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802.11h。802.11h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：TPC（Transmit Power Control，传输功率控制）和DFS（Dynamic 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——TPC和DFS，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帧

802.11h对Beacon和Probe 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帧

Association Request和Reassociation 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5种action帧用于频谱管理，分别是：Measurement Request、Measurement Report、TPC Request、TPC Report、Channel 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 Report、CCA Report、PRI 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0～7。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

当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)        确定法规和本网络中规定的功率要求

c)         为每次传输选择合规的功率

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AP或STA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  从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  由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STA与AP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STA的NAV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
IBSS，MBSS	STA	STA	Individual or Group

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Beacon、Probe Response、Channel 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。