CN110602712A - 一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和装置，所述方法包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发；本发明使用无线频谱感知选择空闲、干扰较少的信道进行通信，有效减少了繁忙或者干扰较多的信道对于通信质量的影响；并且通过在多个信道间随机频点切换，避免了单个信道内突发干扰造成的通信中断；此外，即使正在通信的信道被突发干扰中断，信标帧中携带的备选信道列表可以使抗干扰接入点和终端同时切换到其他频道继续通信，提高了系统的强健性；本发明在和WiFi有较高兼容性的前提下，相比现有技术显著降低了信道中干扰对于通信速率和可靠性的影响。

Description

一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置。
背景技术
现代社会中，无线通信由于其便利性得到了广泛的应用和快速的发展。无线局域网802.11协议(也称为WiFi)，是一种常用的无线通信协议，用于手机、笔记本电脑、智能电视等设备的联网。WiFi网络在家庭、公司、学校、机场等多种室内外场所得到了广泛的部署，给人们的生活带来了便利。
然而，随着WiFi网络设备和使用的不断增长，频谱资源不足和干扰的问题愈发突出。WiFi网络使用的是无需授权的ISM(Industrial Science Medical，工业、科学、医学)频段，频谱资源较为有限，与此同时，相同频段中还存在着其他的使用者。以2.4GHz频段为例，除WiFi之外，蓝牙、Zigbee等协议也使用同一个频段进行通信；微波炉等电器设备也会发出这一频段的电磁波；此外，攻击者可以在WiFi工作的频率发送大量WiFi数据或者其他信号恶意干扰WiFi通信。以上因素都会对正常的WiFi通信产生干扰，这些干扰轻则降低WiFi通信的速率，影响连接质量，重则使WiFi连接中断。对WiFi的用户体验有很大影响。文献：Impact of Broadband and Out-of-Band Radio Frequency Interference(RFI)Noise onWiFi Performance(Jaejin Lee,Hao-Han Hsu,Pujitha Davuluri et al.,EMCSI,2017)研究了无线电干扰对WiFi性能的影响。
目前学术界已有一些工作探索解决无线局域网的干扰问题。例如文献Interference Mitigation in Wireless Sensor Networks Using Dual HeterogeneousRadios(Yeonsik Jeong,Jongwon Kim and Seung-Jae Han,Wireless Networks,2011)提出在网络中进行适应性的调度和内容聚合降低无线局域网协议与其他协议之间的干扰。文献Zimo:Building Cross-Technology MIMO to Harmonize ZigBee Smog with WiFiFlash Without Intervention(Yubo Yan,Panlong Yang,Xiangyang Li et al.,MobiCom,2013)利用不同协议的特点使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术分离不同协议信号解决协议间干扰问题。但是，这些研究的前提是干扰源为已知协议，很多情况下，干扰源是未知且难以预测和控制的。对于这种情况，目前还没有完善的解决方法。
发明内容
本发明提供一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置，可以更好地避免相同频段内各种干扰对正常无线局域网通信的影响，具有强健性、与当前无线局域网技术有较高兼容性的特点。
依据本发明的一个方面，提供了一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法，所述方法包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述方法包括：
所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
所述抗干扰终端从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
若该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，所述抗干扰终端从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
当所述抗干扰终端内的同步标记为0时，所述抗干扰终端根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
所述抗干扰接入点接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
当所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
进一步的，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知包括基于物理层的频谱感知方法；
