WLAN关键技术及其性能仿真

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　　近年来，随着无线局域网技术以及标准的发展，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广泛关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。本文分析了无线局域网中IEEE802.11a标准物理层的关键技术和基本原理，对该系统物理层进行了仿真分析，给出了基本的仿真结论，这对优化整个系统的参数和指标，缩短系统开发的周期具有十分重要的意义。
1、IEEE802.11a的关键技术
　　IEEE802.11a[1]工作频段在5 GHz，采用CSMA/CA（载波侦听多路接入/冲突避免）协议，在物理层采用了OFDM（正交频分复用）技术，传输速率高达54 Mb/s。同步技术、信道估计技术和峰值／平均功率比（PAPR）是OFDM中研究的关键技术，所以在IEEE802.11a中，这三种技术是我们讨论的重点，另外还有一些关键技术，如分集技术、空时编码技术和如何减小系统的非线性失真等都值得我们深入研究。
　　1.1　同步和信道估计技术
　　（1）同步技术。在IEEE802.11a中，同步技术是指定时估算。定时估算有两个任务：分组同步和符号同步。它包括分组检测、频率同步和载波相位跟踪。分组检测是在接收数据分组的前导中找出分组起始的近似估算，这是所需要完成的第一个同步算法。一般常用的方法是：检测接收信号能量、双滑动窗口分组检测和利用前导结构进行分组检测[2]。OFDM的主要缺陷之一就是对载波频率偏移十分敏感，所以要对频偏进行估计。一般常用的频偏估计方法为时域和DFT方法[3]；频率估计并非十全十美，还是会有一些频率误差的，因此对载波相位进行跟踪是必要的，常用的方法是数据辅助的载波相位跟踪和非数据辅助的载波相位跟踪。
　　（2）信道估计技术。信道估计技术是对发送信号在到达接收天线之前经过的无线信道频率响应进行估算的任务。信道估计对于采用连续调制方法的OFDM系统来说是必须的，否则就不能进行正确的解调，对该信道的了解也可以改善采用非相干调制方案的OFDM系统性能。在IEEE802.11a中一般采用的信道估计方法是频域和时域方法。在频域方法中分为两种方法，即训练序列的信道估计和插入导频的信道估计[4]。
　　1.2　分集技术
　　在衰落信道中提高系统性能的一个方法是改变信号的统计特性，这通常是由分集技术来实现的。在发射机和接收机中适当地设计信号处理的算法，就可以削弱衰落对系统的影响。在具有衰落信道的通信系统中所采用的分集技术主要有三种：时间、频率和空间上的分集。当衰落对时间具有选择性时，时间分集是有效的；当衰落对频率具有选择性时，即衰落是随频率变化而变化的时候，频率分集是有效的；即便在衰落信道既没有时间选择性又没有频率选择性，我们还可以采用空间分集技术来提高系统性能。空间分集可以划分为发射分集和接收分集。
　　（1）接收分集。在接收机中使用多个天线称之为接收分集。接收分集本质上是将接收信号流进行多个拷贝，采用合适的信号处理技术有效地把这些拷贝信号组合在一起。常用的接收分集技术是选择分集和最大比例合并（MRC）。
　　（2）发射分集。在前面简要介绍了接收分集技术，然而在很多情况下接收分集是不实用的。在这种情况下，发射端采用多天线，称为发射分集的技术则更具吸引力。多单元的发射机天线阵列在新兴的WLAN网络中将发挥越来越重要的作用。事实上，当与适当设计的信号处理算法一起使用的时候，这样的阵列会极大地提高系统性能。
　　（3）空时编码技术。在发射分集和接收分集基础上，空时编码[5]综合考虑分集、编码和调制，它的最大特点是将编码技术和天线阵技术结合在一起，实现了空分多址，提高了系统的抗衰落性能，且能通过发射分集和接收分集提供高速率、高质量的数据传输。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺牲带宽的情况下获得较高的编码增益，进而提高了抗干扰和抗噪声的能力，特别是在无线通信系统的下行（基站到移动端）传输中，空时编码将移动端的设计负担转移到了基站，减轻了移动端的负担。有三种典型空时编码，它可分为两大类：一类是没有分集的分层空时码；另一类是基于分集的空时分组码和空时格形码。
　　1.3　减少射频失真
　　我们所讨论的失真是指幅度/幅度失真（AM/AM）和幅度/相位（AM/PM）失真，引起这些失真的主要原因有：大功率放大器输入端的峰值/平均功率比（PAPR）、基带变频器振荡器的相位噪声、限制OFDM波形的峰值幅度所引起的限幅噪声、为了减小带外频谱发射而在发射机中进行的滤波、以及基带信号的同相和正交部分的不平衡的影响等等。其中OFDM峰值／平均功率比（PAPR）问题是我们所要研究的重点[6]。对于峰值／平均功率比，我们可以采用的方法有预失真技术、自适应预失真技术和编码技术等，其中编码技术包括部分传输序列（PTS）、选择性映射（SLM）和分组编码等。
2、IEEE802.11a物理层基本原理
　　2.1　发射机
　　IEEE802.11a采用OFDM技术，共有52个子载波，其中48个用于传输数据，其余4个用于传输导频，每个子载波可以使用BPSK、QPSK、16QAM和64QAM进行调制。发射机用这些调制方式生成数据信号，并以1/2、2/3或3/4的截断方案支持从6 Mbit/s到54 Mbit/s的数据率。图1是其基带发射机的框图。

