Wi-Fi认证中的干扰规避技术分析与测试

王 欢,方勇军,闫富贵

(1.浙江大华技术股份有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江大华视觉物联融合应用重点实验室,浙江 杭州 310000)

0 引言

国内最新型号核准(SRRC)指导文件,工信部无〔2021〕129 号 《关于加强和规范2 400 MHz、5 100 MHz和5 800 MHz频段无线电管理有关事宜的通知》对非跳频无线电发射设备的干扰规避技术提出了要求,本文就采用当前主流干扰规避方案——“发射前侦听”的技术原理进行分析,如图1所示。详解干扰规避技术实现的原理,结合相关标准实现干扰规避的测试验证、问题分析与解决,为相关产品型号核准的认证测试提供指导。

图1 非跳频无线电发射设备干扰规避分类

1 干扰规避技术

无线电发射设备干扰规避技术是为提高区域内所有无线设备的总传输效率而开发的一种技术[1],通过限制设备的发射时间、发射功率以及根据数据类型优化信道竞争机制而形成。目前,较为常见的干扰规避技术分为2大类:一是基于帧的干扰规避技术;二是基于负载的干扰规避技术。以Wi-Fi技术为例,目前,所有Wi-Fi方案都内置了Wi-Fi干扰规避接口,均支持上述两种干扰规避技术。

1.1 基于帧的干扰规避技术

基于帧的设备采用的是一种“先听后说”信道接入机制来监测信道上是否有其他设备正在发射数据,即设备在发射前会先进行信道监测,当发射设备检测到此时信道空闲时即可进行发送数据,若不空闲则需要进行下一个周期的等待,直到检测到信道空闲为止。

以Wi-Fi技术为例,Wi-Fi设备的固定帧周期如图2所示,包含3个部分:信道可用性检测时间、信道占用时间和空闲时间,整个时间周期为1～10 ms,具体由设备制造商宣称[2]。信道可用性检测时间(Clear Channel Assessment,CCA):评估信道是否空闲所需的时间,不小于16 μs;信道占用时间(Channel Occupancy Time, COT ):设备在给定信道上进行数据传输的时间,在1～10 ms;信道空闲时间:设备在当前信道上的空闲时间,至少为信道占用时间的5%,其间可以发送短控制信令,控制信令的占空比应≤10%。

图2 基于固定帧的发包时序

按照信道可用性检测时间为16 μs,信道空闲时间为信道占用时间的5%来计算,那么整个帧周期为16 μs+COT+COT×5%,在1.066～10.516 ms。

设备在该信道占用期间可以多次传输,当传输间隙不大于16 μs时不需要进行信道评估。信道占用时间为1～10 ms,信道空闲评估时间不小于18 μs,空闲时间至少为信道占用时间的5%但不小于100 μs。

1.2 基于负载的干扰规避技术

和基于帧的干扰规避技术一样采用的是基于“先听后说”的信道接入机制,只是对“说”的内容进行了优先级的定义,并赋予不同竞争窗口(Contention Window,CW)[2]。

基于负载的设备应实现一种基于EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)机制的信道接入机制,EDCA是对基本DCF(Distributed Coordination Function)的扩展,通过采纳带优先级的QoS(Quality of Service)实现设备根据传递报文类型不同制定优先级,从而为其分配不同的等待时间,来实现有差别的数据传输服务。以Wi-Fi设备为例,该机制定义了4种接入类别:背景(AC_BK)、尽力而为(AC_BE)、视频(AC_VI)、音频(AC_VO),默认优先级从低到高,制造商可以个根据设备类型自行设定优先级顺序,为Wi-Fi设备在不同业务场景提供不同的无线信道接入能力[3]。

DCF(Distributed Corrdination Function)是一种分布式的,基于信道竞争的信道接入技术。当一个站点需要发送数据时,首先要对当前信道进行一个16 μs的CCA(Clear Channel Assessment)侦听,从而判断当前信道是否空闲。若信道空闲,则站点认为其可以开始发送数据,否则需要进行下一个随机等待(Backoff Time=Random [0,CW(k)]×a Slot Time)其中,CW(k)=min(2kCWmin,CMmax);a slot Time是单个时隙;k是回退级数,即当前传输失败次数,若是首次尝试传输,k取值为0,CW取CWmin,每次传输失败,则k加1,CW增大一倍,直到k增加至最大值;期间如有一次传输成功,CW重置为CWmin。