其中，所述基于物理层的频谱感知方法包括信道空闲计数器ci和信道忙碌计时器cb，令ci和cb当前值均为0；所述抗干扰接入点基于物理层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括：
步骤A1：接收到来自射频前端的一个采样点数据，将所述采样点数据加入到内部的采样点队列{si}，i为第i个采样点数据；
步骤A2：当所述采样点队列{si}收集到预先设定的m个采样点数据后，计算采样点的能量之和E；
步骤A3：将所述E值与预设的信道繁忙能量阈值Ebusy比较，如果E≥Ebusy，则信道忙碌计时器cb增加1，否则信道空闲计数器ci增加1；
步骤A4：将所述采样点队列{si}清空，回到步骤A1进行下一次计算；
步骤A5：经过一定的时间后读取ci和cb的值，分析物理层的信道占用情况；
步骤A6：根据物理层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
进一步的，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知还包括基于介质访问控制MAC层的频谱感知方法；
其中，所述基于MAC层的频谱感知方法包括工作计时器tw和占用计时器tc，令tw和tc当前值均为0；所述抗干扰接入点基于MAC层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括：
步骤B1：每当物理层成功解调一个数据帧，向物理层获取该数据帧的长度l、调制方式，使用以下公式计算MAC层信道占用时间TMAC；
公式(2)中，NDBPS表示调制方式对应的每个OFDM符号所含数据位数；
步骤B2：将TMAC累计到tc当中；
步骤B3：经过一定的时间后读取tw和tc的值，分析MAC层的信道占用情况；
步骤B4：根据MAC层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
进一步的，所述方法包括：
所述抗干扰接入点获取物理层解调的数据帧的回退开始时间戳和回退结束时间戳；
所述抗干扰接入点计算回退开始时间戳和回退结束时间戳之间的时间差，获得回退时间；
所述抗干扰接入点在一段时间之内统计所有数据帧的回退时间平均值，并根据所述回退时间平均值，分析MAC层的信道占用情况。
进一步的，所述方法包括：
所述抗干扰接入点统计数据帧的重传情况；
所述抗干扰接入点根据数据帧的重传情况，分析MAC层的信道占用情况。
进一步的，所述方法包括：
所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，将自身的信道计时器的计数清零，并开始计时；
所述抗干扰接入点在自身的信道计时器达到Tbeacon的时候，生成信标帧。
进一步的，所述方法包括：
当所述抗干扰接入点的信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰接入点将自身的信道计时器清零，并将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，向切换后的频点对应的信道发送信标帧；其中，所述信标帧中包括更新后的备选信道列表。
根据本发明的另一方面，提供了一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置，所述装置包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述装置包括：
备选信道列表生成模块，用于对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
关联请求侦听模块，用于从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
信标帧判断模块，用于从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
信标帧提取模块，用于在该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
计时器同步模块，用于在所述抗干扰终端内的同步标记为0时，根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
目标频点通信模块，用于接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
目标频点切换模块，用于在所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现执行上述的一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法。
根据本发明的再一方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行时实现上述的一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明使用无线频谱感知选择空闲、干扰较少的信道进行通信，有效减少了繁忙或者干扰较多的信道对于通信质量的影响；并且通过在多个信道间随机频点切换，避免了单个信道内突发干扰造成的通信中断；此外，即使正在通信的信道被突发干扰中断，信标帧中携带的备选信道列表可以使抗干扰接入点和终端同时切换到其他频道继续通信，提高了系统的强健性；本发明在和WiFi有较高兼容性的前提下，相比现有技术显著降低了信道中干扰对于通信速率和可靠性的影响。
