Wi-Fi認(rèn)證中的干擾規(guī)避技術(shù)分析與測(cè)試

王 歡,方勇軍,閆富貴

(1.浙江大華技術(shù)股份有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江大華視覺物聯(lián)融合應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310000)

0 引言

國(guó)內(nèi)最新型號(hào)核準(zhǔn)(SRRC)指導(dǎo)文件,工信部無〔2021〕129 號(hào) 《關(guān)于加強(qiáng)和規(guī)范2 400 MHz、5 100 MHz和5 800 MHz頻段無線電管理有關(guān)事宜的通知》對(duì)非跳頻無線電發(fā)射設(shè)備的干擾規(guī)避技術(shù)提出了要求,本文就采用當(dāng)前主流干擾規(guī)避方案——“發(fā)射前偵聽”的技術(shù)原理進(jìn)行分析,如圖1所示。詳解干擾規(guī)避技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)干擾規(guī)避的測(cè)試驗(yàn)證、問題分析與解決,為相關(guān)產(chǎn)品型號(hào)核準(zhǔn)的認(rèn)證測(cè)試提供指導(dǎo)。

圖1 非跳頻無線電發(fā)射設(shè)備干擾規(guī)避分類

1 干擾規(guī)避技術(shù)

無線電發(fā)射設(shè)備干擾規(guī)避技術(shù)是為提高區(qū)域內(nèi)所有無線設(shè)備的總傳輸效率而開發(fā)的一種技術(shù)[1],通過限制設(shè)備的發(fā)射時(shí)間、發(fā)射功率以及根據(jù)數(shù)據(jù)類型優(yōu)化信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制而形成。目前,較為常見的干擾規(guī)避技術(shù)分為2大類:一是基于幀的干擾規(guī)避技術(shù);二是基于負(fù)載的干擾規(guī)避技術(shù)。以Wi-Fi技術(shù)為例,目前,所有Wi-Fi方案都內(nèi)置了Wi-Fi干擾規(guī)避接口,均支持上述兩種干擾規(guī)避技術(shù)。

1.1 基于幀的干擾規(guī)避技術(shù)

基于幀的設(shè)備采用的是一種“先聽后說”信道接入機(jī)制來監(jiān)測(cè)信道上是否有其他設(shè)備正在發(fā)射數(shù)據(jù),即設(shè)備在發(fā)射前會(huì)先進(jìn)行信道監(jiān)測(cè),當(dāng)發(fā)射設(shè)備檢測(cè)到此時(shí)信道空閑時(shí)即可進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù),若不空閑則需要進(jìn)行下一個(gè)周期的等待,直到檢測(cè)到信道空閑為止。

以Wi-Fi技術(shù)為例,Wi-Fi設(shè)備的固定幀周期如圖2所示,包含3個(gè)部分:信道可用性檢測(cè)時(shí)間、信道占用時(shí)間和空閑時(shí)間,整個(gè)時(shí)間周期為1～10 ms,具體由設(shè)備制造商宣稱[2]。信道可用性檢測(cè)時(shí)間(Clear Channel Assessment,CCA):評(píng)估信道是否空閑所需的時(shí)間,不小于16 μs;信道占用時(shí)間(Channel Occupancy Time, COT ):設(shè)備在給定信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間,在1～10 ms;信道空閑時(shí)間:設(shè)備在當(dāng)前信道上的空閑時(shí)間,至少為信道占用時(shí)間的5%,其間可以發(fā)送短控制信令,控制信令的占空比應(yīng)≤10%。

圖2 基于固定幀的發(fā)包時(shí)序

按照信道可用性檢測(cè)時(shí)間為16 μs,信道空閑時(shí)間為信道占用時(shí)間的5%來計(jì)算,那么整個(gè)幀周期為16 μs+COT+COT×5%,在1.066～10.516 ms。

設(shè)備在該信道占用期間可以多次傳輸,當(dāng)傳輸間隙不大于16 μs時(shí)不需要進(jìn)行信道評(píng)估。信道占用時(shí)間為1～10 ms,信道空閑評(píng)估時(shí)間不小于18 μs,空閑時(shí)間至少為信道占用時(shí)間的5%但不小于100 μs。

1.2 基于負(fù)載的干擾規(guī)避技術(shù)

