王建全，孫遠(yuǎn)欣，王心儀，唐萬(wàn)斌，李少謙

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

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802.11b中業(yè)務(wù)源基于隱馬爾可夫的測(cè)量與分析

王建全，孫遠(yuǎn)欣，王心儀，唐萬(wàn)斌，李少謙

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

摘要：出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，分析通信系統(tǒng)中的頻譜資源并對(duì)其進(jìn)行建模是極其重要的。在大多數(shù)時(shí)候，能通過(guò)空口測(cè)量來(lái)捕獲各類無(wú)線通信系統(tǒng)中授權(quán)用戶的業(yè)務(wù)參數(shù)，從802.11b的物理層結(jié)構(gòu)開始研究，建立相關(guān)的隱馬爾可夫模型(HMM)。為了分析業(yè)務(wù)源的行為，使用BW算法來(lái)估計(jì)業(yè)務(wù)源的參數(shù)，而業(yè)務(wù)是用D-ITG軟件來(lái)產(chǎn)生的，因此可以將結(jié)果與真實(shí)模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在802.11b協(xié)議下，使用隱馬爾可夫模型和BW算法來(lái)對(duì)信道占用行為進(jìn)行模擬是不準(zhǔn)確的，但是分析業(yè)務(wù)源的特性是可行的。

關(guān)鍵詞：隱馬爾可夫模型；空口測(cè)量；參數(shù)估計(jì)；業(yè)務(wù)特性參數(shù)

0引言

分析用戶行為的特性對(duì)通信系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮是極其重要的。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，能夠通過(guò)空中接口接受無(wú)線信號(hào)，不管是否有該系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，都可以從中獲取用戶的行為。在研究認(rèn)知無(wú)線電的頻譜使用特性時(shí)，這一方法也同樣適用。

本文假定觀察符號(hào)保持連續(xù)并且服從高斯分布，同時(shí)認(rèn)為背景噪聲是高斯白噪聲。受文獻(xiàn)[1]的啟發(fā)，本文用HMM建立由測(cè)量的時(shí)域數(shù)據(jù)驗(yàn)證后的模型。BW算法用于估計(jì)模型的參數(shù)，以便將模型參數(shù)轉(zhuǎn)換為用戶特性。為了驗(yàn)證這個(gè)模型，在應(yīng)用層控制業(yè)務(wù)源，如果它被底層改變了則會(huì)被標(biāo)記，因此從空中接口抽取的數(shù)據(jù)也會(huì)不同。

在WLAN中有許多協(xié)議，這些協(xié)議速率由1～600Mbps，甚至可以達(dá)到1Gbps。考慮到器材的局限性，本文采用傳統(tǒng)的802.11b版本來(lái)代替其他高速版本。

1測(cè)量設(shè)置

802.11b有14個(gè)可用信道，都處于ISM 2.4GHz頻段左右的范圍。每個(gè)使用802.11b協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在同一時(shí)刻只能使用一個(gè)固定信道。在ISM頻段中，多個(gè)平行信道的無(wú)線通信會(huì)干擾測(cè)量。為了避免該情況，將測(cè)量環(huán)境置于MAC層。目標(biāo)頻段是802.11b中心頻率為2.472Hz，帶寬為22MHz的13號(hào)信道。802.11b中業(yè)務(wù)則通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)生器(D-ITG)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]，該軟件允許統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。從示波器中獲取時(shí)域電壓參數(shù)，運(yùn)用HMM 方法來(lái)分析數(shù)據(jù)，并用相應(yīng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。更多具體細(xì)節(jié)由表1給出。

表1　測(cè)量配置

在表1中，全部采樣時(shí)間為T=500ms×10=5s。如圖1所示，業(yè)務(wù)由具有相同的傳輸參數(shù)的PC1、PC2和PC3產(chǎn)生，PC0通過(guò)以太網(wǎng)鏈接無(wú)線路由器，這些信號(hào)被PC0接收。

圖1　802.11b數(shù)據(jù)傳輸和接收?qǐng)鼍?/p>

2基于隱馬爾可夫的系統(tǒng)模型

2.1HMM和BW算法

(1)