附图说明
图1是本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信GRT-IM系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的抗干扰接入点的结构示意图；
图3是本发明实施例的抗干扰终端的结构示意图；
图4是本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法的步骤流程图；
图5是本发明实施例的物理层频谱感知结构图；
图6是本发明实施例的抗干扰终端中利用信标帧中时间戳的同步示意图；
图7.1是本示例的占用率结果示意图；
图7.2是本示例的各频点文件传输速率示意图；
图7.3是本示例的频点切换协议性能比较示意图；
图7.4是本示例的突发干扰下固定频点通信与GRT-IM的对比示意图；
图8是本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，示出了本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信GRT-IM系统的结构示意图，该系统包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发。
本发明实施例的抗干扰接入点在网络中处于核心地位，决定网络的通信频率并提供网络接入服务，抗干扰接入点可在WIFI无线路由器中实现。抗干扰终端可以为市面上的许多产品，如：个人计算机、游戏机、MP3播放器、智能手机、平板电脑、打印机、笔记本电脑以及其他可以无线上网的周边设备。
本发明的一个应用实例是使用无线局域网开发平台实现的抗干扰接入点和抗干扰终端，通过本发明实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域人员更好地理解本发明。
本发明实施例在现有无线局域网系统上进行扩展，所选用的无线局域网系统是来自北京大学的研究者发布的GRT系统(Jiahua Chen,Tao Wang,Haoyang Wu,Jian Gong,Xiaoguang Li,Yang Hum Gaohan Zhang,Zhiwei Li,Junrui Yang,and Songwu Lu,“AHigh-performance and High-programmability Reconfigurable WirelessDevelopment Platform”,ICFPT 2014)，GRT系统是一个基于FPGA的无线局域网开放平台，实现了802.11a/g无线局域网协议，并且支持物理层和介质访问控制(MAC)层编程。本发明实施例在GRT系统的基础上，增加以下模块：物理层频谱感知模块A，介质访问控制(MAC)层信道占用模块B，信道计时器模块C，信道管理模块D，信标生成模块E和信标解析模块F。
具体的，参照图2，示出了本发明实施例的抗干扰接入点的结构示意图，该抗干扰接入点包括以下模块：
物理层频谱感知模块A，用于从射频前端FIFO复制一份基带数据到物理层感知流水线，在模块内部计算信道的占用情况，在不影响正常通信的前提下进行物理层的频谱感知；
介质访问控制层MAC信道占用模块B，用于根据物理层成功解调的帧信息计算MAC层的信道占用情况；
信道计时器模块C，用于控制抗干扰接入点信道跳转的时序，并通知信道管理模块；
信道管理模块D，用于在接收到信道计时器模块发送的通知时，控制更新抗干扰接入点的备选信道列表；
信标生成模块E，用于在抗干扰接入点生成信标帧，所述信标帧用于抗干扰接入点和抗干扰终端之间的时间同步和信道信息的传递。
参照图3，示出了本发明实施例的抗干扰终端的结构示意图，该抗干扰终端包括以下模块：
信道计时器模块C，用于控制抗干扰终端信道跳转的时序，并通知信道管理模块；
信道管理模块D，用于在接收到信道计时器模块发送的通知时，把抗干扰终端存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
信标解析模块F，用于在抗干扰终端解析来自抗干扰接入点发送的信标帧，并将所述信标帧中与抗干扰网络相关的信息提供给抗干扰终端的信道计时器模块和信道管理模块。
需要说明的是，本发明所提及的“模块”，在图2和图3中均以框图的形式标识。如信标解析模块F，在图3中标识为“信标解析F”。
接下来，在上述系统的基础上，参照图4，示出了本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法的步骤流程图，所述方法包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述方法具体可以包括以下步骤：
步骤S401，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
步骤S402，所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
步骤S403，所述抗干扰终端从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