和基于幀的干擾規(guī)避技術(shù)一樣采用的是基于“先聽后說”的信道接入機(jī)制,只是對(duì)“說”的內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)的定義,并賦予不同競(jìng)爭(zhēng)窗口(Contention Window,CW)[2]。

基于負(fù)載的設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)一種基于EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)機(jī)制的信道接入機(jī)制,EDCA是對(duì)基本DCF(Distributed Coordination Function)的擴(kuò)展,通過采納帶優(yōu)先級(jí)的QoS(Quality of Service)實(shí)現(xiàn)設(shè)備根據(jù)傳遞報(bào)文類型不同制定優(yōu)先級(jí),從而為其分配不同的等待時(shí)間,來實(shí)現(xiàn)有差別的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。以Wi-Fi設(shè)備為例,該機(jī)制定義了4種接入類別:背景(AC_BK)、盡力而為(AC_BE)、視頻(AC_VI)、音頻(AC_VO),默認(rèn)優(yōu)先級(jí)從低到高,制造商可以個(gè)根據(jù)設(shè)備類型自行設(shè)定優(yōu)先級(jí)順序,為Wi-Fi設(shè)備在不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供不同的無線信道接入能力[3]。

DCF(Distributed Corrdination Function)是一種分布式的,基于信道競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),首先要對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行一個(gè)16 μs的CCA(Clear Channel Assessment)偵聽,從而判斷當(dāng)前信道是否空閑。若信道空閑,則站點(diǎn)認(rèn)為其可以開始發(fā)送數(shù)據(jù),否則需要進(jìn)行下一個(gè)隨機(jī)等待(Backoff Time=Random [0,CW(k)]×a Slot Time)其中,CW(k)=min(2kCWmin,CMmax);a slot Time是單個(gè)時(shí)隙;k是回退級(jí)數(shù),即當(dāng)前傳輸失敗次數(shù),若是首次嘗試傳輸,k取值為0,CW取CWmin,每次傳輸失敗,則k加1,CW增大一倍,直到k增加至最大值;期間如有一次傳輸成功,CW重置為CWmin。

如圖3所示,站點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道繁忙,在目的站發(fā)出ACK后,經(jīng)過DIFS(分布式幀間間隙=SIFS(短幀間間隙,通常為16 μs)+2×a Slot Time)后,開始進(jìn)行預(yù)先分配好的隨機(jī)等待,等待結(jié)束立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 基于負(fù)載的發(fā)包時(shí)序

由此可見,基于負(fù)載的干擾規(guī)避技術(shù)會(huì)使站點(diǎn)的工作效率更高,這也是當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備采用的信道接入方案。

1.3 短控制信令

Wi-Fi信號(hào)按照幀的類別主要分為管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)幀[3]。控制幀:協(xié)助發(fā)送數(shù)據(jù)幀的控制報(bào)文,RTS、CTS、ACK等;數(shù)據(jù)幀:用戶間的數(shù)據(jù)報(bào)文;管理幀:負(fù)責(zé)STA和AP之間的能力級(jí)的交互、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)等管理工作,包括信標(biāo)幀、掃描幀、認(rèn)證幀、關(guān)聯(lián)幀。短控制信令通常指控制幀和管理幀,在Wi-Fi干擾規(guī)避測(cè)試時(shí),加入干擾信號(hào)后不允許除控制幀、管理幀之外的其他數(shù)據(jù)幀在此時(shí)發(fā)送,并要求在任意一個(gè)50 ms的觀測(cè)周期內(nèi),發(fā)射時(shí)間的比例不超過10%,即最大發(fā)射時(shí)間不大于5 ms。

2 干擾規(guī)避測(cè)試方法

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

本文以測(cè)試對(duì)象為Wi-Fi STA的設(shè)備為例進(jìn)行搭建,測(cè)試方法參考EN 300 328 V2.2.2,環(huán)境搭建如圖4所示。綜測(cè)儀是陪測(cè)設(shè)備,主要功能是使被測(cè)物能夠以較高的占空比進(jìn)行主動(dòng)發(fā)包;干擾源1是干擾信號(hào)發(fā)生器,主要功能是產(chǎn)生20 MHz以上帶寬高斯白噪聲信號(hào);干擾源2是無用信號(hào)發(fā)生器,主要功能是產(chǎn)生單載波信號(hào);頻譜儀是信號(hào)分析儀,主要用來監(jiān)測(cè)被測(cè)物的狀態(tài),比如被測(cè)物是否在連續(xù)的發(fā)包、受到干擾后是否停止發(fā)包或者僅剩下短控制信令信號(hào)等。

