1、Partially Overlapped Channels Not Considered Harmful部分重疊信道不具傷害性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.摘要我們知道在不同的技術中許多無線信道會有部分重疊。然而，由于在這樣的部分重疊信

6、道中的干擾影響，通常 被避免它們同時使用。在本文中，我們提出了用系統的方法首次嘗試模擬信道之間部分重疊。通過該模型，我 們說明了使用部分重疊的通道并不總是有害的。事實上，如果謹慎使用一些部分重疊的信道常常會帶來頻譜利 用率和應用性能的顯著改善。我們證明這一觀點通過分析，以及通過詳細的應用層和MAC層的測量。另外，我 們說明了我們開發的模型的好處通過用它來直接增強兩個先前提出的信道分配算法的性能一一在無線局域網和 其它的在多跳無線網狀網絡。通過詳細的模擬，我們表明這兩種情況下利用部分重疊的信道可以在不同的情況 下提高終端到終端的應用吞吐量因子在1.6和2.7之間，這取決于無線節點密度。最后，我們

7、通過觀察得出部分重 疊的概念正好可以靈活的來設計高效的信道接入機制在新興的軟件無線電平臺。KeywordsIEEE 802.11, channel assignment, partially overlapped channels.關鍵詞IEEE 802.11，信道分配，部分地重疊通道。Llml介紹Transmit PowerLlml介紹Transmit PowerFrwq颶耳(aciualj(粵 partially-owrif pi ngchannels (actual(aciualj圖一，部分重疊和不重疊信道為了正確的解決發送機在無線介質上傳輸的競爭，許多無線技術采用雙重做法。首先，分裂頻

8、譜頻帶為子范 圍被稱為“信道并且每個發射機（和其相應的接收器）占用這些信道中的某一個。顯然，在發送機數量與信道 數量不相符時，還會出現爭用問題。不同的技術采用不同的機制，例如時分多址（TDMA），碼分多址（CDMA） 或隨機存取的機制等。本文列舉了以802.11 （a/b/g）為基礎的無線通信技術的例子，802.11b運行在2.4 GHz的頻譜波段，它被分為11 個信道。每個信道的帶寬是44兆赫。當在802.11 DCF模式操作時，分配給無線發射機的信道使用隨機接入爭用 機制，如RTS-CTS握手。無線信號自身調頻使用的是跳頻擴頻（FHSS）或直接序列擴頻（DSSS）技術，允許 它潛在的共存與

9、其他無線技術傳輸和環境噪聲。干擾范圍：對一個給定的信道的傳輸和任何其他傳輸在相同的信道干擾在一定范圍內。傳輸干擾范圍取決于傳 輸功率。因此對傳輸功率的選擇決定了相同信道的空間再利用。兩個同時傳輸在相同的信道共存則要求物理分 離。為了提高信道的空間再利用，每種無線技術都加強其在信道上可允許的傳輸功率的特定限制。信道分界：首先研究的是發射信號的能量和無線信道的信息容量之間的關系。 香農公式如下：每種無線技術定義精確的界限發射器的輸出功率在信道的頻率范圍內。為了最大限度地利用一個給定的信道的 容量在發射功率的約束內，發射機應該發射的最大允許功率的信道的所有的頻率。例如，圖1（a）所示。發射機限制輸出

10、功率在不同的頻率上可以看做一個理想的帶通濾波器。根據這樣的結構 在邏輯上具有相鄰信道（A1，A2和A3）是不重疊的，即兩個相鄰信道不共享任何頻率。而信道的這種結構在容 量方面是有效的。但是現實中并非如圖a所示的理想的帶通濾波器。而是如圖b，這意味著這樣的信道的容量是 比理想的那些在圖1（a）中的低。802.11標準的相鄰信道被構造以兩種不同方式。802.11a標準信道的構造類似于示于圖1（b）與相鄰信道之間沒 有重疊。因此，信道B1和B2可以同時用于相同的物體附近傳輸。802.11b的標準，通道被構造類似于圖1（c），其中相鄰信道（例如，C1和C2）部分頻域重疊顯示。這種結構 的含義是，在物理