步骤S404，若该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，所述抗干扰终端从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
步骤S405，当所述抗干扰终端内的同步标记为0时，所述抗干扰终端根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
步骤S406，所述抗干扰接入点接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
步骤S407，当所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
无线干扰是存在于无线通信系统工作信道内与通信协议无关的无线电信号。干扰会减少信道中可用于有效通信的时间；如果信道干扰和通信信号同时存在，干扰作为噪声，将降低通信的信噪比，降低通信的质量或使通信失败。
所以在本发明实施例中，为实现抗干扰通信，首要目标是选择干扰较少的信道。就步骤S401的实现而言，本发明实施例提出了通过频谱感知，筛选干扰较少的信道的方法。
在本发明一优选实施例中，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知包括基于物理层的频谱感知方法；
其中，所述基于物理层的频谱感知方法包括信道空闲计数器ci和信道忙碌计时器cb，令ci和cb当前值均为0；所述抗干扰接入点基于物理层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括以下步骤：
步骤A1：接收到来自射频前端的一个采样点数据，将所述采样点数据加入到内部的采样点队列{si}，i为第i个采样点数据；
步骤A2：当所述采样点队列{si}收集到预先设定的m个采样点数据后，计算采样点的能量之和E；
步骤A3：将所述E值与预设的信道繁忙能量阈值Ebusy比较，如果E≥Ebusy，则信道忙碌计时器cb增加1，否则信道空闲计数器ci增加1；
步骤A4：将所述采样点队列{si}清空，回到步骤A1进行下一次计算；
步骤A5：经过一定的时间后读取ci和cb的值，分析物理层的信道占用情况；
步骤A6：根据物理层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
本发明实施例的步骤A1～步骤A6主要由物理层频谱感知模块A实现。物理层是软件无线电系统可编程处理的最底层。从射频前端得到的基带信号开始，物理层解码流水线一步一步将原始的无线电信号恢复为MAC层数据。为了在进行频谱感知的同时不影响原有物理层流水线的工作，在射频前端和物理层接口的FIFO处，本发明实施例把信号复制为两路。其中的一路连接至物理层解码流水线，进行正常的解码，最终数据仍然流入MAC层进行正常的接收操作。另一路连接至新增加的频谱感知流水线，进行频谱感知。如图5所示，示出了本发明实施例的物理层频谱感知结构图。
具体的，在基于物理层的频谱感知方法中，本发明实施例通过设定信道繁忙能量阈值Ebusy，将实时收集到的采样点的能量之和E值与Ebusy比较，并将每次比较结果采用信道忙碌计时器cb和信道空闲计数器ci统计。如果E≥Ebusy，则认为这一段时间内信道内有信号，信道忙碌计时器cb增加1，否则认为信道空闲，信道空闲计数器ci增加1。通过分析ci和cb的值，如cb的值过大，则认为该信道干扰较大，反之，ci的值较大，则认为该信道的干扰较小，以此得出信道占用情况。通过能量值计算的方式进行频谱感知，无需事先掌握被检测信号的信息(如调制方式)，适合发现信道中的未知干扰。
为了更细致地分析频谱内的能量分布，本发明实施例的基于物理层的频谱感知方法还包括基于FFT的细致频谱分析方法，即使用FFT将时域的信号转换到频域，得到多个子载波的信息，再进行能量计算。这样可以更精细地分析信道情况，采用更合理的策略利用信道、避免信道干扰。
上述基于物理层的频谱感知方法从物理层获取信道占用信息，它统计的信道占用情况包括无线局域网通信的占用，也包括其他协议外干扰对信道的占用。本发明实施例在基于物理层的频谱感知方法的基础上，还提出了基于MAC层的频谱感知方法，基于MAC层的频谱感知方法从更高层进行统计，只统计无线局域网协议通信的占用，与物理层频谱感知模块A相互补充。
在本发明一优选实施例中，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知还包括基于介质访问控制MAC层的频谱感知方法；
其中，基于MAC层的频谱感知方法包括工作计时器tw和占用计时器tc，令tw和tc当前值均为0；所述抗干扰接入点基于MAC层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括：
步骤B1：每当物理层成功解调一个数据帧，向物理层获取该数据帧的长度l、调制方式，使用以下公式计算MAC层信道占用时间TMAC；
公式(2)中，NDBPS表示调制方式对应的每个OFDM符号所含数据位数；
步骤B2：将TMAC累计到tc当中；
步骤B3：经过一定的时间后读取tw和tc的值，分析MAC层的信道占用情况；
步骤B4：根据MAC层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
