基于IEEE80211a鏈路仿真綜述

1、設(shè)計(jì)總成績(jī)： 報(bào)告份數(shù)： 通信與信息工程學(xué)院 裝專業(yè)課程設(shè)計(jì) B 報(bào)告 訂 線 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)（班內(nèi)序號(hào) ）: 題目：基于 IEEE802.11a 鏈路仿真 一、摘要 IEEE802.11a 是應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的 802.11 規(guī)范族中的一個(gè)規(guī)范，主要 用在接入式集線器中，為無線 ATM系統(tǒng)提供規(guī)范。使用 IEEE802.11a 規(guī)范的 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于無線頻率在 5.725GHz到 5.850GHz 之間的環(huán)境下。這個(gè)規(guī)范使用 正交頻分復(fù)用技術(shù)， 這種技術(shù)尤其適合應(yīng)用于辦公室局域網(wǎng)。 在 IEEE802.11a 規(guī)范中，使用 52 個(gè)正交頻分多路復(fù)用副載波，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到54Mb/

2、s。 IEEE802.11a擁有 12條不相互重疊的頻道， 8條用于室內(nèi)， 4 條用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳 輸。本次課程設(shè)計(jì)中，我們使用了 matlab 仿真平臺(tái)，模擬了 IEEE802.11a 協(xié) 議的實(shí)現(xiàn)過程， IEEE802.11a 物理層規(guī)范， IEEE802.11a 仿真平臺(tái)搭建及鏈路 性能仿真分析。其中仿真鏈路又分為三個(gè)部分：發(fā)送端，信道，接收端。編 程實(shí)現(xiàn)了 IEEE802.11a 協(xié)議的前導(dǎo)序列的生成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入數(shù)據(jù)的加擾、 解擾，卷積編碼、解卷積編碼，交織、解交織，星座映射、逆星座映射，以 及同步的過程。通過仿真可發(fā)現(xiàn)本鏈路采用同步等技術(shù)可以明顯地改善系統(tǒng) 的 BER性能。 關(guān)鍵字：

3、IEEE802.11a，正交頻分多路復(fù)用，加擾，解擾，卷積編碼，解卷積編碼，交 織，解交織，星座映射，逆星座映射，同步 Abstract IEEE802.11a is used in wireless LAN 802.11 family of specifications in a specification , mainly used in access hubs , and provide specifications for the wireless ATM systems. In between 5.725GHz to 5.850GHz environment using IEEE80

4、2.11a standard network operating in radio frequency . This specification uses orthogonal frequency division multiplexing , this technique is particularly suitable for the office LAN. In IEEE802.11a specification using 52 sub-carriers of orthogonal frequency division multiplexing , the data rate can

5、reach 54Mb / s. IEEE802.11a not have 12 overlapping channels , eight for indoor , 4 for point to point transmission . The curriculum design , we use the matlab simulation platform to simulate the implementation process IEEE802.11a agreement, namely : Fundamentals of wireless communication systems de

6、velopment and research , OFDM systems , IEEE802.11a physical layer specification , IEEE802.11a simulation simulation platform to build and link performance . Simulation link which has three parts: the transmitter, channel and receiver. Programming IEEE802.11a leader sequence generation protocol , th

7、e realization of the input data scrambling, descrambling , convolution coding, deconvolution coding, interleaving , de- interleaving, constellation mapping, inverse constellation mapping and synchronization process . The link can be found by simulation using synchronization techniques can significan

8、tly improve the BER performance of the system . Keywords: IEEE802.11a, orthogonal frequency division multiplexing, scrambling, descrambling, convolutional coding, convolutional coding solution, interleaving, de-interleaving, constellation mapping, inverse constellation mapping, synchronization 二、引言

9、無線局域網(wǎng)是不使用任何導(dǎo)線或傳輸電纜連接的局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)使 用無線電波作為數(shù)據(jù)傳送的媒介，傳送距離一般只有幾十米。其主干網(wǎng)路通 常使用有線電纜，無線局域網(wǎng)用戶通過一個(gè)或多個(gè)無線接入點(diǎn)接入無線局域 網(wǎng)。無線局域網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在商務(wù)區(qū)，大學(xué)，機(jī)場(chǎng)，及其他公共區(qū) 域。 無線局域網(wǎng)最通用的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 定義的 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)。無線局域網(wǎng) 第一個(gè)版本發(fā)表于 1997 年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層和物理層。物理 層定義了工作在 2.4GHz 的 ISM頻段上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)?方式，總數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為 2Mbit/s 。兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接 (ad h