11、上接近的通道C1和C2同時傳輸會造成干擾。我們稱這樣的信道部分重疊信道。因此，在許多 情況下，這種部分重疊的信道不能被同時使用。在本實施例中圖1（c）可以看出，只有信道C1，C4和C7沒有 重疊的頻域，我們稱他們非重疊信道。當兩個遠程發射機在相同的信道進行操作，它們彼此干擾。這種干擾被 稱為同信道干擾。當兩個發射器在相鄰信道的重疊那部分操作時，會導致程度較輕的干擾，這被稱為相鄰信道 干擾的。最后，兩個發射器在非重疊的信道操作不會相互干擾。部分重疊的信道可以被使用嗎？對進行無線通信的節點分配信道是一個重要的問題，例如：802.11b定義了11個信道，其中只有3個信道不重疊， 即1.，6和11。大

12、多數用戶和無線局域網管理員配置其無線接口通常使用這三個不重疊信道之一。這導致在較為 密集的場景下在最典型的情況下，會有兩個相鄰節點分配相同的信道。這種方法是接受的由于以下原因： 在相同的信道，也就是說，同信道干擾的干擾可以直接檢測，并且可以通過爭用解決機制明確地處理，例如， 在RTS-CT S握手在802.11網絡。相反，相鄰的信道干擾往往有助于背景噪聲，并且不能以清晰的方式通過信道 爭用的技術來處理。因此系統的方法來處理相鄰信道干擾通常被認為是困難的。由于相鄰信道干擾的不利影響， 之前所有的無線信道的分配方法在不同的無線技術方案（例如，蜂窩網絡，802.11無線局域網等）也單獨使用 非重疊的

13、信道。本文的重點是研究系統的方法可以有效地利用部分重疊信道，以提高頻譜利用率。具體而言，我們首先描 述了一個模型，捕捉部分重疊信道干擾的影響，然后說明這樣的模型如何可以有效的利用在提高信道分配算法 的設計，并最終進行詳細的評估研究，以演示這樣的模型和算法方法如何導致無線頻譜的利用率提高。我們的 例子是繪制兩個應用場景一一信道需要在無線局域網（WLAN）以及多跳無線Mesh網絡分配。關系到物理層的編碼技術：乍一看它可能似乎是更好的物理層調制技術可以利用光譜的整個范圍，同時還 允許對不同傳輸并存。例如，在跳頻擴頻方法中，一個單一的傳輸被編碼在不同的頻率和不同的時間。傳輸的 頻率序列的選擇先驗采用“

14、跳頻”的模式決定。因此，具有不同跳頻模式的節點可以共存于相同的頻域。然而， 使用相同的物理層調制技術的所有節點共享無線介質的容量由調制決定。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圖2： TCP / UDP的吞吐量與物理距離。本文的重點是在頻域范圍

15、內仔細管理同時傳輸以提高頻譜利用率-這是相輔相成的對于物理層方法的機制。主要貢獻：以下是這項工作的主要貢獻：一個詳細的系統的部分重疊信道的模型在無線通信中是一般性的并且適用于廣泛的通信技術。該模型動 機通過詳細的實驗。我們使用模型來修改現有的兩個信道分配和管理的算法在不同的無線場景。并且顯示新的模型是怎樣顯 著提高無線頻譜的利用率。測量部分重疊KoiPfllr-APakiaTigui e 3: The inensureineDt setup.設置：兩對無線通信通信節點建立802.11硬件放置如圖3。在每一對中，兩個通信節點被放置在彼此的附近。每 對中的下層節點發送流量到上層節點。為了進行通信，

16、在所有實驗中，每對的兩個節點被配置為使用相同的無 線信道。兩對節點之間的物理隔離和信道分離是變化的。在18的實驗中使用1和2 Mbps的數據速率在物理層它 使用二進制相移鍵控(BPSK)調制。我們報告結果使用補碼鍵控(CCK)調制，802.11 b指定的標準，該標準提供 了11 Mbps的數據速率。圖2顯示了這些結果對于TCP和UDP在應用層流量。我們注意到這樣的結果有如下要點：從圖二的結果可以看出，物理分離增加，干擾減少，且導致了增加的吞吐量。然而，相同級別的吞吐量在小的物理分離可以實現通過增加兩對節點之間的信道分離。例如，如圖2 所示三個通道分離(如通道1和4)物理分離大約10米足以讓兩個

