48、低功耗无线链路不对称性特征及无线局域网带宽策略研究

低功耗无线链路不对称性特征及无线局域网带宽策略研究

低功耗无线链路不对称性特征

1. 发射机性能评估
   • 实验设置 ：在室内办公室环境中使用实验设置 - A 收集观测数据。采用型号为 MS2721A 的 Anritsu SA 捕获发射节点的频谱包络，将 SA 配置为最大保持电平，以锁定每个频率扫描中传输数据包的最大功率电平。对每种类型的 4 个不同节点循环重复该操作，节点和 SA 调谐到其标称中心频率，MicaZ 和 TelosB 为 2.480GHz（信道 26），Mica2 节点为 916.7MHz。
   • 实验结果 ：Mica2、MicaZ 和 TelosB 节点的峰值包络变化范围分别为 [-30dBm, -36dBm]、[-43dBm, -50dBm] 和 [-37dBm, -50dBm]。所有节点都在指定信道分配的频段内传输，频谱占用相似且无明显频率偏移。不同节点的接收功率存在功率变化，Mica2 和 MicaZ 节点变化在 6 - 7dB 内，TelosB 节点约为 13dB。这种变化归因于制造过程，传输数据包的功率电平与指定功率电平接近但不完全匹配，显著的发射功率差异会影响节点的前向和反向链路性能。
   • 结论 ：发射机功率是链路不对称的重要因素，但在本次测试中，发射模式下的频率失准不是不对称链路的原因。
2. 天线影响分析
   • 实验设置 ：在室内办公室环境中使用设置 - B，对 4 个不同的 Mica2 节点进行实验，SA 设置与发射机实验相同。
   • 实验结果 ：有线设置下 Mica2 节点的峰值包络变化范围为 [-27dBm, -34dBm]，变化约为 7dBm。与无线设置相比，频谱结果几乎相同，仅峰值功率电平从 -30dBm（无线）变为 -27dBm（有线）。衰减器设置为 -25dB 时，传输数据包的功率在短物理有线介质上传播会衰减约 2dB。
   • 结论 ：节点中使用的标准天线对接收频谱包络没有显著影响，不是链路不对称的主要因素。
3. 接收机性能特征
   • 实验设置 ：使用一组 MicaZ 节点进行实验，通过在发射机和接收机节点之间放置衰减器来控制数据包接收率（PRR），改变衰减值以对应最小到最大衰减或接收机处的接收信号强度（RSS）条件。
   • 实验结果 ：PRR 在衰减约 8dB 或 RSS 降低的范围内从 100% 降至 0%，不同节点对接收功率电平变化表现出不同的响应特性。所有节点在衰减值小于 54dB 时 PRR 为 100%，衰减大于 62dB 时无法接收任何数据包。实际 RSS 值可通过考虑节点发射功率（-25dBm）、有线介质上的功率损耗（约 2dB）和衰减器设置的衰减电平 [-54dB, -62dB] 获得，PRR 在 RSS 从 [-81dBm, -89dBm] 范围内从 100% 降至 0%。接近 -89dBm 时 PRR 为 0% 是因为节点硬件解码数据包所需的最小功率约为 -90dBm。
   • 结论 ：PRR 很大程度上取决于接收机处的接收信号功率，当 RSS 落在接收机灵敏度频段（约 [-80dBm, -90dBm]）时可能导致链路不对称。对于固定发射功率的无线传感器网络（WSN），可通过适当的拓扑控制选择短链路而非长链路来减少链路不对称。
4. 收发模式性能研究
   • 实验场景 ：在一组无线传感器节点中，中间节点可能同时在汇聚节点和源节点之间来回转发数据包，或者基站可能在接收不同源的数据包并进行确认的同时执行常规操作。使用 MicaZ 节点在实验设置 - C 和 D 中分析这种特性。
   • 实验结果 ：对于不同链路（0→3、0→5、0→7），在 29 字节有效负载（PL）和不同帧间隔（IPI）的情况下，收发模式对 RSSI 值有影响。链路 0→3 和 0→5 的 RSSI 值在收发模式下更高，而链路 0→7 的 RSSI 值更低，链路 0→7 工作在接收机灵敏度频段 < -80dBm，这支持了在该功率区域工作的链路可能产生 RSS 意外变化并导致链路不对称的观察结果。短链路（0→3）在收发模式下 RSSI 值高 2 - 4dB，对于 39 字节和 49 字节的 PL 也有类似观察结果。
   • 结论 ：低功耗节点在收发模式下功率电平会发生变化，当功率差异较大且节点工作在接近制造商指定的最小灵敏度频段时，可能导致链路不对称。
5. 环境条件影响
   • 实验设置 ：使用设置 - A，对一组 4 个不同的发送节点（MicaZ）在一周内不同时间进行实验，记录环境条件和 4 个不同节点（A、B、C、D）的峰值包络。
   • 实验结果 ：频谱包络在不同时间的观测中不一致，变化范围约为 1 - 10dB。这种 RF 功率差异预计会影响不同环境条件下不同时间的 WSN 传输。在正常 WSN 操作中，前后向链路同时工作时环境条件相似，对链路性能影响可忽略；但如果操作之间存在显著延迟，环境条件改变，链路不对称可能会显现。

实验编号	时间	环境条件	峰值包络 - A (dBm)	峰值包络 - B (dBm)	峰值包络 - C (dBm)	峰值包络 - D (dBm)
1	7 a.m.	21°C，风向西北，风速 13 km/h，湿度 60%	-56	-56	-50	-53
2	12 noon	19°C，风向南，风速 27 km/h，湿度 56%	-60	-60	-53	-57
3	1 p.m.	30°C，风向西南，风速 8 km/h，湿度 29%	-53	-53	-56	-56
4	3 p.m.	25°C，风向西北，风速 21 km/h，湿度 28%	-53	-50	-53	-55
5	5 p.m.	26°C，风向北，风速 19 km/h，湿度 39%	-54	-52	-56	-56
6	8:30 p.m.	21°C，风向西北，风速 14 km/h，湿度 38%	-56	-53	-49	-51

