作为无线通信领域的热点之一，无线局域网得到了越来越多的关注。在有线线缆安装困难的地区，无线局域网作为有线网络的替代，提供到有线骨干网的无线数据传送服务。近年来，无线局域网还被用来在热点地区提供高速的公众无线接入服务。作为无线局域网基础协议之一，IEEE802.11b^[1]工作[hhf1]在2.4GHz的ISM频段，其物理层采用直接序列扩频技术(DSSS)，提供了最高达11Mbps的数据速率" title="数据速率">数据速率。
　　工作在2.4GHz的ISM频段上的其它无线发射机可能会对IEEE802.11b设备的工作造成干扰，例如蓝牙网络、商业微波炉等。很多文献[2～3]研究了蓝牙网络与IEEE802.11b的共存和商业微波炉对IEEE802.11的干扰问题，本文不讨论这类问题。由于采用DSSS物理层，IEEE802.11b设备具有一定的抗干扰能力。这些干扰主要是高斯白噪声、突发性噪声干扰或者其它不同类型无线发射机干扰。当干扰强度超过某门限值时，引起IEEE802.11b小区性能显著下降，甚至不可用。其实，对抗干扰的最好方法就是重新进行频率配置，减少信道带宽与干扰信道带宽的重叠。因此，本文提出了适用于IEEE802.11b基础结构网络的自适应频率规划机制，并对该机制进行了工程实现" title="工程实现">工程实现。相对于其它通过改进DCF达到抗干扰目的的MAC层方案，本文提出的方案能简单通过软件升级实现，而且抗干扰能力更强。
1 IEEE802.11b物理层特性
　　IEEE802.11b定义了两种工作模式：基础结构网络(Infrastructure)和自组织网络(Ad hoc)。在基础结构网络中，BSS小区的所有站点工作信道由AP决定。通常情况下，AP的工作信道在初始化中配置。遇到强外部干扰，AP的配置无法改变，导致BSS小区的性能严重下降。
　　在83.5MHz带宽上，一共定义了14个信道。每个信道的中心频率相距5MHz。信道编号及其对应的中心频率见文献^[1]。在中国，遵守相关无线频率规划，支持其中11个信道。尽管支持四种不同速率，IEEE802.11b物理层信号带宽为22MHz，占有超过4个信道带宽。称来自重叠或相邻BSS小区工作信道的干扰为BSS小区干扰。只要工作信道中心频率至少相距25MHz，小区干扰就不会产生。由于使用相同的伪随机扩频序列码，仔细测量表明，在通常情况下，当重叠或相邻BSS小区中心频率在15MHz内时，小区干扰会成为影响BSS小区性能的主要因素。因此，为减少或避免小区干扰的发生，通常需要预先进行严格的频率配置规划，或者采用信号分集处理技术。在很多情况下，由于应用环境的限制，普通分集技术难以消除小区干扰的影响。

    2.4GHz的ISM频段还有可能存在其它窄带信号干扰。这样的窄带干扰信号" title="干扰信号">干扰信号可能来自于其它无线发射机的带外泄漏。这样的窄带信号通常持续时间长，具有较高的信号功率，对BSS小区性能影响较大。从对干扰信号的分析得到自适应频率规划机制的基本思路：当BSS小区受到强烈干扰导致性能降低时，AP依据一定的算法通过软件重新配置工作信道，直至成功躲避干扰信号为止。
2 自适应频率规划机制简述
　　自适应频率规划机制的流程描述为：AP采集平均噪声值，按照预定干扰判决准则进行干扰判决。如果判决干扰消失，持续时间重置为0，经过延时重新进行干扰参数采集和干扰判决。如果判决干扰存在且持续时间大于预定值时，按照随机产生的工作信道切换序列重新进行工作信道配置；否则延时后重新进行干扰参数采集和干扰判决。当重新配置工作信道完成后，若平均噪声值恢复，结束信道配置过程。否则继续按照已产生的工作信道切换序列配置工作信道。直至遍历所有工作信道后结束。
　　设工作信道切换序列为：F_x={f_x(1),f_x(2),f_x(3),…，f_x(p)}。此时，f_x(i)表示在种子数x产生的工作序列中第i个频率的工作信道编号，p是该序列中信道的个数(p=11)。假设当前工作信道编号为f_x(i)，则重新配置的工作信道编号为f_x(i+1)。因此，给定种子数x和序列索引i，就可以得到重新配置的工作信道编号。
　　工作信道编号由式(1)给定：
　　f_x(i)=[b(i)+x]mod(11)+1             (1)
　　其中，种子数x的产生符合区间均匀分布的随机过程。取模和加1的目的是保证产生的工作信道编号符合标准^[1]。b(i)为预定序列，其值可由表1决定。在表1中，相邻b(i)值相距至少为4，保证产生的相邻工作信道中心频率间距至少20MHz。表1可有多种变化，使得工作信道切换序列具有不同性质，可做进一步讨论。