图1　IEEE802.11a基带发射机框图

　　基带发射机的数据流由随机比特发生器产生，这些比特数据通过1/2码率，约束字长为7的卷积编码器编码后输入发射机。IEEE802.11a采用卷积纠错码，其基本码率为1/2，生成矩阵G=[1 O 1 1 O 1 1，1 1 1 1 0 O 1]。通过卷积编码后的数据信号进入截断器。截断是一种非常有用的技术，它可以改变卷积编码速率。其基本思想是不传输卷积编码器输出的一些比特，这样就提高了编码的码率，以适应IEEE802.11a不同的数据速率6 Mbit/s～54 Mbit/s的要求。根据IEEE802.11a模式，通过拆卸已编码数据比特流，编码器的输出以1/2、2/3或3/4的截断方案压缩，然后将根据标准中指定的交织器模式进行比特交织。交织实际上是在不增加任何开销的情况下获得时间分集，交织器的作用是把码字顺序相关的比特非相关化。根据调制模式，符号映射模块将比特数据映射为BPSK，QPSK、16QAM和64QAM星座图上的信号点。
　　符号映射输出由48个复信号组成的一个OFDM符号，每一个这样的符号包含有同相分量（I）和正交分量（Q）。加入导频模块根据标准在64点快速傅里叶反变换之前，增加4个导频符号和零点插入OFDM符号。IFFT的输出是频域上的OFDM符号在时域上的表达。加入保护时隙模块是将每个OFDM符号的最后16个数据符号复制作为循环前缀加人到每一个OFDM符号前，这样每个OFDM符号总共就有80个数据抽样。最后，加入训练符号模块生成IEEE802.11a的报头。训练符号由用于包检测、频偏估计和信道估计的长短训练符号组成。另外，生成的信号还要经过限幅以在进入射频部分前限制输出信号的平均功率。
　　2.2　接收机
　　图2是IEEE802.11a基带接收机框图。接收到的数据包由长短不同的训练符号和数据符号组成。训练符号用于包检测、频偏估计和信道估计。接收机的第一个模块完成包检测、时间同步和去循环前缀（CP）。此模块利用IEEE802.11a短训练符号平均相关系数的滑动窗口算法检测包的开始。通过设定适当的门限，该算法就可以检测出一个信息包的开始。通过使收到的包和已知的长训练符号相关，时间同步算法能够决定接收到的包的长训练符号的确切的开始点。最后，去掉数据符号的循环前缀。
　　经过时间同步后的信号进入FFT模块完成64点复数FFT运算。在FFT模块的输出端，同步后的长训练符号被用于频偏估计和信道估计。频偏估计模块用于估计出由于发射机和接收机之间时钟脉冲抖动引起的频率偏移，估计出的偏移量进入频率纠正模块进行频率校正；信道估计模块通过比较在FFT模块输出端收到的长训练符号序列和已知的长训练符号序列得到信道的脉冲响应。
　　去除导频模块去除导频载波并对来自FFT模块的数据载波进行重新排列。信道校正模块通过用数据载波除以来自信道估计模块的信道估计脉冲响应来校正信道畸变。同时相位跟踪模块通过比较接收到的导频和已知的导频得到的接收数据符号的相位错误，将数据载波乘以一个校正向量进而消除相位错误。解调模块把校正后的信号进行解调。解调后的信号通过解交织、逆截断和维特比解码得到正确的数据流信号。
3、IEEE802.11a系统仿真分析
　　本文着重对IEEE802.11a物理层进行了仿真分析，整个系统仿真程序是根据图1、图2发射机和接收机模型，用MATLAB软件编写的。

