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【网络老爬虫第9期-无线新技术专题】802.11h频谱管理介绍

2018-01-04发布
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802.11h频谱管理介绍 

 文/童安宇

 ——网络老爬虫(无线新技术专题)


1      概述

1.1    背景介绍

802.11h标准批准于2003年,在此之前802.11a/b/g标准都已公布。802.11a网络工作于5GHz频段,相比于11b/g而言具有更多互不重叠的独立信道,使之更容易部署且干扰更少。但是在一些国家和地区对5GHz频段的管制较为严格,这对802.11a的部署产生了种种限制。

因此,ITU给出了协调5GHz WLAN应用的一组建议,被IEEE采纳并批准,即为802.11h802.11h标准最初是为欧洲的5GHz频段所开发,但所引入的机制为频谱管理和优化部署提供了一个途径,因此也被广泛应用于整个802.11网络,包括欧洲以外的其它地区和2.4GHz频段。

802.11h实际上定义了一套协商、探测、反馈、调整的机制,让无线网络能适应周围环境,从而动态地调整射频参数。为了符合电波管制的要求,802.11h定义了两种服务:TPCTransmit Power Control,传输功率控制)和DFSDynamic Frequency Selection,动态频率选择)。

本文主要介绍802.11h频谱管理的两个主要技术——TPCDFS,以及为了实现这些技术对管理帧做的修改和扩充。

2      相关帧介绍

为了实现802.11h频谱管理的功能,协议对原有的管理帧进行了字段的扩充,同时新增了部分Action帧。

2.1    原有管理帧扩充

2.1.1  Beacon/Probe Response

802.11hBeaconProbe Response帧下述字段进行了修改和扩充:

字段

作用

Country

用于通告AP所工作的地区,以及每个信道最大的允许功率。

Power Constraint

功率抑制值,用于STA计算在当前信道上所允许的实际最大传输功率。

Channel Switch Announcement

信道切换通告,在信道切换时采用,用于通知STA从当前信道切换到新的信道。

Quiet

用于通知STA进行静默。

IBSS DFS

用于IBSS(独立的基础服务集)网络的DFS功能中。

TPC Report

TPC报告,其中包含当前传输功率和链路边际(Link Margin)。

2.1.2  Association Request/Reassociation Request

Association RequestReassociation Request帧中增加下述字段:

字段

作用

Power Capability

功率能力,用于表征在当前信道上支持的最大和最小的传输功率。

Supported Channels

用于通告自己支持的信道。

2.2    Action帧定义

802.11h一共定义了5action帧用于频谱管理,分别是:Measurement RequestMeasurement ReportTPC RequestTPC ReportChannel Switch Announcement

2.2.1   Measurement Request

测量请求帧用于发起对一个或者多个信道的测量请求。802.11h射频管理提供三种测量,分别是Basic Request(基本测量)、Clear Channel Assessment (CCA) Request(净空评估)、Receive Power Indication (RPI) Histogram Request(接收功率指示分布图)。

2.2.2   Measurement Report

测量报告以action报文的形式对测量请求进行应答或者自主的提供测量信息。支持三种类型的测量报告,分别是:Basic ReportCCA ReportPRI Histogram Report

Basic Report

在基本报告中,反馈的是一系列和信道状态相关的标记位。比如是否检测到了雷达、是否检测到无法分辨的信号类型等。

CCA Report:

CCA(净空频道评估)报告用来描述被评估信道被CCA判定为忙碌的时间占测试时间的比例。

RPI Histogram Report:

RPI直方图报告反映了被测信道的功率分布情况,让请求者了解信道的功率细节。该域包括8个字节,对应RPI编号为07。报告中各字节值代表信号功率落在该范围内的时间比率。

2.2.3     TPC Request

TPC Request帧用于请求对端设备的发送功率和链路边际(Link Margin)。

2.2.4            TPC Report

TPC Report用于报告自身的发射功率和链路边际(Link Margin)。由于链路边际需要通过接收到的TPC Request报文来计算,所以如果报告是在Beacon等报文中主动发出的,则链路边际值置为0,如果是对TPC Request帧的应答,则会经过计算得到链路边际值。

2.2.5            Channel Switch Announcement

AP的信道发生切换时,需要通过信道切换通告帧来通知STA自己即将切往的信道,以便让STA能更快地切换到新的信道。

3      TPC

3.1    功能介绍

传输功率控制(TPC)旨在5GHz频段上对传输功率进行控制,来满足管制要求。此外,TPC也会带来额外的好处,比如减少干扰、覆盖范围控制、节电等。

TPC主要提供下面几个功能:

a)         基于STA的功率能力(Power Capability)建立关联

b)        定法规和本网络中规定的功率要

c)         为每次传输选择合规的功

d)        根据覆盖信息,譬如路径损耗(Path Loss)和链路边际(Link Margin)调整传输功率

3.2    TPC基本过程

任何无线电传输功率上限是由管制当局规定的,一般列在相关文件或法规中,最大管制功率可以在APSTA上加以设置,也可以从Beacon帧携带的Country信息元素中获知。如果STA的传输功率不符合管制要求,那么AP可以拒绝该STA的接入。

AP可以通过Power Constraint信息元素来限制网络中STA的传输功率,在正式开始工作前,STA需要计算出实际的传输功率,通常是用最大管制功率减去功率抑制值。通过这种方法,网络管理人员就可以指定本网络中STA所允许的最大传输功率,减少了相互之间的干扰。

3.2.1  基于STA的功率能力(Power Capability)建立关联

STA需要在关联或者重关联时通过Power Capability元素向AP提供自身支持的最大和最小的传输功率。AP可以基于STA的能力,通过一些算法来确定本网络中的传输功率约束规则。也可以通过STA的功率能力,来决定是否允许该STA接入。具体的规则和算法不在802.11h协议的范围之内。