10、oc)的方式進(jìn)行，也可以在基站(Base Station )或者訪問點(diǎn)(Access Point ) 的協(xié)調(diào)下進(jìn)行 1999年，加上了兩個(gè)補(bǔ)充版本： 802.11a 定義了一個(gè)在 5GHz ISM頻段上 的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 54Mbit/s 的物理層， 802.11b 定義了一個(gè)在 2.4GHz 的 ISM頻段上但數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 11Mbit/s 的物理層。 2.4GHz 的 ISM 頻段為 世界上絕大多數(shù)國(guó)家通用，因此 802.11b 得到了最為廣泛的應(yīng)用。 1999 年工 業(yè)界成立了 Wi-Fi 聯(lián)盟，致力解決符合 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的生產(chǎn)和設(shè)備兼容 性問題。 本次課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)

11、 IEEE802.lla 協(xié)議的研究，用仿真工具 Matlab 對(duì) 此協(xié)議進(jìn)行物理層仿真平臺(tái)的搭建，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。其中仿真鏈路 又分為三個(gè)部分：發(fā)送端，信道，接收端。編程實(shí)現(xiàn)了 IEEE802.11a 協(xié)議的 前導(dǎo)序列的生成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入數(shù)據(jù)的加擾、解擾，卷積編碼、解卷積編碼， 交織、解交織，星座映射、逆星座映射，以及同步的過程。 三、軟件設(shè)計(jì) 1、802.11a 的物理層標(biāo)準(zhǔn)及幀結(jié)構(gòu) 802.11 是 IEEE 為無線網(wǎng)絡(luò)專門制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 它針對(duì)的是更小范圍的 無線局域網(wǎng)。應(yīng)用于 5GHz，最高支持 54Mbps的速率。 802.11a 的物理層幀結(jié)構(gòu)： 速率位（ Rate）、長(zhǎng)

12、度位（ Length ）、保留位（Reserved）、奇偶校驗(yàn)位（Parity ）、 尾比特（ Tail ）構(gòu)成一個(gè) OFDM符號(hào)，用信號(hào)（ Signal ）段表示。信號(hào)段采用 BPSK調(diào)制， 1/2 的編碼速率。業(yè)務(wù)位 16bit 、PSDU，再加上 6 個(gè)尾比特，以及 填充比特構(gòu)成數(shù)據(jù)( Data)區(qū)。傳送的信號(hào)就是 PPDU 段，其余的都是開銷 比特。 下圖是 OFDM的符號(hào)結(jié)構(gòu)： 2、前導(dǎo)生成 前導(dǎo)訓(xùn)練序列包括 10 個(gè)短訓(xùn)練序列， 2 個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列。 10 個(gè)短訓(xùn)練序列 用來進(jìn)行收端的 AGC、定時(shí)捕獲以及完成頻率的粗同步； 2 個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列的作 用是在接收端進(jìn)行信道估計(jì)以及進(jìn)行系統(tǒng)

13、頻率的細(xì)同步。 OFDM短訓(xùn)練序列由調(diào)制過的 12 個(gè)子載波組成。調(diào)制因子 S為： S26, 26 = (13/6)1/2 0, 0, 1+j, 0, 0,0, 1j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 1j, 0, 0, 0, 1j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1j, 0, 0, 0,1j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0 其中乘以 (13/6)1/2 是為了將 52 個(gè)子載波中的 12 個(gè)子載波的能量歸一 化。短訓(xùn)練序列根據(jù)下式產(chǎn)生： 其中 WT

14、Short(t) 為短訓(xùn)練周期長(zhǎng)度 0.8 微秒的矩形時(shí)間窗。 TShort=0.8 微秒。WTShort(t) 的幅度為 1。NST =52， f 312.5KHz 。 OFDM長(zhǎng)訓(xùn)練序列由調(diào)制過的 53(在 dc 包括一個(gè) 0 值)個(gè)子載波組成， 調(diào)制因子 L 為： L26, 26 = 1, 1, 1,1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,1,1, 1, 1, 1, 1,1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 長(zhǎng)