17、節點吞吐量達到最大可能。然而,在 同一個信道上進行操作需要大約60米的物理分離才讓兩個鏈接操作沒有干擾。因此，如果謹慎使用部分重疊信道可以提供更大的空間再利用。部分重疊的模型無線信號在其確定的頻率范圍內集中了大部分能量在一定有限帶寬。當一個發送節點發射一個無線信號在一個 特定的無線信道中。它使用一個發射頻譜掩模。發射頻譜掩模在指定的頻率上限是允許的對于發射信號的所有 頻率。圖4展示出發射頻譜掩模在IEEE 802.11標準標準下使用DSSS調制。信道帶寬為44兆赫。中心頻率fc， 掩模的限制的輸出功率為0-輸出功率等于輸入功率并且信號傳遞未受影響。頻率在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：發射頻譜遮罩用于在IEEE 802.16標準的無線城域網物理層的28 MHz的信道功率衰減下降-30分貝，并進一步到-50分貝在Fc22兆赫，其中，通道c的中心頻率為Fc。類似地，表1列出了 發射頻譜掩模在IEEE 8

19、02.16標準（WiMAX的）下有一個類似的結構。注意，該發射頻譜掩模是理想并且現實中只有一些連續近似的。為了接收一個給定的信號，一個接收器使用其他帶通濾波器選擇性地接收某個頻帶。帶通濾波器“允許” 允許中心頻率附近的一定頻帶并消除了所有其他頻率通過無線電電路在接收端。接收到的信號的功率取決于接 收機的帶通濾波器和發射器的信號分配（通常由發射頻譜掩模限定）在頻域之間的重疊量。基于這些觀察，可以量化兩個無線信道之間部分重疊的概念。圖5中所示，一個發射機的輸出功率分布在一 個中心頻率為Fc的特定信道。如果FC =2.437吉赫，對應于IEEE 802.11b標準下的信道6。該信號占用中心頻率左 右

20、的44 MHz的帶寬。一個理想的帶通濾波器的接收器被定位在Fc+10兆赫。因為802.11b的通道有5MHz的分離， 則接收機被調諧到信道8。關于信道6發送的信號被接收在通道8以低的接收功率，并且這個功率是由在陰影區域 中的能量所示。另外，如果接收器的過濾器連續地轉換為正確，則所接收的功率將減小以相應連續方式。Bind-pses filter centerediki FgBind-pses filter centerediki Fg +10專門針對基于I EEE802.11標準的傳輸 之間的重疊量。專門針對基于I EEE802.11標準的傳輸 之間的重疊量。t= 5| i - I日畋了）=沖）

21、=一m召 -30dB id.B圖5：功率減少由于接收機和發射機的信道之間的重疊減少。發展模式：第一步，以發展機制采取部分重疊的優勢建立一個模型，以一個定量的方式捕獲出現重疊。我們引 入的干擾因子（I-因子的簡稱）的概念，即捕捉在某一頻率FT和在一個特定的接收頻率FR之間傳輸的重疊量。 重疊量是被定量捕獲通過計算信號頻譜和接收器的帶通濾波器之間的交叉區域。ST（f）表示信號在整個頻譜的功 率分布，BR（f）分別表示帶通濾波器的頻率響應。IF（t）為接收功率。I時g=Sr（F）BR（F-r）df （1）J 8我們定義了理想化的離散的模型I-因子表示為Itheory（i，j）作為i，j信道if I/

22、 - F, 22MHz if 11MHz |7 - Fc othenwise離散量I因子也可憑經驗通過測量得到如下:Pi表示接收功率一個特定的信號在給定的位置在信道i,而Pj表示相同信號相同位置在信道的接收功率。則I measured（i，j）通過Pi/Pj計算。這實際上給出了在信詢上的一小部分功率將被信道i接收并且將會經驗的 獲得通過測量任何給定的無線技術。圖6中的曲線顯示了理論和測量I因數值在兩個干擾的802.11b無線信道匹配得相當好。我們從圖7中也可以看到理 論的因數I在2.4 GHz的802.11信到受到來自802.16傳輸。推斷干擾影響無線信號從發射端到接收端信號強度會有衰減，如果