本发明实施例通过计算一段时间内802.11帧占用的时长来确定802.11协议对信道的占用。这种方法与基于物理层的频谱感知方法结合可以测算出信道中802.11协议和协议外干扰占用信道的比例，对信道情况作出更好的判断。而且这一方法只需要被动监听信道，适合在频谱感知阶段使用。需要说明的是，与物理层频谱感知直接处理基带信号不同，基于MAC层的频谱感知方法是利用MAC层协议在通信过程中产生的一些统计数据，从侧面反映信道的占用状况。虽然MAC层信息不如直接从物理层获取底层、准确，一些在协议之外的通信无法检测。但是MAC层的信息获取更简单，计算开销更小，而且可以结合MAC帧当中的地址获得和某个特定设备对应的频谱感知信息。
具体的，步骤B1～步骤B4主要由MAC信道占用模块B实现。由于无线介质是广播介质，每个设备都可以接收到信道中所有的通信流量。每当物理层接收到一帧并解调后，Low-MAC层会获得这一帧的长度和调制方式等信息，然后按照公式(2)计算该帧所占时长，通过对该帧所占时长进行统计，即可分析MAC层的信道占用情况。参照表1，示出了NDBPS与调制方式的对应关系。
表1：
调制方式 速率(Mbps) N<sub>DBPS</sub>
BPSK 1/2 6 24
BPSK 3/4 9 36
QPSK 1/2 12 48
QPSK 3/4 18 72
16-QAM 1/2 24 96
16-QAM 3/4 36 144
64-QAM 2/3 48 192
64-QAM 3/4 54 216
当然，在基于MAC层的频谱感知方法中，本发明实施例还提出了以下分析方法：
第一种，所述方法具体可以包括以下步骤：
所述抗干扰接入点获取物理层解调的数据帧的回退开始时间戳和回退结束时间戳；
所述抗干扰接入点计算回退开始时间戳和回退结束时间戳之间的时间差，获得回退时间；
所述抗干扰接入点在一段时间之内统计所有数据帧的回退时间平均值，并根据所述回退时间平均值，分析MAC层的信道占用情况。
本发明实施例通过统计发送一帧所需的平均回退(Backoff)时间来分析MAC层的信道占用情况。802.11协议使用CSMA/CA避免信道中的冲突。具体而言，在802.11中，CSMA/CA机制是通过MAC层对信道的侦听和随机回退实现的。回退所需要的时间可以从一个侧面反映出信道的占用情况。回退所需时间较长，则说明信道忙碌，占用较多，回退所需时间较短，则说明信道空闲。
第二种，所述方法具体可以包括以下步骤：
所述抗干扰接入点统计数据帧的重传情况；
所述抗干扰接入点根据数据帧的重传情况，分析MAC层的信道占用情况。
本发明实施例的802.11MAC层的数据帧传输使用ACK-重传机制。通过统计数据帧的重传情况，如果重传较多，则说明信道中干扰较多，导致传输容易失败，否则说明信道较空闲，以此分析MAC层的信道占用情况。
抗干扰接入点在频谱感知周期完成，进入抗干扰通信周期后即进入频点切换状态。频点切换的顺序由抗干扰接入点以随机的方式确定。接入点以固定的频率向所述目标频点对应的信道中广播信标帧以向用户设备(抗干扰终端)通知网络信息。在本发明一可选实施例中示出了所述信标帧的生成方法，所述方法包括：
所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，将自身的信道计时器的计数清零，并开始计时；
所述抗干扰接入点在自身的信道计时器达到Tbeacon的时候，生成信标帧。
上述步骤由本发明系统的信标生成模块E实现。抗干扰接入点在发送信标帧的时候将自己的信道计时器的值写入到信标帧的时间戳字段，即本发明实施例中的时间戳TS，接着，抗干扰接入点向目标信道发送信标帧。如步骤S403～步骤S406所示，每个抗干扰终端也存储有一个信道列表，为当前可用信道列表，抗干扰终端对当前可用信道列表中的信道进行轮询，判断所查看的信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧。此处判断，主要是确定该信标帧是否为关联的抗干扰接入点的信标帧。
对于如何判断，在本发明实施例的抗干扰终端中，MAC层接收的帧首先在RX_CRC_CHECKER模块检查校验和并进行初步分析，如果该模块发现接收到的帧是一个有效信标帧，则利用如图3所示的信标解析模块F解析该信标帧，提取信标帧的时间戳。之所以不直接更新信道计时器是因为接收到的信标帧不是来自关联的或希望关联的接入网络，这一点需要Low-MAC固件进行判断。如果判断来自关联的网络，则Low-MAC固件向信道计时器模块发送更新命令，信道计时器从RX_CRC_CHECKER模块读取时间戳TS，将自己的值更新并继续计时。具体的，如图6所示，示出了本发明实施例的抗干扰终端中利用信标帧中时间戳的同步示意图。在抗干扰终端内的同步标记为0时，抗干扰终端将所提取的时间戳TS的值更新到自己的信道计时器中，可以保证时间同步的有效性。
同时，在本发明实施例中，抗干扰终端在收到信标帧会把自身存储的所述当前可用信道列表更新为信标帧中的备选信道列表，以保证当前可用信道列表为最新的，使得抗干扰终端能获取实时接入网络信息。
信标帧设计为广播的控制帧，其格式如表2所示，信标帧在抗干扰协议中有很重要的作用。
表2
字节范围 字节数 含义
1–4 4 802.11帧头
5–10 6 接收者地址(固定为广播地址)
11–16 6 发送者地址(接入点MAC地址)
17–20 4 网络ID
21–24 4 时间槽长度(单位μs)
25–28 4 当前时间戳(单位μs)
29–36 4×2＝8 接下来4个的频道的中心频率
37–40 4 CRC校验
