无线通信论文

1PartiallyOverlappedChannelsNotConsideredHarmful部分重叠信道不具伤害性ABSTRACTManywirelesschannelsindifferenttechnologiesareknowntohavepartialoverlap.However,duetotheinterferenceeffectsamongsuchpartiallyoverlappedchannels,theirsimultaneoususehastypicallybeenavoided.Inthispaper,wepresentafirstattempttomodelpartialoverlapbetweenchannelsinasystematicmanner.Throughthemodel,weillustratethattheuseofpartiallyoverlappedchannelsisnotalwaysharmful.Infact,acarefuluseofsomepartiallyoverlappedchannelscanoftenleadtosignificantimprovementsinspectrumutilizationandapplicationperformance.Wedemonstratethisthroughanalysisaswellasthroughdetailedapplication-levelandMAC-levelmeasurements.Additionally,weillustratethebenefitsofourdevelopedmodelbyusingittodirectlyenhancetheperformanceoftwopreviouslyproposedchannelassignmentalgorithms—oneinthecontextofwirelessLANsandtheotherinthecontextofmulti-hopwirelessmeshnetworks.Throughdetailedsimulations,weshowthatuseofpartiallyoverlappedchannelsinboththesecasescanimproveend-to-endapplicationthroughputbyfactorsbetween1.6and2.7indifferentscenarios,dependingonwirelessnodedensity.Weconcludebyobservingthatthenotionofpartialoverlapcanbetherightmodelofflexibilitytodesignefficientchannelaccessmechanismsintheemergingsoftwareradioplatforms.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——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。KeywordsIEEE802.11,channelassignment,partiallyoverlappedchannels.关键词IEEE802.11，信道分配，部分地重叠通道。介绍图一，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）2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2.4GHz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802.11DCF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-CTS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——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“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。3图2：TCP/UDP的吞吐量与物理距离。本文的重点是在频域范围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，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2Mbps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，802.11b指定的标准,该标准提供了11Mbps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：（i）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。（ii）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IEEE802.11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。4表1：发射频谱遮罩用于在IEEE802.16标准的无线城域网物理层的28MHz的信道功率衰减下降-30分贝，并进一步到-50分贝在Fc±22兆赫，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IEEE802.16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IEEE802.11b标准下的信道6。该信号占用中心频率左右的44MHz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