(2)

式中，Ωj是矢量，Σj是對(duì)角線的協(xié)方差矩陣。HMM的所有參數(shù)被描述為Θ=(π,A,Ω,Σ)。

(3)

(4)

βT(i)=1,i=0,1，

(5)

(6)

據(jù)此，計(jì)算2個(gè)重要的中間變量：

(7)

(8)

根據(jù)之前定義的變量，通過(guò)BW算法能夠估計(jì)HMM參數(shù)。這個(gè)方法如下所示：

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2基于時(shí)隙的信道模型

獲取的數(shù)據(jù)為時(shí)域電壓，為了更好地匹配模型，將其轉(zhuǎn)換為功率序列(dBm)，作為觀察序列。方法如下：

(13)

式中，I代表實(shí)部，Q代表虛部。將功率序列分為具有相同長(zhǎng)度l的小段，稱為時(shí)隙。在每個(gè)時(shí)隙中，使用平均功率來(lái)代表時(shí)序的功率。大體上說(shuō)，就是802.11b物理層數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度大約為數(shù)十或數(shù)百微秒，同時(shí)分離一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸并且得到確認(rèn)的短幀間距離(SIFS)大概為10 μs[5]。所以，為了方便，設(shè)l=1μs來(lái)追蹤信道狀態(tài)。

當(dāng)傳輸信道被占據(jù)時(shí)，設(shè)定信道狀態(tài)為“忙碌”；在其他情況下，信道狀態(tài)為“空閑”?；跁r(shí)隙的信道狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

圖2　802.11b時(shí)隙化的頻譜狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型

使用HMM來(lái)模擬802.11b的無(wú)線頻譜上的業(yè)務(wù)源，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，不直接使用測(cè)量數(shù)據(jù)。原因主要集中在3個(gè)方面： ① 盡管被業(yè)務(wù)源發(fā)送的包在上層服從泊松分布，在被MAC和PHY處理后，其行為發(fā)生了改變，尤其是信道占用行為；② 重點(diǎn)關(guān)注業(yè)務(wù)源的特征用來(lái)代表用戶的行為，而不是關(guān)注ACK包。當(dāng)ACK包的數(shù)量幾乎與數(shù)據(jù)包相同時(shí)，將強(qiáng)烈地干擾分析結(jié)果； ③ 根據(jù)測(cè)量，ACK的功率總是與數(shù)據(jù)功率不同，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)3個(gè)明顯分離的狀態(tài)，而不僅僅是2個(gè)。因此，Ω將有3個(gè)元素。這對(duì)分析結(jié)果是不利的。

在文獻(xiàn)中，作者將Data、SIFS和ACK合并在一起看作一個(gè)叫做“傳輸”的整體狀態(tài)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，如圖3(a)所示。將這個(gè)方法標(biāo)記為方法A，這種方法從本質(zhì)上模擬了信道占據(jù)行為。但如原因①所述，這個(gè)結(jié)果是沒(méi)有意義的。為了運(yùn)用HMM，本文提出了方法B，主要思想是分離數(shù)據(jù)包，削弱ACK帶來(lái)的干擾，如圖3(b)所示。

“業(yè)務(wù)傳輸狀態(tài)”僅僅在數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)發(fā)生，對(duì)于SIFS、DIFS或ACK，這個(gè)狀態(tài)被認(rèn)為是“業(yè)務(wù)未傳輸狀態(tài)”。得到解調(diào)結(jié)果后，就能將ACK包定位為測(cè)量數(shù)據(jù)，用背景噪聲來(lái)替代它們，進(jìn)而得到所需要的觀察序列。這種做法能夠?qū)?02.11b的頻譜占用明顯地分割開來(lái)，但和真實(shí)情況中業(yè)務(wù)對(duì)頻譜的占用模型有所不同。因此，希望盡量獨(dú)立出Data數(shù)據(jù)包對(duì)頻譜資源的占用，同時(shí)盡量弱化ACK數(shù)據(jù)包對(duì)頻譜的占用。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)頻譜狀態(tài)使用HMM估計(jì)方法。