15、訓(xùn)練序列根據(jù)以下公式產(chǎn)生： 其中 WTLong(t) 為長(zhǎng)訓(xùn)練周期長(zhǎng)度 8 微秒的矩形時(shí)間窗。 TLong=8微秒， WTLong(t) 幅 度為 1，NST =52，TGI 2 1.6 ， f 312.5KHz 。 2.1 前導(dǎo)生成軟件設(shè)計(jì)流程圖 開始 將調(diào)制因子 S 進(jìn)行 IFFT 將調(diào)制因子 L 進(jìn)行 IFFT 得到短訓(xùn)練序列 short 得到長(zhǎng)訓(xùn)練序列 long 去掉調(diào)制因子 S中 7連 0 中的一個(gè) 去掉調(diào)制因子 L 中唯 取 long 中 64 個(gè)點(diǎn)的后 32 個(gè)點(diǎn)( GI2 )，再將 64 個(gè)點(diǎn)重復(fù) 2次( T1，T2)，再加窗得到 long_str 將 short 中的周期性的

16、 16 個(gè)點(diǎn) 重復(fù) 10 次加窗得到 short_str 個(gè)0 Preamble=shortstr,longstr 結(jié)束 3、加擾碼及解擾碼 加擾碼是為了防止隨機(jī)錯(cuò)誤，開始初始狀態(tài)為全一狀態(tài)，然后進(jìn)行異或 運(yùn)算，移位得到 127 比特。協(xié)議規(guī)定需對(duì) DATA信息部分進(jìn)行擾碼。 DATA域包 括 Service 、PSDU、尾比特以及填充比特，在卷積編碼之前首先需經(jīng)一長(zhǎng)度為 127bit 的幀同步擾碼器對(duì) DATA域進(jìn)行擾碼， PSDU的八位位組按發(fā)送串行比 特流形式存在， 比特 0 最先，比特 7 最后。 幀同步加擾器使用以下的生成多項(xiàng)式： s(x) x7 x4 1 為了進(jìn)行正確有效的解擾，加

17、擾發(fā)送數(shù)據(jù)和解擾接收數(shù)據(jù)使用同一個(gè)擾 碼器。發(fā)送時(shí)，加擾器初始狀態(tài)設(shè)置為偽隨機(jī)非 0 態(tài)。為了能估計(jì)接收端解 擾器的初始狀態(tài)，在加擾前， SERVI CE字段的 7 個(gè)低有效比特置 0，這樣在 接收端解擾時(shí)就可以以 7 個(gè) 0 被擾后的結(jié)果作為收端擾碼器的初始狀態(tài)，從 而進(jìn)行有效正確的解擾。 當(dāng)初始狀態(tài)為全 1 時(shí)，加擾器循環(huán)產(chǎn)生的 127 比特序列為 ( 首先使用最 左邊比特 ) ： 00001110 11110010 11001001 00000010 00100110 00101110 10110110 00001100 11010100 11100111 10110100 001010

18、10 11111010 01010001 10111000 1111111。擾碼器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 3.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖 4、卷積編碼及反卷積編碼 OFDM系統(tǒng)中采用的是前向糾錯(cuò)法中的卷積編碼。卷積碼是目前最為廣泛 應(yīng)用的信道編碼， IEEE802.11a 標(biāo)準(zhǔn)就是采用(2，1，7)卷積碼。碼率為 1/2 ， 可以結(jié)合打孔來獲得其他碼率的編碼。卷積碼是一種非分組碼，編碼器在任 何一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的 n個(gè)碼元，不僅決定于這段時(shí)間內(nèi)的 k 個(gè)信息位，而且還 取決于前 N 1 段規(guī)定時(shí)間內(nèi)的信息位，這時(shí)監(jiān)督位監(jiān)督著這 N 段時(shí)間內(nèi)的信 息。這 N 段時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目 nN 稱為卷積碼的約束長(zhǎng)度。