23、發射器和接收器被調諧到相同的信道，這是信號的衰減在 接收端可見的唯一形式。如果接收器和發射器可以被調諧到不同信道（用不同的中心頻率）信號衰減被認為附 加在接收機處，為給定的I因子。因此，無論是物理的距離還是發射機和接收機之間的頻譜距離都應為信號的衰 減負責。因此，一個信號的干擾效應考慮這兩個因素。接收功率如下：r 一帝一如果N是接收機的環境噪音，然后信號被正確的接收如果信號的噪聲比（SNR）超過了載波檢測閾值th，在 這種情況下R被認為是在T的傳輸范圍內，如果SNR低于該閾值時，信號不被正確地在接收器解碼。而不是接收 的功率增加噪聲在接收器。在這種情況下，我們認為R在T的干擾范圍但不是它的傳輸

24、范圍之內。現在考慮兩個發射器T和T0，試圖分別與兩個接收器R和R0進行溝通。假定兩個接收機都發射機的傳輸范圍 之內。在這種情況下，兩個傳輸不能同時出現（由于干擾影響）因而減少并行性。然而由于兩個發射器都在接 收機的范圍內，則可爭用傳送，可以使用標準的標準MAC層機制，如RTS-CTS解決。當接收器R是在發射機T為干擾范圍內而不是在其傳輸范圍內，這種競爭解決是不可能的。這是因為MAC 級機制，如RTS-CTS，依靠R正確地接收來自丁的幀。特別是，從T傳輸將增加噪聲在R，從而接收數據時降低 其信噪比從其他發送器T0。如果作為結果的信噪比低于載波檢測閾值，則這樣的數據沒有被正確接收。我們研究這兩種情

25、形反過來。在傳輸范圍內部分重疊信道的影響。當R在T的傳輸范圍內，這兩個射線平面傳播模型下的條件：Th d Pr _ gig)Th d csitrpk.信道分配在無線局域網：在WLAN的信道分配的問題處理為APs分配信道，從而最大限度的提高性能通過消 除相鄰的BSSs、之間干擾。通常情況下，無線LAN或者使用靜態信道分配或AP使用簡單的啟發式.而仔細的分配 信道，APs可以提高性能通過啟發式，客戶的負載均衡可用AP是重要的對于實現顯著增長。在給定的鄰域平均 增加接入點的密度，小心分配信道的客戶端和負載的平衡已經成為一個重要的問題。Topol ogj NujEraher02468ID1214TDp

26、ologj1 Topol ogj NujEraher02468ID1214TDpologj1 NlhhIkt(a) UDP Throughpm(b) MAC Wilis wFigur e 12: Rhiilt號 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基于部分重疊的增強：我們簡要地討論我們的增強功能其中包括部分重疊信道的概念。所有的增強局限

27、于 cfc功能，如前所述。客戶端c經歷的總干擾。隨機壓縮算法，使用這種目標函數不需要修改。仿真結果：我們進行的修改NS-2模擬器來改善無線鏈路的行為納入真實的信道模型。我們的修飾包括固定 的二進制干擾模型中存在NS-2, 一個誤碼率模型的實現和根據I-因子模型的實現部分重疊通道。我們觀察到11個部分重疊信道帶來TCP/UDP吞吐量的改善通過因子在1.6到3.0之間取決于客戶密度，如果11 信道都是非重疊的，我們期望一個最好的改善情況即11/3=3.67（超過3個非重疊信道）。我們使用11個重疊的信 道的吞吐量比3個非重疊在2.4GZH帶寬的信道明顯提高。我們也觀察到部分重疊信道的客戶端的吞吐量

28、為最大 可能獲得值的70%相比于在11個非重疊信道。這種差距約30%是由于部分重疊出現在信道。吞吐量的改進：兩個圖顯示，部分重疊通道執行會更好。例如，在圖12（a）如拓撲數為0，使用非重疊的 信道每個客戶端的吞吐量0.3 UDP，而使用部分重疊的吞吐量為0.82，因子有2.73的改進。從圖12（b）和13（b）所示，碰撞數在部分重疊的情況下產生平均因子為2的減少。本次減少顯示部分重疊 信道如何減少這種競爭從而提高了應用程序感知指標。客戶端密度的影響：增加客戶端密度模仿所謂的網絡部署，也就是以熱點或者無管理網絡的形式出現，在 圖14.15中U DP/TCP的吞吐量是獨自的通過增加客戶端/APs的