3.2.2  确定法规和本网络中规定的功率要求

STA需要确定合规的最大传输功率。可以选择下面规则的较小值:

ü  AP通告的Country元素中获取到的最大传输功率

ü  从别的方式获取到的最大传输功率(比如客户配置)

STA需要确定本地网络的最大传输功率。取下面的较小值:

ü  Country元素和功率抑制元素计算出来的最大允许传输功率

ü  由其他途径获取的最大允许传输功率(比如客户配置)

一个合适的本地传输功率在满足无线传输同时,还可以对覆盖范围进行控制,从而减少设备之间的干扰。

3.2.3  为每次传输选择合规的功率

STA可以在满足如下约束准则的情况下选择实际发射功率:

ü  在传输前确定最大合规功率以及最大的本地传输功率

ü  不高于最大合规功率

ü  不高于最大的本地传输功率

3.2.4  自适应调整传输功率

STA(此处STA包含AP)可以通过和对方之间的路径损耗(Path Loss)和链路边际(Link Margin)估值,采用一定的算法来自动调整发射功率。

为了确定如何调整发射功率,STA可以通过TPC请求帧向对端请求TPC应答,应答报文中会带上报告帧本身的发射功率,根据该数值,发起者可以估算出从对端到自身的衰减数据。同时应答报文中也包含响应端STA评估的Link Margin值。发起者根据这两个数据,就可以通过一定的算法来调整发往对端STA的发射功率了。具体的算法不在802.11h的标准之内。

4      DFS

4.1    功能简介

除了传输功率控制外,欧洲管制当局也要求设备必须避免干扰同处5GHz频段的雷达系统,以及能对信道进行统一管理。动态选频(DFS)机制就是用来满足这些要求。

DFS主要提供下面几个功能:

a)         基于STA的信道能力(Supported Channels)建立关联;

b)        信道静默,以便对本信道上的雷达信号进行检测;

c)         在占用一个信道之前需要对该信道进行雷达信号检测;

d)        当在信道上检测到雷达信号时,应该终止操作,避免继续干扰;

e)         在当前信道和其他信道上检测雷达;

f)         对某一信道支持发起测量请求和生成测量报告;

g)        检测到雷达信号后选择并通告一个新的可用信道并迁移到新信道上。

4.2    DFS基本过程

动态选频包含一组程序,可以让802.11设备根据测量结果以及管制要求变更无线频道。当STA连接到网络中,在关联请求帧(Association Request)里包含一个Supported Channels信息元素,列出了STA支持的信道。根据此项信息,AP可以选择是否拒绝此项连接。比如有些AP拒绝支持信道太少的STA,因为这有可能会影响信道切换的能力。协议并未规定拒绝的标准。

在正式工作前,AP需要静默一段时间来对信道上的雷达信道进行检测。当检测到雷达信号后应该马上终止在当前信道上的传输,选择出一个新的可用信道并对外通告,然后迁移到新的信道上。

DFS具体的功能处理如下:

4.2.1  基于STA信道能力(Supported Channels)建立关联

当一个STAAP发生连接或重连接的过程中,STA将报告自己所支持的信道列表,通过Association Request帧或者Reassociation Request帧中的Supported Channels元素完成。

如果STA上报的工作频道列表不可识别,或者其所支持的频道有限,AP可以拒绝其接入。

4.2.2  静默信道

AP可以通过Beacon帧或Probe Response帧中的Quiet元素来通知STA进行一段时间的信道静默,从而在雷达检测时可以减少来自STA的干扰。

在开始信道静默期之前,所有的传输必须完整的结束。如果某个MPDU在传输之前发现在开始静默期之前无法完成该帧的传输,该帧的传输将被退避等待重传,不过此时重传计数器并不变化。

在开始信道静默期后,所有的STANAV均被设置,设置的时间为AP所规定的信道静默间隔。在该段时间内,所有的STA均不允许发送。

4.2.3  使用信道前需进行雷达检测

只有在检测并确认信道上无雷达信号后才可以进行数据传输。

4.2.4  检测到雷达后终止传输

如果在当前工作信道上检测到雷达,或者从别的设备上得知当前信道上有雷达,应该马上终止在该信道上传输。

4.2.5  雷达检测

设备需要具有检测雷达信号的能力,具体检测的方法不在802.11h协议中规定。

4.2.6  测量请求与报告

在一个BSS中,AP可以通过Measurement Request帧来对STA完成一个或多个信道的测量。测量请求的对象可以是单独的一个STA也可以是一组对象,取决于报文的接收地址(单播或广播)。STA也可以发起对AP的测量请求。测量请求发起支持的关系如下:

服务集

源端

目的端

请求类型

BSS

AP

STA

Individual or Group

STA

AP

Individual Only

STA

STA

None

IBSSMBSS

STA

STA

设备收到一个测量请求时必须进行应答,即使设备拒绝提供具体的测量数据。设备也可以主动发出测量报告,而不需要请求来触发。

4.2.7  选择和通告新信道

在一个基础BSS网络中,AP可以迁移到一个新的信道上,并且也只有AP可以决定变换信道。在切换过程中应该尽量减少STA从网络中断开的时间,即使不是所有的STA都一定能成功完成信道切换,比方说STA不支持切换后的新信道或者STA拒绝切换。

虽然新信道的选择算法超出了协议的规定,但是有一些基本原则:

1、尽量选择网络中所有STA均能工作的信道;

2、尽量选择干扰少的信道。

AP信道切换的时候应该通过包含信道切换通告元素的BeaconProbe ResponseChannel Switch Announcement报文向STA发出通知,通告新的信道。AP应该尽可能让BSS中的STA起码收到一次切换通告,包括处于节电状态下的STA



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