较差，合理利用频谱资源需要使用部分信道 重叠。为了达到这一目的，适当的模型对于部分重叠信道的干扰影响是有必要。然后系统的设计应用模型，或 在某些情况下增强信道分配算法。在本文中，我们定义了相应的部分重叠信道模型，适用于多种不同的无线技术。随后，我们使用这个模型， 以提高前两个提出的分配算法（WLAN和其他无线网状网络）和量化他们的收益。技术应用展望尽管WLAN和WMN的技术研究和应用部署已经得到了长足的进步，但两种网络技术的发展仍面临着一些关 键瓶颈。IEEE 802.11b/g/n标准在2.4GHz频段划分了 11个重叠信道，基于该标准的网卡射频在通信时需要工作在 其中一个信道。根据无线调制解调的特性，工作在相同信道的无线设备会相互干扰，特别是在网络节点较多而 信道资源有限的情况下。对WLAN而言，随着应用的普及，同一地区内部署的WLAN热点将不断增多。这势必 造成同一区域多个热点间的信道竞争和相互干扰，而这种干扰会大大降低网络的吞吐量，从而较大程度的影响 整个网络的性能。同样在WMN中，由于可用信道数量不足，网络中的链路之间会相互干扰。特别是当网络中