29、密度。使用部分重疊信道隨著密度的增加而有所改 善。我們對現有的信道管理辦法改進的結果表明，該I-因子模型有廣泛適用性在以定量的方式捕捉信道之間部 分重疊。這些結果表明顯著成果，可以通過考慮出現空間和光譜再利用的可能性在聯合的方式下。增加無線局域網的容量：我們顯示了 TCP和UDP的基礎實驗在圖17.在實驗中客戶端被均勻隨機的放置在正 方形的區域內，且APs的布置如上。不同的實驗客戶端是變化的從500到1000不等。4個部分重疊信道的吞吐量提 高在50%到80%。有所提高在同一頻譜帶寬增加重疊信道數量從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.網狀網絡信道分配文章討論了用數學表述采取部分信道重疊的優勢，簡要地討論

31、一下我們的增強線性規劃模型解決調度干擾 鏈路的問題。首先，我們簡要地討論一下后面的修改鏈路流量調度問題。后來我們利用我們全套增強了實驗網 狀拓撲結構，顯示出因子1.6的平均性能改善結果。鏈路流量調度：網狀網絡建模為一個有向圖G通過設定無線路由器作為頂點的V。有向邊界包括集合E表示 骨干鏈路在mesh網絡。鏈路調度的問題是指如何將一系列的鏈路干擾可以被調度傳輸，傳輸干擾或碰撞的頻率 會降低。這是通過把時間劃分成時隙得到的。鏈路流量調度的必要條件：對于任何的時隙“IWtWT)任何的干擾自由邊緣通信調度S在信道i上必須滿足:這上述方程中，q表示一個上限關于并發傳輸的數量屬于ISET (e)邊緣范圍內

32、，并給出邊緣e在時隙t不傳 輸，即Xe，i，t=0.q的值取決于e邊緣的干擾區域的幾何性質。我們修改這個限制包括所有指標變量Xe,j,t .在信道的e邊緣會干擾在信道i的e邊緣。無* 4 1營口仲”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：獲得標準化的吞吐量通過使用N=3.4.5的非重疊信道。隨著使用M=5N-4的重疊信道的性能。這 可以對比為M=5N-4的非重疊信道的情景。這作為一個“上限”可以改進通過采用M部分重疊信道。從表中我們 可以觀察到部分重疊信道道按1.6的平均系數提高每個客戶端的吞吐量。我們還注意到，隨著N的增加，在“上 限”值和這些使用部分重疊信道實現之間的差距減少。同樣重要的是要認識到，兩組信道(部分地重疊和非重 疊的）的利用完全相同的頻率空間。因此，我們實現的性能增益不花費任何額外的頻譜的成本。總結信道的分配和管理是一個重要的問題在所有的任何無線環境中，大多數現有的信道分配

34、方法限制的解決只 適用于非重疊信道。這樣的限制是低效的，這導致了頻譜的利用率較差，合理利用頻譜資源需要使用部分信道 重疊。為了達到這一目的，適當的模型對于部分重疊信道的干擾影響是有必要。然后系統的設計應用模型，或 在某些情況下增強信道分配算法。在本文中，我們定義了相應的部分重疊信道模型，適用于多種不同的無線技術。隨后，我們使用這個模型， 以提高前兩個提出的分配算法（WLAN和其他無線網狀網絡）和量化他們的收益。技術應用展望盡管WLAN和WMN的技術研究和應用部署已經得到了長足的進步，但兩種網絡技術的發展仍面臨著一些關 鍵瓶頸。IEEE 802.11b/g/n標準在2.4GHz頻段劃分了 11個重疊信道，基于該標準的網卡射頻在通信時需要工作在 其中一個信道。根據無線調制解調的特性，工作在相同信道的無線設備會相互干擾，特別是在網絡節點較多而 信道資源有限的情況下。對WLAN而言，隨著應用的普及，同一地區內部署的WLAN熱點將不斷增多。這勢必 造成同一區域多個熱點間的信道競爭和相互干擾，而這種干擾會大大降低網絡的吞吐量，從而較大程度的影響 整個網絡的性能。同樣在WMN中，由于可用信道數量不足，網絡中的鏈路之間會相互干擾。特別是當網絡中