根据表2可以看出，信标帧给出了网络的信息和频点切换的参数，用户设备可以发现网络并接入。信标帧的“当前时间戳”字段可以用来进行用户设备与接入点之间的同步。而且信标帧中提供了多个后续通信的中心频率(多个后续通信的中心频率指本发明实施例中的备选信道列表的全部或部分，一个中心频率表示一个频点)，以防止用户设备因为突发信道干扰导致信标帧丢失失去对接点频点切换的跟踪。
在本发明实施例中，在抗干扰通信周期的频点切换是固定间隔的，为了实现这一功能，设计了信道计时器模块作为频点切换计时的控制器，如图2和图3所示的信道计时器模块C。信道计时器模块C是一种可以编程的计时器硬件，通过AXI寄存器接口和嵌入式处理器上运行的Low-MAC固件交互。Low-MAC固件可以控制信道计时器计时的启动、停止以及设置信道计时器的计时周期。当信道计时器在启动状态下，信道计时器内部的计数器会根据硬件时钟计数。如步骤S407所示，当计数器达到设置的周期时，信道计时器模块C向嵌入式处理器产生中断，嵌入式处理器上的中断处理例程配置射频前端，使其跳转到下一个频点，然后抗干扰接入点和抗干扰终端利用切换后的频点对应的信道相互通信。
综上，本发明实施例通过步骤S401～步骤S407，使用无线频谱感知选择空闲、干扰较少的信道进行通信，有效减少了繁忙或者干扰较多的信道对于通信质量的影响，并通过接入点和终端之间的协作频点切换避免突发干扰的影响，具有强健性、与当前无线局域网技术有较高兼容性的特点。
需要说明的是，利用切换后的频点对应的信道进行通信时，抗干扰接入点还执行了以下步骤：
当所述抗干扰接入点的信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰接入点将自身的信道计时器清零，并将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，向切换后的频点对应的信道发送信标帧；其中，所述信标帧中包括更新后的备选信道列表。更新后的备选信道列表由如图2和图3所示的信道管理模块D实现。
为验证本发明实现的有效性，接下来，在本发明一具体示例中，对本发明实施例系统的资源占用、抗干扰功能、通信性能及延迟等方面进行评估。
一、资源占用
在本发明示例中，本发明的GRT-IM系统的资源占用情况如表3所示。
表3
表3展示了GRT-IM系统在支持的KC705和VC707开发板上的资源占用情况。表中第一列的各种名称代表了FPGA上不同种类的逻辑资源。从表中可以看出，GRT-IM系统在两种开发板上所占资源比较接近，且在资源较少的KC705开发板上，GRT-IM占用了约一半的LUT(查找表)资源，其余占用均少于一半，在VC707上资源占用比例更低一些。这为可能的进一步扩展预留了足够的空间。
二、功能评估
为了验证GRT-IM系统频谱感知的能力，本示例选取多个频点，包括WiFi标准的频率以及附近一些其他频率，使用物理层和MAC层分别进行信道感知，计算各频点的物理层和MAC层占用率。本示例的占用率结果如图7.1所示。
从图7.1中可以看出，每一个频点计算出的物理层占用率均不低于MAC层占用率，这是因为MAC层只能分析出802.11a/g协议所占信道资源，其他通信和信道干扰只能在物理PHY层的频谱感知中体现出来。在802.112.4GHz频段主要使用的2.412GHz(频道1)和2.462GHz(频道11)，可以观察到较明显的MAC频谱占用，其PHY层频谱占用也多于其它频点。在测试时，本示例使用USRP设备在2.492GHz上发送了占空比约为40％的噪声信号以模拟信道干扰。结果表明，本发明实施例的GRT-IM系统的物理层频谱感知模块A确实较为准确地发现了这一信道干扰。
为了进一步测试频谱感知的结果对于信道通信性能的评价，本示例在与频谱感知测试相同的环境中使用两台GRT-IM系统，固定在上述的部分频点上进行文件传输速率测试。测试时MAC层的帧长度为1500字节，得到的各种调制方式下的吞吐率如图7.2所示，图7.2为本示例的各频点文件传输速率示意图。对比图7.2中各频率的通信速率与图7.1中的频谱占用情况，可以发现一定的对应关系。较为明显地，频谱完全空闲的2.25GHz传输速率最高，而占用程度最高的2.412GHz传输速率最低。其余频率的传输速率基本分布在二者之间。虽然由于信道的动态变化和通信、信道占用的具体特性不同，测试的速率并不一定严格按照信道占用率排序，但是这个实验证明本发明实施例的GRT-IM的信道感知在选择效果较好的信道时有较强的指导意义，可以选择干扰较少、通信性能较好的信道。
三、性能评估
本部分主要对本发明实施例的GRT-IM的抗干扰通信性能进行测试。
首先，本示例测试频点切换通信对整体系统通信性能的影响。在实验中，使用GRT-IM系统通过频谱感知选择了干扰较少的信道并进行吞吐率测试。然后在相同的环境中分别在之前选择的信道中使用同样的方法进行吞吐率测试。此次测试频率切换协议的时间槽设置为100ms。测试结果如图7.3，图7.3为本示例的频点切换协议性能比较示意图。
从图7.3中可以看出，GRT-IM使用频点切换的通信在每一个调制方式都接近或者略低于固定频点通信吞吐率的平均值。比固定频点通信略低的原因是频点反复切换本身的开销和额外增加在每个时间槽发送的信标帧所产生的性能开销，是正常现象。
接下来，测试GRT-IM系统在突发信道干扰下抵抗干扰的能力。选取了一个原本干扰较少、通信情况较好的信道，在其中测试固定频点通信的吞吐率。然后，使用另外一台GRT系统，在信道中较为频繁地发送干扰信号，并测试在信道干扰情况下的吞吐率。在干扰前后，也使用了GRT-IM系统进行了相同的性能测试，结果如图7.4所示，图7.4为本示例的突发干扰下固定频点通信与GRT-IM的对比示意图。
