无线局域网室内无线信道模型分析及仿真毕业设计论文.docx
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无线局域网室内无线信道模型分析及仿真毕业设计论文
毕业设计（论文）
题目无线局域网室内无线信道模型分析及仿真
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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摘要
在移动通信技术高速发展的今天，无线局域网也迅猛发展，成为当今移动通信的一个热点，越来越受到人们的关注。
要实现高质量的无线局域网，保证传输质量，首先要解决的是无线信道问题。
无线信道是一个时变的复杂的混合体，对无线局域网来说，主要是在室内环境中，需要综合考虑大尺度和小尺度的衰落，同时还要考虑到802.11标准。
应用于室内环境的无线局域网标准有多种，如工作于2.4GHz频段的802.11b/g和工作于5GHz频段的802.11a等，由于工作的频率和采用的技术不同，进而系统的整体性能不同。
对室内无线信道模型进行研究对于分析无线局域网系统性能以及无线局域网标准的选择都具有重要的指导意义。
本文在介绍无线局域网802.11a标准的工作原理、结构及其关键技术的基础上，重点阐述了无线局域网中无线信道的大尺度衰落、小尺度衰落及其建模仿真的方法，确定了适用于室内环境的大尺度和小尺度衰落模型，基于MATLAB编程实现了802.11a通信链路仿真系统中的无线信道模块，最后对链路仿真结果进行了分析，仿真结果表明无线信道模块实现正确。
关键词：
无线局域网，信道模型，大尺度衰落，小尺度衰落，多径，OFDM
ABSTRACT
Nowadays,themobilecommunicationhasagreatdevelopment,andsodoestheWLAN,whichhasbecomeahotpointinmobilecommunicationarea,moreandmoreattentionhasbeentakentoit.InordertobuildahighqualityWLAN,makingsurethecommunicationquality,fistofalltheproblemofwirelesschannelshouldbestudied.Wirelesschannelisatime-variedenvironmentmixedwithmanycomplexfactors,toWLAN,itismostlytheindoorenvironment,boththebigscalefadeandthesmallscalefadeshouldbeconsidered.Atthesametimetheconsiderationshouldinclude802.11standards.TherearemanykindsofWLANstandards,suchas802.11b/gat2.4GHzand802.11aat5GHz,becauseoftheworkfrequencyandtechniqueisdifferent,thewholesystemperformanceisdifferent.StudyingtheindoorwirelesschannelwillhaveimportantinstructingvalueinanalyzingWLANsystemandchoosingWLANstandards.
ThistextfirstgivesanintroductionofWLAN802.11astandards'workprinciple,structureandkeytechnique.ThemostimportantpartinthistextisWLANwirelesschannel'sbig-scalefadingandsmall-scalefadingandtheirmodelingandsimulatingmethods.Themodelsofbig-scalefadingandsmall-scalefadingareselectedandthewirelesschannelisbuildfor802.11a’slinklevelsimulation.Atlastthesimulationresultisanalyzed,andtheresultindicatesthatthewirelesschannelisright.
KEYWORDS:
WLAN（WirelessLocalAreaNetwork），channelmodel,big-scalefading,small-scalefading,multi-path,OFDM
前言
无线局域网（WLAN:
WirelessLocalAreaNetwork）已经成为当今通信领域内的一个热点，他以良好的移动性、扩展性、兼容性、便携性和用户满意的数据传输速率博得更多人的喜爱和关注。
相对于蓝牙、3G等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引人关注的热点。
要实现无线局域网，离不开对无线局域网的信道的研究。
无线信道的复杂程度远在有线信道之上，既有大尺度的自由空间衰落和阴影衰落，还有小尺度的多径衰落和多普勒效应，同时还要考虑到无线局域网802.11标准。
本文正是针对这一问题进行无线局域网通信链路的建模和研究。
本文首先对无线局网及其信道进行简单介绍。
然后以802.11a为例，简要的讲解其工作原理和关键技术，然后是本文的重点，关于无线局域网的信道的大尺度和小尺度衰落的理论论述和建模。
大尺度部分分为自由空间衰落和阴影衰落两部分。
最后综合以上的理论，基于MATLAB进行802.11a标准无线局域网的通信链路仿真，包括大尺度和小尺度部分。
论文结构如下：
第一章概述802.11无线局域网。
第二章802.11a系统的工作原理、结构及其关键技术。
第三章无线局域网的信道衰落与建模，分为大尺度和小尺度两部分。
第四章无线局域网通信链路MATLAB仿真实现。
第五章对全文进行总结。
第一章概述
1.1802.11无线局域网概述
近年来，随着无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐成熟，无线局域网得到了业界以及公众的热情关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。
相对于蓝牙、3G等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引入关注的热点。
无线局域网络（WirelessLocalAreaNetworks；WLAN）是相当便利的数据传输系统，它利用射频（RadioFrequency；RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得用户能够利用其简单的存取架构，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。