(a)數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)示意圖

(b)業(yè)務(wù)傳輸狀態(tài)示意圖圖3　802.11b 業(yè)務(wù)狀態(tài)模型

圖3(b)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型中，Data的傳輸作為業(yè)務(wù)對(duì)頻譜資源占用，其余的狀態(tài)一并作為與業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的狀態(tài)合集。這樣一來(lái)，頻譜占用狀態(tài)就分為了業(yè)務(wù)傳輸狀態(tài)和非業(yè)務(wù)傳輸狀態(tài)。

3結(jié)果和性能分析

首先，根據(jù)解調(diào)結(jié)果得到業(yè)務(wù)源的統(tǒng)計(jì)特性。然后，將設(shè)置在PC上的參數(shù)與結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。最后，選擇確定的參數(shù)來(lái)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，用上文提到的方法來(lái)處理它。通過(guò)使用HMM和BW算法，來(lái)計(jì)算模型的參數(shù)。

3.1解調(diào)和統(tǒng)計(jì)分析

圖4為802.11b物理層長(zhǎng)PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)[6]。數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼和包頭包含了需要的全部信息，同時(shí)采用符號(hào)率為1 Mbit/s的差分相移鍵控(DPSK)來(lái)調(diào)制，通過(guò)同步和解調(diào)來(lái)抽取包頭。

圖4　物理層長(zhǎng)型PPDU數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)PPDU數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間通過(guò)解調(diào)結(jié)果獲得，單位為μs。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，得到一個(gè)持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。設(shè)置PLCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為512bits。PPDU數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度等于PSDU的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度加上數(shù)據(jù)包前導(dǎo)碼和包頭的長(zhǎng)度。

表2　數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度與包間間隔的駐留時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

周期性的信標(biāo)被路由器以每100 ms的時(shí)間間隔廣播。根據(jù)表2可知，通過(guò)包的長(zhǎng)度將包進(jìn)行不同的分組。如果以共計(jì)5 s的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和駐留時(shí)間統(tǒng)計(jì)，就會(huì)得到不同場(chǎng)景下，不同發(fā)包業(yè)務(wù)的駐留時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)包駐留時(shí)間結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5(a)、(c)是2種不同狀態(tài)下數(shù)據(jù)包駐留時(shí)間長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)圖?？梢钥闯觯m然業(yè)務(wù)不同，但是Data(623μs)和ACK(203μs)始終處于較高的統(tǒng)計(jì)水平，并且數(shù)值基本相等。另外，在駐留時(shí)間為1 160μs的地方，存在統(tǒng)計(jì)值為50的較高峰值，這代表的是802.11b中的周期性信標(biāo)，每10ms出現(xiàn)一次。因此，在共計(jì)5 s的數(shù)據(jù)中，信標(biāo)一共出現(xiàn)50次。

圖5(b)、(d)為2種情況下包間間隔的駐留時(shí)間統(tǒng)計(jì)，圖5(b)是高速泊松發(fā)包情況下，包間間隔的統(tǒng)計(jì)，可以看到統(tǒng)計(jì)呈現(xiàn)明顯的指數(shù)分布，這能間接的驗(yàn)證泊松發(fā)包的事實(shí)，圖5(d)是低速泊松發(fā)包時(shí)的包間間隔，由于發(fā)包極慢，此時(shí)的駐留時(shí)間已經(jīng)趨于ms的數(shù)量級(jí)，但還是能看出，其統(tǒng)計(jì)特性有指數(shù)分布的趨勢(shì)。

圖6給出了統(tǒng)計(jì)和似然估計(jì)2種方法的分析結(jié)果，真實(shí)的包傳輸數(shù)率表明在D-ITG中設(shè)置的數(shù)率。因?yàn)樵谕粋€(gè)時(shí)刻有3臺(tái)PC傳輸數(shù)據(jù)，所以總的包傳輸數(shù)率λ總=3λ泊松。與真實(shí)的包傳輸速率相比，被解調(diào)結(jié)果所估計(jì)的包傳輸速率是正確的，但是當(dāng)λ泊松≥350packet/s時(shí),數(shù)據(jù)不會(huì)再增加，因?yàn)閿?shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到無(wú)線路由器的上限。

