作為無線通信領域的熱點之一，無線局域網得到了越來越多的關注。在有線線纜安裝困難的地區，無線局域網作為有線網絡的替代，提供到有線骨干網的無線數據傳送服務。近年來，無線局域網還被用來在熱點地區提供高速的公眾無線接入服務。作為無線局域網基礎協議之一，IEEE802.11b^[1]工作[hhf1]在2.4GHz的ISM頻段，其物理層采用直接序列擴頻技術(DSSS)，提供了最高達11Mbps的數據速率" title="數據速率">數據速率。
　　工作在2.4GHz的ISM頻段上的其它無線發射機可能會對IEEE802.11b設備的工作造成干擾，例如藍牙網絡、商業微波爐等。很多文獻[2～3]研究了藍牙網絡與IEEE802.11b的共存和商業微波爐對IEEE802.11的干擾問題，本文不討論這類問題。由于采用DSSS物理層，IEEE802.11b設備具有一定的抗干擾能力。這些干擾主要是高斯白噪聲、突發性噪聲干擾或者其它不同類型無線發射機干擾。當干擾強度超過某門限值時，引起IEEE802.11b小區性能顯著下降，甚至不可用。其實，對抗干擾的最好方法就是重新進行頻率配置，減少信道帶寬與干擾信道帶寬的重疊。因此，本文提出了適用于IEEE802.11b基礎結構網絡的自適應頻率規劃機制，并對該機制進行了工程實現" title="工程實現">工程實現。相對于其它通過改進DCF達到抗干擾目的的MAC層方案，本文提出的方案能簡單通過軟件升級實現，而且抗干擾能力更強。
1 IEEE802.11b物理層特性
　　IEEE802.11b定義了兩種工作模式：基礎結構網絡(Infrastructure)和自組織網絡(Ad hoc)。在基礎結構網絡中，BSS小區的所有站點工作信道由AP決定。通常情況下，AP的工作信道在初始化中配置。遇到強外部干擾，AP的配置無法改變，導致BSS小區的性能嚴重下降。
　　在83.5MHz帶寬上，一共定義了14個信道。每個信道的中心頻率相距5MHz。信道編號及其對應的中心頻率見文獻^[1]。在中國，遵守相關無線頻率規劃，支持其中11個信道。盡管支持四種不同速率，IEEE802.11b物理層信號帶寬為22MHz，占有超過4個信道帶寬。稱來自重疊或相鄰BSS小區工作信道的干擾為BSS小區干擾。只要工作信道中心頻率至少相距25MHz，小區干擾就不會產生。由于使用相同的偽隨機擴頻序列碼，仔細測量表明，在通常情況下，當重疊或相鄰BSS小區中心頻率在15MHz內時，小區干擾會成為影響BSS小區性能的主要因素。因此，為減少或避免小區干擾的發生，通常需要預先進行嚴格的頻率配置規劃，或者采用信號分集處理技術。在很多情況下，由于應用環境的限制，普通分集技術難以消除小區干擾的影響。

??? 2.4GHz的ISM頻段還有可能存在其它窄帶信號干擾。這樣的窄帶干擾信號" title="干擾信號">干擾信號可能來自于其它無線發射機的帶外泄漏。這樣的窄帶信號通常持續時間長，具有較高的信號功率，對BSS小區性能影響較大。從對干擾信號的分析得到自適應頻率規劃機制的基本思路：當BSS小區受到強烈干擾導致性能降低時，AP依據一定的算法通過軟件重新配置工作信道，直至成功躲避干擾信號為止。
2 自適應頻率規劃機制簡述
　　自適應頻率規劃機制的流程描述為：AP采集平均噪聲值，按照預定干擾判決準則進行干擾判決。如果判決干擾消失，持續時間重置為0，經過延時重新進行干擾參數采集和干擾判決。如果判決干擾存在且持續時間大于預定值時，按照隨機產生的工作信道切換序列重新進行工作信道配置；否則延時后重新進行干擾參數采集和干擾判決。當重新配置工作信道完成后，若平均噪聲值恢復，結束信道配置過程。否則繼續按照已產生的工作信道切換序列配置工作信道。直至遍歷所有工作信道后結束。
　　設工作信道切換序列為：F_x={f_x(1),f_x(2),f_x(3),…，f_x(p)}。此時，f_x(i)表示在種子數x產生的工作序列中第i個頻率的工作信道編號，p是該序列中信道的個數(p=11)。假設當前工作信道編號為f_x(i)，則重新配置的工作信道編號為f_x(i+1)。因此，給定種子數x和序列索引i，就可以得到重新配置的工作信道編號。
　　工作信道編號由式(1)給定：
　　f_x(i)=[b(i)+x]mod(11)+1???????????? (1)
　　其中，種子數x的產生符合區間均勻分布的隨機過程。取模和加1的目的是保證產生的工作信道編號符合標準^[1]。b(i)為預定序列，其值可由表1決定。在表1中，相鄰b(i)值相距至少為4，保證產生的相鄰工作信道中心頻率間距至少20MHz。表1可有多種變化，使得工作信道切換序列具有不同性質，可做進一步討論。