3 工程实现
　　为了研究自适应频率规划机制的性能，笔者对自适应频率规划机制进行了工程实现。在基础结构网络中，自适应频率规划机制工作于AP上，以实现对BSS小区的频率控制。值得注意的是，目前的自适应频率规划只适于单BSS小区。多BSS小区的AP协同进行自适应频率规划的研究依赖于IEEE802.11f中IAPP协议^[4]，有待于进一步研究。
　　为提高适用性，笔者采用应用最广的Prism2硬件平台作为IEEE802.11b接入点开发平台。此平台核心MAC控制芯片为HFA3841，并通过寄存器读写实现参数配置、控制和状态读取等操作。采用Host-Based 模式^[5]实现PC对AP的模拟(注：Host-Based 模式为AP的一种编程实现。；采用D-Link公司PCI接口无线网卡(DWL-520)实现IEEE802.11b无线接口。运行在PC上的操作系统为Linux，内核版本为2.4.20。
　　笔者采用C语言编写了Host-based模式的AP程序，用于实现PC对AP功能的模拟，并嵌入了可配置的自适应频率规划机制。它由工作信道切换序列模块和核心控制模块组成。其三层软件层次架构如图1所示。

　　当PC完成所有软件模块的加载并正确配置后，就可以完整地模拟具有自适应频率规划机制功能的AP。只要经过正确配置，其它具有IEEE802.11b无线网卡的计算机就可以通过此PC连接到有线局域网中。
4 测试环境" title="测试环境">测试环境和结果
　　为了模拟小区干扰和窄带信号干扰，信号发生器(型号：HP8648D)产生2.4GHz的功率可调的窄带干扰信号，并通过同轴电缆连接一个工作于2.4GHz的定向微带天线(增益为6.7 dBi)。为了排除其它因素对测试结果的影响，采用了最简单的IEEE802.11b基础结构应用模式。测试环境如图2所示。

　　设备1为工程实现中对AP模拟的PC；设备2为具有IEEE802.11 PCMCIA无线网卡(型号：)的PC；设备3为高性能服务器；设备4为信号发生器，通过设备5(微带天线)产生窄带干扰信号。设备2通过设备1连接至设备3上。采用FTP文件下载作为上层应用场景。在这里，忽略无线传播对TCP/IP协议影响。
　　经过仔细检查和测量，测试环境中不存在其它可能的干扰。由于无线信号传播受环境和多径效应(快衰落)的影响，在整个测试中，设备5到设备1的视线距离造成时变信号的衰减。为减少实验的复杂度，固定设备5到设备1的视线距离为定值，并取设备5的输出功率减去设备1的噪声功率算术平均值(该平均值通过多次测量设备1的噪声功率得到)作为固定信号衰减值。在此情况下，只调节信号发生器的输出功率就可改变干扰信号的强度，并可预估计噪声功率。
　　测试前还需要确定两个重要参数：噪声功率门限值和噪声采集周期。经过反复实验，根据在设备1上读出的当前信道信号质量、当前信道的信号功率及噪声功率，发现：接收信号功率变化不显著，为±2dB；噪声功率变化显著。当噪声功率达到-120dB时，设备2与设备1的连接受到很大影响，有时几乎无法进行正常连接，BSS小区性能下降得很快。因此可以设定-120dB为噪声功率门限值。噪声采集周期决定了系统对干扰信号的反应时间。为避免突发性干扰造成频繁工作信道切换，噪声采集周期设定为6s。
　　为了准确评估自适应频率规划机制对BSS小区抗干扰性能的改善，笔者设计了两个测试场景。场景一配置有自适应频率规划机制，场景二没有配置自适应频率规划机制。两个测试场景的测试步骤为：(1)按图2设置测试环境并完成正确配置，设备2通过设备1连接至设备3；(2)开通FTP服务，传输文件；(3)设置设备4输出频率为当前工作信道的中心频率，并设置设备4输出为关闭状态，即无干扰下，记录数据稳定传送的最大速率为初始速率；(4)在5s时，设置设备4输出为开启状态，记录50s内以5s为时间单位的数据传输速率(kbps)；(5)重新设置设备1的工作信道，重复步骤(1)至(5)。每种场景进行20次独立测试，取每时间单位测试结果算术平均值作为各记录时刻的数据速率，如图3所示。