圖6　數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)與似然估計(jì)結(jié)果

3.2HMM分析

表3　HMM估計(jì)參數(shù)

圖7(a)中可以看到，實(shí)際功率序列的分布與HMM生成的序列存在較大差異，尤其是在“0”狀態(tài)，仿真序列的峰值很低，說(shuō)明在理論業(yè)務(wù)下，所描述的頻譜占用模型是不太合理的。圖7(b)中測(cè)量功率序列與HMM生成序列吻合較好。802.11b的狀態(tài)功率分布較GSM來(lái)說(shuō)，方差較小，分布非常集中，這說(shuō)明WLAN的傳輸對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性要求更高。業(yè)務(wù)傳輸態(tài)和非業(yè)務(wù)傳輸態(tài)的峰值都非常明顯，并且高度幾乎一致，說(shuō)明802.11b的實(shí)際業(yè)務(wù)對(duì)信道的占用率大約為50%。

(a)方法A所產(chǎn)生的結(jié)果

(b)方法A所產(chǎn)生的結(jié)果圖7　　　　802.11 b實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與HMM產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)的功率分布圖比較

另外的方法是計(jì)算數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乃俾剩缓髮⑵渑cD-ITG中的比較。采用文獻(xiàn)[8]中的方法，包的傳輸速率的計(jì)算為：

(14)

(15)

在軟件中設(shè)置的包的傳輸速率為λ總=3λ泊松=1 050packet/s。

盡管如此，這個(gè)結(jié)果表明了在802.11b中，用HMM來(lái)仿真業(yè)務(wù)源的行為是可行的，但是仿真信道占用行為是不合適的。

4結(jié)束語(yǔ)

在802.11b實(shí)際的測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)了一種從空中接口獲取802.11b業(yè)務(wù)源的方法。解調(diào)結(jié)果確認(rèn)了我們的統(tǒng)計(jì)分析是可信的，并且對(duì)HMM估計(jì)是有用的。通過(guò)將連續(xù)時(shí)間域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于時(shí)隙的功率序列，建立了基于HMM的模型，使用BW算法來(lái)估計(jì)業(yè)務(wù)源參數(shù)。最后比較2種方法的測(cè)量數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果，得出HMM不適用于仿真信道占用行為，但是在仿真業(yè)務(wù)源的行為上是有效的。

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Measurement and Analysis on Traffic Source in 802.11b Based on Hidden-markov-model

WANG Jian-quan,SUN Yuan-xin,WANG Xin-yi,TANG Wan-bin,LI Shao-qian

(National Key Lab of Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu Sichuan 611731,China)

Abstract：In view of economic factors,the analysis and modeling for spectrum resource in communication system are always important.In most of the time,the traffic parameters of authorized user can be gotten through air interface measurement.Firstly the physical structure of 802.11b is studied,and then the model based on Hidden-Markov-Model (HMM) is built.To analyze the behavior of the traffic source,the Baum-Welch algorithm (BW algorithm) is used to estimate the parameters of traffic source.The traffic is generated by using software named D-ITG,so it’s practicable to compare the model result with the real one.The experimental results show that,in 802.11b,using HMM-based model and BW algorithm to simulate the channel occupancy behavior is not proper,but it is feasible to traffic source characteristics analysis.

Key words：Hidden Markov Model;air interface measurement;parameters estimation;traffic character parameters

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)03-37-5

作者簡(jiǎn)介：王建全(1990—)，男，博士在讀，主要研究方向：無(wú)線與移動(dòng)通信。唐萬(wàn)斌(1973—)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：無(wú)線與移動(dòng)通信、通信信號(hào)與信息處理、抗干擾與安全通信。李少謙(1957—)，男，教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:無(wú)線與移動(dòng)通信、抗干擾與安全通信。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61271169)；中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司基金項(xiàng)目(SGSCXTOOGCKT1300563)

收稿日期：2016-01-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.10

引用格式：王建全，孫遠(yuǎn)欣，王心儀，等.802.11b中業(yè)務(wù)源基于隱馬爾可夫的測(cè)量與分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(3):37-41.