无线局域网络绝不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸之目的，下列情形可能需要无线局域网络：
∙无固定工作场所的使用者
∙有线局域网络架设受环境限制
∙作为有线局域网络的备用系统
应无线局域网络的强烈需求，美国的国际电子电机学会在1990年11月成立了802.11委员会，开始制定无线局域网络标准。
承袭IEEE802系列，802.11规范了无线局域网络的介质存取控制（MediumAccessControl；MAC）层及实体（Physical；PHY）层。
在802.11系列标准中，涉及物理层的有4个标准：
802.11、802.11b、802.11a、802.11g。
根据不同的物理层标准，无线局域网设备通常被归为不同的类别，如常说的802.11b无线局域网设备、802.11a无线局域网设备等。
802.11标准是IEEE于1997年推出的，它工作于2.4GHz频段，物理层采用红外、DSSS（直接序列扩频）或FSSS（跳频扩频）技术，共享数据速率最高可达2Mbps。
它主要用于解决办公室局域网和校园网中用户终端的无线接入问题。
802.11的数据速率不能满足日益发展的业务需要，于是IEEE在1999年相继推出了802.11b、802.11a两个标准。
并且在2001年年底又通过802.11g试用混合方案，该方案可在2.4GHz频带上实现54Mbps的数据速率，并与802.11b标准兼容。
802.11b工作于2.4GHzISM（工业、科技、医疗）频带，采用直接系列扩频和补码键控，能够支持5.5Mbps和11Mbps两种速率，可以与速率为1Mbps和2Mbps的802.11DSSS（直接序列扩频）系统交互操作，但不能与1Mbps和2Mbps的802.11FHSS（跳频扩频）系统交互操作。
802.11a工作于5GHz频带（在美国为U-NII频段：
5.15-5.25GHz、5.25-5.35GHz、5.725－5.825GHz），它采用OFDM（正交频分复用）技术。
802.11a支持的数据速率最高可达54Mbps。
802.11a速率虽高，但和802.11b不兼容，并且成本也比较高，所以在目前的市场中802.11b仍然占据主导地位，802.11a产品预计将在今后几年内得到快速发展。
802.1g与已经得到广泛使用的802.11b是兼容的，这是802.11g相比于802.11a的优势所在。
802.11g是对802.11b的一种高速物理层扩展，同802.11b一样，802.11g工作于2.4GHzISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54Mbps的数据速率，与802.11a相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。
802.11g与802.11a一样拥有54Mbps的传输速率。
其中802.11a在信道可用性方面更具优势。
这是因为802.11a工作在更加宽松的5GHz频段，拥有12条非重叠信道。
而802.11g只有11条（802.11b同为11条），并且只有3条是非重叠信道（信道1、信道6、信道11）。
因此802.11g在协调邻近接入点的特性上不如802.11a。
由于802.11a的12条非重叠信道能给接入点提供更多的选择，因此它能有效降低各信道之间的“冲突”问题；此外，802.11a独特的5GHz工作频段也在抗干扰性上优于802.11b/g，因为在日常生活中，许多电子设备都是基于2.4GHz频段工作的，这正好与802.11b/g的工作频段相同并产生冲突，如蓝牙设备、微波炉等。
表1.1802.11的3种标准比较[1]
802.11b
802.11a
802.11g
标准批准时间
1999年7月
1999年7月
2003年6月
每子频道最大的数据速率
11Mbps
54Mbps
54Mbps
调制方式
CCK
OFDM
OFDM和CCK
每子频道的数据速率
1,2,5.5,11Mbps
6,9,12,18,24,36,48,
54Mbps
CCK:
1,2,5.5,11Mbps
OFDM:
6,9,12,18,24,36,48,
54Mbps
工作频段
2.4–2.4835GHz
5.15–5.35GHz
5.725–5.875GHz
2.4–2.4835GHz
可用频宽
83.5MHz
300MHz
83.5MHz
不重叠的子频道
3
12
3
在MAC（媒体接入控制）层，802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四种标准均采用的是CSMA/CA（CA：
CollisionAvoidance，冲突避免），这有别于传统以太网上的CSMA/CD（CD:
CollisionDetection，冲突检测），CSMA/CA相关内容在802.11标准中定义，802.11b、802.11a、802.11g直接沿用。
除了802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四个标准涉及物理层外，为了促进802.11a在欧洲的推广发展，与ETSI的HiperLAN/2竞争，IEEE又提出了802.11h标准，在802.11a基础上增加自动频率选择（DFS）和发送功率控制（TPC）功能，以适应802.11a在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。
802.11是MAC层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求，IEEE相继提出了802.11e、802.11f、802.11i、802.11d等标准。
本文将不做详细介绍。
1.2无线局域网信道概述
无线局域网通信是建立在无线局域网信道基础之上的，无线局域网信道的性能直接影响到通信质量的好坏。
为了满足局域网通信对传输速率和误码率的较高要求，对无线局域网的信道进行研究显得非常必要。
无线局域网主要应用于室内环境，建筑物内信道环境相对复杂。
首先有墙壁和楼层的阴影衰落，还有环境中障碍物引起的多径效应，也就是小尺度衰落。
发射机发出的电磁波在向建筑物内各个方向传播时，遇到不同障碍物时发生的反射，折射，衍射等作用会使得波束到达接收机的时间、幅度、相位均发生延迟和变化。
例如，发射机发出一个窄脉冲信号，经过多径信道后得到的是一串幅度和相位都不同的脉冲串，这将引起码间干扰。
移动无线传播信道的小尺度衰落,主要体现在频率选择性衰落和时变性这两个因素上,具体表现为信号在时间域的多径时延扩展和在频率域的频谱展宽。