图2　IEEE802.11a基带接收机框图

　　3.1　系统仿真参数
　　抽样频率：20 MHz；子载波个数：52（其中数据48个，导频4个）；
　　短训练符号：[0 O 1+j O 0 0—1—j O O 0 1+j O O 0—1—j O O 0—1—j 0 0 O 1+j O O O O 0 O—1—j 0 O O—1—j 0 O 0 1+j O O O 1+j O O O 1+j O 0 O 1+j O O]；
　　长训练符号：[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 1—1—1 1 1—1 1一1 1—1—1—1—1—1 1 1—1—1 1—1 1—1 1 1 1 1]；
　　循环前缀为：16个样值；
　　调制方式：BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。
　　通过选择不同的参数，如信噪比范围、调制方式、分组数、分组长度、信道模型、是否采用同步算法、是否功率限制等，我们对WLAN（IEEE802.11a）系统在不同情况下的误分组率和误比特率进行仿真分析。
　　3.2　仿真结果
　　图3是IEEE802.11a系统中，在AWGN信道分别采用16QAM和64QAM调制的情况下（其余条件均为理想情况），理论值和仿真值误比特率比较。从图中可以看出，理论值和仿真值十分接近。图4是在AWGN信道，在理想同步和采用同步算法这两种情况下的误比特率特性曲线。

图3　IEEE802.11a 16QAM和64QAM调制理论值和仿真值误比特率比较

图4　理想同步和采用同步算法后的IEEE802.11a误比特率特性曲线

　　仿真中所采用的同步算法分别是分组检测中利用前导结构分组检测算法，频率同步的时域算法和载波相位跟踪的数据辅助算法。仿真曲线是3种算法共同作用的结果。从曲线可以看出：采用同步算法后，系统的性能有所降低。改变同步算法，通过仿真就可以检验各个算法的性能，这将大大有利于我们进行系统优化。
　　图5是采用了发射和接收分集的误比特率特性曲线。从图中可以看出，采用分集技术后，系统性能有较大的提高。这里所采用的发射分集技术是2×2分组空时码技术，即Radon—Hurwitz单位变换；接收分集采用的是最大比值合并（MRC）。此仿真系统最大的发射天线数为2，最大的接收天线数也为2。当然，我们还可以研究分析其它因素对IEEE802.11a系统性能（误比特率或误分组率）的影响，由于篇幅有限，这里不再赘述。

图5　采用分集和未采用分集的IEEE 802.11a误比特率特性曲线

　　在对一个系统进行分析与设计的时候，有必要对该系统进行仿真，分析其可行性和性能，从而在设计中优化整个系统的参数和指标。本文分析了IEEE802.11a系统物理层的基本原理和关键技术，并且利用MATLAB仿真软件编写了整个系统的仿真程序。该仿真系统可以作为研究对IEEE802.11a关键技术的模板，通过改变各个仿真模块的算法如同步、信道估计等，就可以验证算法的性能，这将大大缩短开发的周期。这在实际当中具有十分重要的意义。