19、在 OFDM系統(tǒng)中，只對(duì) Data 部分進(jìn)行卷積編碼，Data 中包括 Service 、PSDU、 尾比特以及插入比特，分別按照要求的速率 R=1/2、2/3 或 3/4 來進(jìn)行卷積編 碼。卷積編碼分為上下兩路，兩路采用的生成多項(xiàng)式分別為： g0=133(8),g1=171(8), 即用八進(jìn)制表示。對(duì)應(yīng)的編碼器如圖所示： 輸入數(shù)據(jù) 卷積編碼后的兩條輸出相互合并輸出，再根據(jù)打孔的速率來進(jìn)行打孔。 保留卷積編碼器輸出的一些比特，提高編碼速率，減少碼間自由距離。在接 收機(jī)中插入一些比特來取代未傳輸?shù)谋忍?，只需要一?duì)編碼器 / 解碼器就可生 成幾個(gè)不同的編碼速率。另外，在發(fā)送端當(dāng)經(jīng)過卷積編碼和打孔后

20、，傳輸速 率提高，速率提高的倍數(shù)與打孔速率有關(guān)。 Viterbi 譯碼 一般說來，卷積編碼的譯碼有兩種方式：一種是代數(shù)解碼，它利用編碼 本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼，不考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性；一種是概率解碼，這種 解碼方法在計(jì)算時(shí)要用到信道的統(tǒng)計(jì)特性。 Viterbi 譯碼屬于概率解碼， 它的 基本思想是最大似然算法：把接收到的序列與所有可能的發(fā)送序列進(jìn)行比較， 選擇一種距離最小的序列作為發(fā)送序列。采用硬判決或者軟判決解調(diào)可以很 容易實(shí)現(xiàn) Viterbi 算法。但在本鏈路中， Viterbi 譯碼采用的是軟判決，這是 因?yàn)檫@種方法所獲得的性能提高不需要浪費(fèi)任何通信資源。 4、1 軟件設(shè)計(jì)流程圖 1）卷積

21、編碼流程圖： 2）解卷積編碼流程圖： 開始 將 X 進(jìn)行 vitdec 譯碼 將矩陣 X 按行輸出 結(jié)束 5、交織及解交織 交織主要是為了防止在傳輸過程中， 發(fā)生用戶信息比特丟失的情況時(shí)， 不 至于丟失某一個(gè)用戶所有的信息，而只是會(huì)丟失若干個(gè)用戶的信息，根據(jù)剩 下的信息比特依然可以恢復(fù)原始信息，也就是將丟失的比特分散，從而達(dá)到 降低誤碼率的目的。如果系統(tǒng)在一個(gè)純粹的 AWGN 環(huán)境下運(yùn)行，就不需要交 織，這是因?yàn)橥ㄟ^重新分配位的方法是無法改變誤碼分布的。而802.11a系統(tǒng) 通常假定運(yùn)行于慢衰落信道，故可以交織。 OFDM 系統(tǒng)中采用矩陣交織器，根據(jù) OFDM 符號(hào)的大小(即 NCBPS )，

22、對(duì) 卷積編碼后的信息進(jìn)行交織處理，分兩個(gè)步驟進(jìn)行交換：第一步是將相鄰的 信息比特分別映射到不相鄰的子載波上；第二步是保證相鄰編碼后的信息比 特可選擇地映射到或多或少的一組比特中，從而使回復(fù)的可能性降低。如果 用k 來代表第一步交織之前的比特， i代表第一步交織之后、第二步交織之前 的信息比特，而用 j 代表第二步交織之后、調(diào)制之前的信息比特。 步驟一可用下式表示： i (NCBPS /16)( k mod16) floor (k /16) k 0,1, .N.C.,BPS 步驟二可用下式表示： j s floor (i /s) (i NCBPS floor (16 i / NCBPS) mod

23、s i 0,1,., N CBPS 1(4.3) 其中 s由下式?jīng)Q定： s max( N CBPS /2,1) 解交織則是進(jìn)行相反的過程。 5.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖 - 10 - 開始 將卷積結(jié)果 X 中的數(shù)據(jù)后補(bǔ) 0 重 排成一個(gè) 48 行的矩陣 交織 解交織 6、星座映射及逆星座映射 802.11a 的四種調(diào)制方式為： BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM。調(diào)制部分是 本文研究的重點(diǎn)之一。 6、1 BPSK調(diào)制 BPSK調(diào)制，將輸入比特流每位一組進(jìn)行判決，輸入比特0 判成-1 ，輸入 比特 1 判成 1，以此作為坐標(biāo)值，然后在星座圖上進(jìn)行映射。 BPSK調(diào)制軟件設(shè)計(jì)流程圖： 1)B