可以看出，信道中存在的干扰确实在较大程度上降低了在原有信道系统通信的性能，在所有调试方式均出现了35％–65％的性能降低。但是GRT-IM系统通过同时使用多个信道的方法降低了单个信道的干扰对于通信的影响。虽然GRT-IM的性能在信道干扰开始后也有所下降，但是幅度远小于原始的固定频点通信。而且，如果突发干扰继续存在成为较为稳定的干扰，在下一次频谱感知周期，GRT-IM将不会继续选择这个信道，进一步消除这个信道中干扰对于通信的影响。
综上，本示例从资源占用、功能和性能等方面的对GRT-IM系统进行了测试评估。从评估中可以看出，GRT-IM的频谱感知可以有效检测信道中的干扰，为合理选择信道提供帮助；GRT-IM的频点切换通信通过利用多个信道降低了信道中突发信道干扰对于通信性能和稳定性的影响；而且GRT-IM的频点切换抗干扰协议没有产生过多额外性能开销，保证了系统的高效性。本示例的评估证明，本发明实施例提出的系统设计的一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法有效地解决了抗干扰无线通信的问题。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
基于同一发明构思，参照图8，对应图4的方法，示出了本发明实施例一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置的结构示意图，所述装置包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述装置具体可以包括以下模块：
备选信道列表生成模块801，用于对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
关联请求侦听模块802，用于从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
信标帧判断模块803，用于从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
信标帧提取模块804，用于在该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
计时器同步模块805，用于在所述抗干扰终端内的同步标记为0时，根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
目标频点通信模块806，用于接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
目标频点切换模块807，用于在所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
本发明实施例使用无线频谱感知选择空闲、干扰较少的信道进行通信，有效减少了繁忙或者干扰较多的信道对于通信质量的影响，并通过接入点和终端之间的协作频点切换避免突发干扰的影响，具有强健性、与当前无线局域网技术有较高兼容性的特点。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
基于同一发明构思，本申请另一实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请上述任一实施例所述的方法中的步骤。
基于同一发明构思，本申请另一实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行时实现本申请上述任一实施例所述的方法中的步骤。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种频点切换抗干扰无线局域网通信系统，一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法和一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种频点切换抗干扰无线局域网通信方法，其特征在于，所述方法包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述方法包括：
所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
所述抗干扰终端从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
若该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，所述抗干扰终端从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
当所述抗干扰终端内的同步标记为0时，所述抗干扰终端根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
所述抗干扰接入点接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
