802.11a频偏测量及估计问题研究

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802.11a频偏测量及估计问题研究

摘要：介绍了一种提高802.11a无线局域网系统的频偏估计的准确度的方法。介绍了无线局域网的概念和特点及其应用，给出了802.11a接收机的结构，并介绍了频偏估计的问题和解决方法，给出了仿真结果。    关键词：WLAN 802.11a 频偏估计
1 无线局域网
随着人们与网络的关系日渐紧密，社会对于网络的需求也逐日增加，无线接入的市场也在逐步扩大。IEEE制定了一系列的无线局域网标准，这些标准一般都是针对物理层（PHY）和媒体接入层（MAC），数据链路层的标准采用与有线网络相同的802.3标准，这就保证了无线局域网与有线网络之间的传输顺畅。
802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，工作在2.4GHz ISM频段，物理层采用红外、扩频等方式，其扩频方式使用11bit的巴克码，虽然码片速率达到了11Mbps，但是信息速率最高只能达到2Mbps。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b、802.11a和802.11g三个新标准。

    802.11a和802.11协议组中是第一个出台的标准，802.11a工作在5GhzU-NII频带，物理层速率可达54Mbps。在802.11a中采用OFDM*（正交频分复用）。OFDM是多载波技术中的一种，多载波技术使用FFT/IFFT实现数字载波。由于以前FFT/IFFT实现比较困难，所以这种技术实际中一直没有广泛应用，随着芯片生产和制造技术的发展，用ASIC、DSP甚至FPGA实现FFT/IFFT变得比较容易。802.11a标准在刚出台时，由于芯片成本方面的问题，并没有得到广泛应用，随着对带宽需求的不断增加以及成本的下降，这一标准被视为一种极具潜力的技术。
802.11g是802.11b和802.11a的集大成者，它可以兼容802.11b，而且也引入了802.11a，从而使速率达到了54Mbps。但是，802.11g为了兼容802.11b，仍然工作在2.4GHz频段。而2.4GHz频段目前已被蓝牙、微波炉等多种系统占用，工作在这一频段上的系统很容易受到干扰，802.11g虽然支持54Mbps的通信速率，但在实际中很难达到这一要求。
目前市场上802.11b的产品非常多，下面主要讨论802.11a系统实现中的一些问题，802.11g中也集成了802.11g的基带部分，因此下面的频偏估计方法也适用于802.11g的OFDM模块的实现。


图2

2 802.11a系统的结构
802.11a系统的核心 技术是OFDM技术，OFDM技术的核心是FFT/IFFT变换。为了实现OFDM技术所需的同步捕捉、频偏补偿等功能，802.11a定义的帧格式如图1。
其中，Short Preamble包括10个重复的16symbol的序列，Long Preamble包括2个相同的80symbol的序列，这两部分可以用来进行同步捕捉和频偏补偿。在Signal Field定义了这一帧的数据速率、帧长度等信息。Data段包含要传送的数据。图2是一个802.11a收发系统的基带框图。
3 频偏估计的问题
频偏是由于收发晶振不可能很准确地定位到同一个频率，按照802.11a标准，可晶振稳定度的规定是20ppm，对应于200kHz的频偏。802.11b系统中也存在频偏，但是，由于802.11b工作在2.4GHz，同样对应于20ppm的晶振平稳定，其最大频偏约为100kHz，比802.11a系统小将近一半。
另外，考虑到802.11a采用多载波的OFDM技术，其各个子载波是相互正交的数字载波，如图3所示。

    从图3中可以看到，正交性是依靠相邻载波的中心点与零点相重合取得的，当频偏存在时，这种正交性就遭到了破坏。此外，由于802.11a使用了从BPSK到64QAM的星座映射。对于64QAM由于其欧拉距离的减小，更容易受到频偏的干扰。仿真证明，不同速率对频偏的敏感程度是不同的。图4是在无频偏补偿措施的情况下，在无噪声信道中，6Mbps和54Mbps时，长度为100byte的数据，其误帧率随频偏的变化曲线。
100byte的长度在802.11a系统中属于较小的帧长度，在这种情况下，当频偏达到15kHz的6Mbps也受到了影响，而54Mbps的数据在15kHz时，由于频偏造成的误帧率高达64%，而20kHz的频偏可使几乎所有的54Mbps的数据帧都发生错误。可见，频偏对802.11a系统的影响是相当大的。
3．1 通常的频偏估计方法
一般的设计中，使用802.11a前面的shortpreamble的自相关进行频偏估计：
设频偏为θ，则接收到的数据y(N)可表示为：

ρ为第N点对应的频偏值，与y(N)相隔k个数据点的数据y(N+k)可表示为：

其中，T为两个数据点之间的采样间隔。


图4

    根据shortpreamble每16个数据点就重复一次的特性，可以得到k=16时：

按照（4）式可以估计出频偏的值。但当系统中存在噪声时，上述估计方法的准确度会明显下降。
3．2 通过低通滤波改善频偏估计的精度
为了解决噪声影响频偏估计的问题，笔者在上面的估计中又加入了一步平滑滤波的过程，在连续若干个点，估计出来的频偏值应该是一个稳定的值，即使有抖动，也是低频抖动。因此，在上面的估计中可以加入一个低通滤波步骤，去掉由于噪声引入的高频抖动，这里使用一个IIR的等效低通：
V（N+1）=V（N）+（W（N）-V（N）/8     （5）
然后，再使用V（N）估计频偏的值。

    3．3 仿真结果
笔者能频偏为200kHz的数据进行了仿真，仿真中使用100包200kHz频偏的数据，对于未来平滑的结果取其16点平均值，对于平滑后的结果，也取其16点的平均值，可以得到如下结果：
图5是估计出来的100包频偏值的平均值随信噪比变化的结果。显然，对于信噪比较低的情况而言，其估计值偏离理想值较远，随信噪比增大而接近估计值。由图5可明显看出，平滑前的频偏估计值比平滑后的频偏估计值要差。
图6是估计出来的100帧频偏值求标准差的结果。可明显看出，随信噪比的增大，频偏估计值的标准差在减小，而且平滑后的频偏估计值的标准差明显小于平滑前的频偏估计值的标准差。

    频偏估计是多载波系统面临的一个较为复杂的问题。本文根据802.11a系统的特点，提出了一种频偏估计方法的改进方法，通过仿真，可以看出这种方法取得了较好的效果。而且，这种方法实现起来较简单。从数字信号处理的角度而言，还有更好的方法，但是这些方法一般比较复杂，在实际实现中的困难较大。本文的这种方法以较小的复杂度换取了较大的成效。