无线局域网中基于模型的带宽获取策略

1. 动态频谱接入简介
   • 动态频谱接入（DSA）使一组二级用户（SU）设备能够在一级用户（PU）设备传输之间访问未使用的频谱（空白频段）。这种接入在许可频段和非许可频段都可行，非许可频段由于无线消费技术的普及和拥挤，DSA 尤为重要。例如，2.4GHz 工业科学和医疗（ISM）频段中蓝牙、WLAN 和无绳设备的共存可通过空间或频率分离实现。
2. 二级用户接入策略
   • 策略概述 ：提出一种基于测量和建模二级用户在 WLAN 中感知的空白频段的二级用户接入策略。二级用户持续监测和建模周围的空白频段，然后尝试访问可用频谱，以最大化有效二级吞吐量，同时将对一级用户造成的干扰限制在预定义范围内。
   • 具体步骤
     • 开发二级吞吐量和一级干扰的解析表达式。
     • 进行基于 ns2 的仿真实验，验证所提出接入策略的有效性。
     • 使用开发的表达式对策略性能进行数值评估。

graph LR
    A[开始] --> B[二级用户监测空白频段]
    B --> C[建模空白频段]
    C --> D[尝试访问可用频谱]
    D --> E{是否满足干扰限制}
    E -- 是 --> F[最大化二级吞吐量]
    E -- 否 --> B
    F --> G[结束]

低功耗无线链路不对称性特征及无线局域网带宽策略研究

低功耗无线链路不对称性总结

通过对低功耗无线链路多个方面的研究，可以总结出以下关键要点：
- 主要影响因素 ：发射机功率和接收机灵敏度是导致链路不对称的主要因素。发射机功率的差异会影响前向和反向链路性能，而接收机灵敏度则决定了数据包接收率（PRR）与接收信号强度（RSS）之间的关系。
- 次要影响因素 ：天线特性和频率失准对链路不对称的影响较小。天线对接收频谱包络影响不显著，而在测试的无线传感器网络（WSN）平台中，不同节点的中心频率无重大变化，频率失准不太可能是链路不对称的原因。
- 环境因素影响 ：环境条件的变化会导致频谱包络不一致，RF 功率差异可能影响不同时间的 WSN 传输。在前后向链路操作有显著延迟、环境条件改变时，链路不对称可能会显现。

影响因素	对链路不对称的影响程度	具体表现
发射机功率	主要因素	功率差异影响前后向链路性能，不同节点发射功率有 6 - 13dB 变化
接收机灵敏度	主要因素	PRR 与 RSS 密切相关，RSS 落在 [-80dBm, -90dBm] 频段时易导致链路不对称
天线特性	次要因素	对接收频谱包络影响不显著，功率变化约 3dB
频率失准	次要因素	测试平台中不同节点中心频率无重大变化
环境条件	可能因素	频谱包络变化约 1 - 10dB，操作延迟、环境改变时可能导致链路不对称

无线局域网带宽策略评估

对于无线局域网中基于模型的带宽获取策略，从以下几个方面进行评估：
1. 策略优势
- 高效利用频谱 ：通过持续监测和建模空白频段，二级用户能够更精准地找到可用频谱，从而提高频谱利用率。
- 干扰控制 ：将对一级用户的干扰限制在预定义范围内，保证了一级用户的正常通信，实现了不同用户设备的共存。
- 吞吐量优化 ：以最大化有效二级吞吐量为目标，提高了二级用户的通信效率。
2. 潜在挑战
- 监测准确性 ：准确监测和建模空白频段需要高精度的设备和算法，可能面临信号干扰、测量误差等问题。
- 实时性要求 ：频谱使用情况随时变化，二级用户需要实时调整接入策略，对系统的实时处理能力提出了较高要求。
- 策略适应性 ：不同的网络环境和用户需求可能需要不同的接入策略，策略的通用性和适应性需要进一步优化。

graph LR
    A[策略优势] --> B[高效利用频谱]
    A --> C[干扰控制]
    A --> D[吞吐量优化]
    E[潜在挑战] --> F[监测准确性]
    E --> G[实时性要求]
    E --> H[策略适应性]

综合建议

基于上述对低功耗无线链路和无线局域网带宽策略的研究，提出以下综合建议：
1. 低功耗无线链路方面
- 优化发射机功率 ：在制造过程中严格控制发射机功率，减少不同节点之间的功率差异，提高链路的稳定性。
- 提高接收机灵敏度一致性 ：通过技术手段提高接收机灵敏度的一致性，降低 RSS 对 PRR 的影响，减少链路不对称。
- 考虑环境因素 ：在设计 WSN 时，充分考虑环境条件的变化，采用自适应的拓扑控制策略，减少环境因素对链路性能的影响。
2. 无线局域网带宽策略方面
- 提升监测技术 ：投入研发高精度的频谱监测设备和算法，提高空白频段监测的准确性和实时性。
- 优化策略算法 ：根据不同的网络环境和用户需求，优化接入策略算法，提高策略的通用性和适应性。
- 加强协作机制 ：建立一级用户和二级用户之间的协作机制，实现频谱资源的更合理分配和利用。

总之，通过对低功耗无线链路不对称性的深入研究和无线局域网带宽策略的优化，可以提高无线通信系统的性能和可靠性，实现不同设备的高效共存和频谱资源的充分利用。