当所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知包括基于物理层的频谱感知方法；
其中，所述基于物理层的频谱感知方法包括信道空闲计数器ci和信道忙碌计时器cb，令ci和cb当前值均为0；所述抗干扰接入点基于物理层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括：
步骤A1：接收到来自射频前端的一个采样点数据，将所述采样点数据加入到内部的采样点队列{si}，i为第i个采样点数据；
步骤A2：当所述采样点队列{si}收集到预先设定的m个采样点数据后，计算采样点的能量之和E；
步骤A3：将所述E值与预设的信道繁忙能量阈值Ebusy比较，如果E≥Ebusy，则信道忙碌计时器cb增加1，否则信道空闲计数器ci增加1；
步骤A4：将所述采样点队列{si}清空，回到步骤A1进行下一次计算；
步骤A5：经过一定的时间后读取ci和cb的值，分析物理层的信道占用情况；
步骤A6：根据物理层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抗干扰接入点对可选用的信道进行频谱感知还包括基于介质访问控制MAC层的频谱感知方法；
其中，所述基于MAC层的频谱感知方法包括工作计时器tw和占用计时器tc，令tw和tc当前值均为0；所述抗干扰接入点基于MAC层的频谱感知方法对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表的步骤进一步包括：
步骤B1：每当物理层成功解调一个数据帧，向物理层获取该数据帧的长度l、调制方式，使用以下公式计算MAC层信道占用时间TMAC；
公式(2)中，NDBPS表示调制方式对应的每个OFDM符号所含数据位数；
步骤B2：将TMAC累计到tc当中；
步骤B3：经过一定的时间后读取tw和tc的值，分析MAC层的信道占用情况；
步骤B4：根据MAC层的信道占用情况，选取干扰较少的信道为备选信道。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述抗干扰接入点获取物理层解调的数据帧的回退开始时间戳和回退结束时间戳；
所述抗干扰接入点计算回退开始时间戳和回退结束时间戳之间的时间差，获得回退时间；
所述抗干扰接入点在一段时间之内统计所有数据帧的回退时间平均值，并根据所述回退时间平均值，分析MAC层的信道占用情况。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述抗干扰接入点统计数据帧的重传情况；
所述抗干扰接入点根据数据帧的重传情况，分析MAC层的信道占用情况。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述抗干扰接入点从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，将自身的信道计时器的计数清零，并开始计时；
所述抗干扰接入点在自身的信道计时器达到Tbeacon的时候，生成信标帧。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述抗干扰接入点的信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰接入点将自身的信道计时器清零，并将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，向切换后的频点对应的信道发送信标帧；其中，所述信标帧中包括更新后的备选信道列表。
8.一种频点切换抗干扰无线局域网通信装置，其特征在于，所述装置包括一个抗干扰接入点和多个抗干扰终端，所述抗干扰接入点和抗干扰终端均基于IEEE 802.11软件无线电平台GRT系统开发，其中，所述装置包括：
备选信道列表生成模块，用于对可选用的信道进行频谱感知，选取干扰较少的信道，生成备选信道列表；所述备选信道列表包括多个频点；
关联请求侦听模块，用于从所述备选信道列表中随机选择一个目标频点，以固定的频率向所述目标频点对应的信道发送信标帧，并侦听关联请求；所述信标帧中包括所述备选信道列表；
信标帧判断模块，用于从当前可用信道列表中选择一个信道，判断该信道上是否包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧；
信标帧提取模块，用于在该信道上包含有来自所述抗干扰接入点的信标帧，从该信标帧中提取时间戳TS和所述备选信道列表；
计时器同步模块，用于在所述抗干扰终端内的同步标记为0时，根据所述时间戳TS，将自身的信道计时器与所述抗干扰接入点的信道计时器同步，并向所述抗干扰接入点发送关联请求，同时将所述同步标记设置为1，把自身存储的所述当前可用信道列表更新为所述备选信道列表；
目标频点通信模块，用于接收到所述抗干扰终端发送的关联请求时，利用所述目标频点对应的信道与所述抗干扰终端通信；
目标频点切换模块，用于在所述信道计时器达到预设的频道停留时间Tc时，所述抗干扰终端根据所述备选信道列表上的频点顺序，将所述目标频点切换至所述备选信道列表上的下一个频点，并利用切换后的频点对应的信道与所述抗干扰接入点通信。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
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