时间弥散性可用RMS时延扩展、功率时延谱（PowerDelayProfiles）等参数来表征。
在移动通信中的还存在多普勒效应，这是由于接收机和发射机的相对运动产生的，在无线局域网中，这种相对运动极不明显，可以忽略，本文中不做考虑。
另外，除了无线局域网自身的特性外，外界对WLAN系统的干扰也是不能忽视的。
802.11b/g都工作在2.4GHzISM频段，许多日常的电子设备都是基于这个频段工作的，如微波炉、蓝牙设备，这将对无线局域网产生干扰。
相比而言，802.11a工作在较为宽松的5GHzUNII频段，在抗干扰性方面比较优秀。
第二章802.11a系统的工作原理、结构及其关键技术
IEEE802.11a工作于ISM的C频段,采用正交频分复用技术（OFDM）来调制数据流,物理层主要参数如下表:
表2.1802.11a物理层主要参数[5]
参数
数值
数据传输速率
6，9，12，18，24，36，48，54Mbit/s
调制方式
BIT/SK，QPSK，16-QAM，64QAM
编码率
1/2，2/3，3/4
子载波数量
52
数据信号数量
48
OFDM符号周期
4.0
s
保护间隔
0.8
s
cp长度
16
系统带宽
17MHz
发射机功率
800mW
52个子载波中48个用来传输信息。
经过信道编码和交织后的比特流被分为N比特（N与调制方式有关）一组送到调制器,调制时采用格雷码星座映射。
信息传输过程中,速率可变。
各种数据速率下参数见表2.2。
表2.2802.11a的传输速率[5]
数据速率/Mbps
调制方式
码率
单子载波比特率
OFDM符号比特数
OFDM符号信息比特数
6
BPSK
1/2
1
48
24
9
BPSK
3/4
1
48
36
12
QPSK
1/2
2
96
48
18
QPSK
3/4
2
96
72
24
16QAM
1/2
4
192
96
36
16QAM
3/4
4
192
144
48
64QAM
2/3
6
288
192
54
64QAM
3/4
6
288
216
图2.1给出了发送端的原理框图。
由图可以看出，来自数据链路层（DLC）的PDU链或者是PPDU数据帧进入物理层后，需要经过一个扰码器，此扰码器的作用是避免长的连“1”码和长的连“0”码的出现。
扰码器采用长为127bit的伪随机码序列，经过扰码后的数据进入码率为1/2的卷积编码器和选择器，该选择器可以提供不同的编码率：
1/2、2/3、3/4；经过编码后的数据进入交织器，交织器的作用是将突发的差错分散开来；经过交织后的数据进入映射器，映射器的作用是根据不同的调制方式将数据比特映射成数据符号；经过映射后的数据符号采用IFFT算法进行OFDM调制，形成OFDM符号；最后，通过48个传输数据信息的子载波和4个传输导频的子载波进行传输。
图2.1PHY层发送端原理框图[4]
2.2802.11a系统关键技术
2.2.1无线局域网OFDM调制技术
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。
这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
OFDM技术属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术。
有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。
MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：
OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。
OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。
在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。
OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。
各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。
我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。
无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。
为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。
可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。
OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。
比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/s/Hz）转化成16QAM－64QAM（频谱效率4～6bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。
自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。
终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。
OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。
信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。
功率控制与自适应调制要取得平衡。
也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。
图2.2OFDM基带系统结构框图[5]
2.2.2调制技术
1四相相移键控（QPSK）：
图2.3QPSK星座图[6]
QPSK调制的原理是把相继两个码元的四种组合（00.01.10.11）对应于正弦波的四个相位：
Si（t）=cos（ωct+Qi）i=1,2,3,4;-T/2≤t≤T/2
当Qi=0,±π/2,π,±π/4,±3π/4时,Si（t）=aicosωct+bisinωct 相应的Qi是±π/4,±3π/4时,（2ai,2bi）=（1,1）,（-1,1）,（-1,-1）,（1,-1） 用（ai,bi）在二维平面上表示。
QPSK正交调制器原理：
它可以看成由两个BSPK调制器构成，输入的串行二进制信息序列经串/并变换，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性=电平信号I（t）和Q（t），然后对Cosωct和Sinωct进行调制，相加
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