如图3所示,站点2发送数据时检测到信道繁忙,在目的站发出ACK后,经过DIFS(分布式帧间间隙=SIFS(短帧间间隙,通常为16 μs)+2×a Slot Time)后,开始进行预先分配好的随机等待,等待结束立即发送数据。

图3 基于负载的发包时序

由此可见,基于负载的干扰规避技术会使站点的工作效率更高,这也是当前大多数设备采用的信道接入方案。

1.3 短控制信令

Wi-Fi信号按照帧的类别主要分为管理帧、控制帧和数据帧[3]。控制帧:协助发送数据帧的控制报文,RTS、CTS、ACK等;数据帧:用户间的数据报文;管理帧:负责STA和AP之间的能力级的交互、认证、关联等管理工作,包括信标帧、扫描帧、认证帧、关联帧。短控制信令通常指控制帧和管理帧,在Wi-Fi干扰规避测试时,加入干扰信号后不允许除控制帧、管理帧之外的其他数据帧在此时发送,并要求在任意一个50 ms的观测周期内,发射时间的比例不超过10%,即最大发射时间不大于5 ms。

2 干扰规避测试方法

2.1 测试环境搭建

本文以测试对象为Wi-Fi STA的设备为例进行搭建,测试方法参考EN 300 328 V2.2.2,环境搭建如图4所示。综测仪是陪测设备,主要功能是使被测物能够以较高的占空比进行主动发包;干扰源1是干扰信号发生器,主要功能是产生20 MHz以上带宽高斯白噪声信号;干扰源2是无用信号发生器,主要功能是产生单载波信号;频谱仪是信号分析仪,主要用来监测被测物的状态,比如被测物是否在连续的发包、受到干扰后是否停止发包或者仅剩下短控制信令信号等。

图4 干扰规避测试环境搭建

2.2 测试步骤

(1)保持干扰源1、干扰源2关闭,综测仪与被测物建立连接,调节衰减器,使UUT端接收到的信号强度在-50 dBm左右,Iperf最好保持50%以上的流量。

(2)打开干扰源1(信号频率:被测信道频点;带宽:20 MHz;Level:-70 dBm/MHz++ 10×log10 (100 mW/Pout) (Poutin mW e.i.r.p.)),比如Pout是20 dBm,调整信号源的功率,使频谱仪监测到的AWGN信号为-70 dBm/MHz。

(3)在频谱以上观察:①停止发射,如图5所示;②仅剩余部分短控制信令信号,且占空比在10%内(任意50 ms的观测时间内),以上观测结果测试通过,如图6所示;否则不通过(如没有停止发射或者短控制信号占空比大于10%等)。

图5 设备停止发射,无短控制信令信号发出

图6 设备停止发射,有短控制信令信号发出

(4)保持干扰源1不变,打开干扰源2(频率:2 395 MHz、2 488.5 MHz,Level:-35 dBm);说明:测试高信道时(工作信道位于2 442～2 483.5 MHz),CW的频率为2 39 5 MHz;测试低信道时(工作信道位于2 400～2 442 MHz),CW的频率为2 488.5 MHz;Level的调整也可以在测试前调整好。

(5)在频谱仪上观察:①只要存在干扰信号、CW信号,不会恢复数据传输,观测时间至少60 s;②存在干扰信号、CW信号期间,允许段控制信号的存在和发射,发射满足占空比不大于10%的要求。

(6)关闭干扰源1、干扰源2,设备会立即恢复数据传输。

3 测试结论与问题分析

3.1 测试结论

从频谱上看到的情况如图5—6所示,表示测试通过,如果不满足图5—6两种情况,则测试失败。

3.2 问题分析

(1)按照标准要求的干扰信号强度,设备没有停止数据发送;通过增加干扰信号强度,在频谱上监测到被测物不再进行发送数据,如图7所示。

图7 增加干扰信号强度,设备停止发射

原因分析:增大干扰,被测物会停止发送数据,说明被测物干扰规避相关的检测阈值设置过高。

(2)在(1)的基础上增大干扰信号强度,设备依旧没有停止发送数据。

原因分析:增大干扰,被测物未停止发送数据,说明被测物干扰规避功能没打开。

以RTLTEK平台的一款WiFi产品为例,通过以下两条指令的配置来打开设备的自适应功能,CONFIG_RTW_ADAPTIVITY_EN=1;ADAPTIVITY_MODE=normal。

通过调整“th_l2h_ini th_edcca_hl_diff 0xf5”命令中的参数“0xf5”来改变设备的干扰规避检测阈值,太高干扰规避测试失败,太低无法竞争信道成功,所以需要经过多次测试来找到合适的参数,以达到较好的传输效果。