3 工程實現
　　為了研究自適應頻率規劃機制的性能，筆者對自適應頻率規劃機制進行了工程實現。在基礎結構網絡中，自適應頻率規劃機制工作于AP上，以實現對BSS小區的頻率控制。值得注意的是，目前的自適應頻率規劃只適于單BSS小區。多BSS小區的AP協同進行自適應頻率規劃的研究依賴于IEEE802.11f中IAPP協議^[4]，有待于進一步研究。
　　為提高適用性，筆者采用應用最廣的Prism2硬件平臺作為IEEE802.11b接入點開發平臺。此平臺核心MAC控制芯片為HFA3841，并通過寄存器讀寫實現參數配置、控制和狀態讀取等操作。采用Host-Based 模式^[5]實現PC對AP的模擬(注：Host-Based 模式為AP的一種編程實現。；采用D-Link公司PCI接口無線網卡(DWL-520)實現IEEE802.11b無線接口。運行在PC上的操作系統為Linux，內核版本為2.4.20。
　　筆者采用C語言編寫了Host-based模式的AP程序，用于實現PC對AP功能的模擬，并嵌入了可配置的自適應頻率規劃機制。它由工作信道切換序列模塊和核心控制模塊組成。其三層軟件層次架構如圖1所示。

　　當PC完成所有軟件模塊的加載并正確配置后，就可以完整地模擬具有自適應頻率規劃機制功能的AP。只要經過正確配置，其它具有IEEE802.11b無線網卡的計算機就可以通過此PC連接到有線局域網中。
4 測試環境" title="測試環境">測試環境和結果
　　為了模擬小區干擾和窄帶信號干擾，信號發生器(型號：HP8648D)產生2.4GHz的功率可調的窄帶干擾信號，并通過同軸電纜連接一個工作于2.4GHz的定向微帶天線(增益為6.7 dBi)。為了排除其它因素對測試結果的影響，采用了最簡單的IEEE802.11b基礎結構應用模式。測試環境如圖2所示。

　　設備1為工程實現中對AP模擬的PC；設備2為具有IEEE802.11 PCMCIA無線網卡(型號：)的PC；設備3為高性能服務器；設備4為信號發生器，通過設備5(微帶天線)產生窄帶干擾信號。設備2通過設備1連接至設備3上。采用FTP文件下載作為上層應用場景。在這里，忽略無線傳播對TCP/IP協議影響。
　　經過仔細檢查和測量，測試環境中不存在其它可能的干擾。由于無線信號傳播受環境和多徑效應(快衰落)的影響，在整個測試中，設備5到設備1的視線距離造成時變信號的衰減。為減少實驗的復雜度，固定設備5到設備1的視線距離為定值，并取設備5的輸出功率減去設備1的噪聲功率算術平均值(該平均值通過多次測量設備1的噪聲功率得到)作為固定信號衰減值。在此情況下，只調節信號發生器的輸出功率就可改變干擾信號的強度，并可預估計噪聲功率。
　　測試前還需要確定兩個重要參數：噪聲功率門限值和噪聲采集周期。經過反復實驗，根據在設備1上讀出的當前信道信號質量、當前信道的信號功率及噪聲功率，發現：接收信號功率變化不顯著，為±2dB；噪聲功率變化顯著。當噪聲功率達到-120dB時，設備2與設備1的連接受到很大影響，有時幾乎無法進行正常連接，BSS小區性能下降得很快。因此可以設定-120dB為噪聲功率門限值。噪聲采集周期決定了系統對干擾信號的反應時間。為避免突發性干擾造成頻繁工作信道切換，噪聲采集周期設定為6s。
　　為了準確評估自適應頻率規劃機制對BSS小區抗干擾性能的改善，筆者設計了兩個測試場景。場景一配置有自適應頻率規劃機制，場景二沒有配置自適應頻率規劃機制。兩個測試場景的測試步驟為：(1)按圖2設置測試環境并完成正確配置，設備2通過設備1連接至設備3；(2)開通FTP服務，傳輸文件；(3)設置設備4輸出頻率為當前工作信道的中心頻率，并設置設備4輸出為關閉狀態，即無干擾下，記錄數據穩定傳送的最大速率為初始速率；(4)在5s時，設置設備4輸出為開啟狀態，記錄50s內以5s為時間單位的數據傳輸速率(kbps)；(5)重新設置設備1的工作信道，重復步驟(1)至(5)。每種場景進行20次獨立測試，取每時間單位測試結果算術平均值作為各記錄時刻的數據速率，如圖3所示。