圖4 干擾規(guī)避測(cè)試環(huán)境搭建

2.2 測(cè)試步驟

(1)保持干擾源1、干擾源2關(guān)閉,綜測(cè)儀與被測(cè)物建立連接,調(diào)節(jié)衰減器,使UUT端接收到的信號(hào)強(qiáng)度在-50 dBm左右,Iperf最好保持50%以上的流量。

(2)打開干擾源1(信號(hào)頻率:被測(cè)信道頻點(diǎn);帶寬:20 MHz;Level:-70 dBm/MHz++ 10×log10 (100 mW/Pout) (Poutin mW e.i.r.p.)),比如Pout是20 dBm,調(diào)整信號(hào)源的功率,使頻譜儀監(jiān)測(cè)到的AWGN信號(hào)為-70 dBm/MHz。

(3)在頻譜以上觀察:①停止發(fā)射,如圖5所示;②僅剩余部分短控制信令信號(hào),且占空比在10%內(nèi)(任意50 ms的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)),以上觀測(cè)結(jié)果測(cè)試通過,如圖6所示;否則不通過(如沒有停止發(fā)射或者短控制信號(hào)占空比大于10%等)。

圖5 設(shè)備停止發(fā)射,無短控制信令信號(hào)發(fā)出

圖6 設(shè)備停止發(fā)射,有短控制信令信號(hào)發(fā)出

(4)保持干擾源1不變,打開干擾源2(頻率:2 395 MHz、2 488.5 MHz,Level:-35 dBm);說明:測(cè)試高信道時(shí)(工作信道位于2 442～2 483.5 MHz),CW的頻率為2 39 5 MHz;測(cè)試低信道時(shí)(工作信道位于2 400～2 442 MHz),CW的頻率為2 488.5 MHz;Level的調(diào)整也可以在測(cè)試前調(diào)整好。

(5)在頻譜儀上觀察:①只要存在干擾信號(hào)、CW信號(hào),不會(huì)恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸,觀測(cè)時(shí)間至少60 s;②存在干擾信號(hào)、CW信號(hào)期間,允許段控制信號(hào)的存在和發(fā)射,發(fā)射滿足占空比不大于10%的要求。

(6)關(guān)閉干擾源1、干擾源2,設(shè)備會(huì)立即恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。

3 測(cè)試結(jié)論與問題分析

3.1 測(cè)試結(jié)論

從頻譜上看到的情況如圖5—6所示,表示測(cè)試通過,如果不滿足圖5—6兩種情況,則測(cè)試失敗。

3.2 問題分析

(1)按照標(biāo)準(zhǔn)要求的干擾信號(hào)強(qiáng)度,設(shè)備沒有停止數(shù)據(jù)發(fā)送;通過增加干擾信號(hào)強(qiáng)度,在頻譜上監(jiān)測(cè)到被測(cè)物不再進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù),如圖7所示。

圖7 增加干擾信號(hào)強(qiáng)度,設(shè)備停止發(fā)射

原因分析:增大干擾,被測(cè)物會(huì)停止發(fā)送數(shù)據(jù),說明被測(cè)物干擾規(guī)避相關(guān)的檢測(cè)閾值設(shè)置過高。

(2)在(1)的基礎(chǔ)上增大干擾信號(hào)強(qiáng)度,設(shè)備依舊沒有停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

原因分析:增大干擾,被測(cè)物未停止發(fā)送數(shù)據(jù),說明被測(cè)物干擾規(guī)避功能沒打開。

以RTLTEK平臺(tái)的一款WiFi產(chǎn)品為例,通過以下兩條指令的配置來打開設(shè)備的自適應(yīng)功能,CONFIG_RTW_ADAPTIVITY_EN=1;ADAPTIVITY_MODE=normal。

通過調(diào)整“th_l2h_ini th_edcca_hl_diff 0xf5”命令中的參數(shù)“0xf5”來改變?cè)O(shè)備的干擾規(guī)避檢測(cè)閾值,太高干擾規(guī)避測(cè)試失敗,太低無法競(jìng)爭(zhēng)信道成功,所以需要經(jīng)過多次測(cè)試來找到合適的參數(shù),以達(dá)到較好的傳輸效果。