24、PSK調(diào)制流程圖： - 11 - 2)BPSK解調(diào)流程圖： 6.2 QPSK調(diào)制 QPSK調(diào)制是利用載波的四種不同相位差來表征輸入的數(shù)字信息，是四進(jìn) - 12 - 制移相鍵控。它規(guī)定了四種載波相位，分別為 45， 135， 225， 315。 QPSK把二進(jìn)制數(shù)字序列中每?jī)蓚€(gè)比特分成一組，共有四種組合，即00，01， 10，11，其中每一組稱為雙比特碼元。每一個(gè)雙比特碼元是由兩位二進(jìn)制信 息比特組成，它們分別代表四進(jìn)制四個(gè)符號(hào)中的一個(gè)符號(hào)。 QPSK中每次調(diào)制 可傳輸 2 個(gè)信息比特，這些信息比特是通過載波的四種相位來傳遞的。解調(diào) 器根據(jù)星座圖及接收到的載波信號(hào)的相位來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特

25、。 (1) QPSK調(diào)制軟件設(shè)計(jì)流程圖： 開始 將交織后的數(shù)據(jù) mod_in 后補(bǔ) 0， 使其變成 2 的倍數(shù)，再將其重整成 一個(gè) 2 列的矩陣 R 將 R 中的數(shù)據(jù)變成 10 進(jìn)制形式 mod_out=R*2:1+1 Temp=-1-j -1+j 1-j 1+j 將經(jīng) QPSK 調(diào)制后的數(shù)據(jù)歸一化輸 出，即： mod out=temp(mod out(:) )/sqrt(2) 結(jié)束 2)QPSK解調(diào)軟件設(shè)計(jì)流程圖： - 13 - 開始 6.3 16QAM調(diào)制 16QAM調(diào) 制是用兩路獨(dú)立的正交 4ASK 信號(hào)疊加而成， 4ASK 是用多電平 信號(hào)去鍵控載波而得到的信號(hào)。 16 進(jìn)制的正交振幅

26、調(diào)制是一種振幅相位聯(lián)合 鍵控信號(hào)。 16QAM的產(chǎn)生有 2 種方法：（ 1）正交調(diào)幅法，它是有 2 路正交的 四電平振幅鍵控信號(hào)疊加而成。 16QAM信 號(hào)采取正交相干解調(diào)的方法解調(diào)，解調(diào)器首先對(duì)收到的16QAM 信號(hào)進(jìn)行正交相干解調(diào)，一路與 cos ct 相乘，一路與 sin ct 相乘。然后經(jīng) 過低通濾波器， 低通濾波器 LPF 濾除乘法器產(chǎn)生的高頻分量， 獲得有用信號(hào)， 低通濾波器 LPF輸出經(jīng)抽樣判決可恢復(fù)出電平信號(hào)。 （1）16QAM調(diào)制流程圖： - 14 - 2)16QAM解調(diào)流程圖： - 15 - 6.4 64QAM調(diào)制 然后 。 64QAM調(diào)制中 , 輸入的兩路基帶信號(hào)先由二電

27、平轉(zhuǎn) ，換為八電平 , 再分別與同相載波和正交載波相乘 , 最后相加便可得到 64QAM調(diào)制信號(hào) 64QAM調(diào) 制軟件設(shè)計(jì)流程圖： - 16 - 7、定時(shí)同步 在 對(duì) 802.11a 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 幀 進(jìn) 行 采 樣 時(shí) ， 系 統(tǒng) 的 采 樣 間 隔 為 - 17 - Tfft/64=0.05( 微秒) ，采樣頻率為 20MHz，則采樣后的短訓(xùn)練序列為： Sshort (n)Sshort (t) t TFFT n 64 NST/2 Skej2 k6n4 k NST /2 假設(shè)信道中存在高斯噪聲及頻率偏移，則接收信號(hào)為： r(t) s(t)ej2 k fct n(t) 其中 fc 為載波頻率偏移， n(t) 是加性高斯噪聲。 在接收機(jī)中，仍然以相同的頻率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣，得到接收序列： n) t