基于IEEE802.11a链路仿真

通信与信息工程学院

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题目：基于IEEE802.11a链路仿真

一、摘要

IEEE802.11a是应用于无线局域网的802.11规范族中的一个规范，主要用在接入式集线器中，为无线ATM系统提供规范。使用IEEE802.11a规范的网络运行于无线频率在5.725GHz到5.850GHz之间的环境下。这个规范使用正交频分复用技术，这种技术尤其适合应用于办公室局域网。在IEEE802.11a 规范中，使用52个正交频分多路复用副载波，数据速率可以达到54Mb/s。IEEE802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。本次课程设计中，我们使用了matlab 仿真平台，模拟了IEEE802.11a协议的实现过程，IEEE802.11a物理层规范，IEEE802.11a仿真平台搭建及链路性能仿真分析。其中仿真链路又分为三个部分：发送端，信道，接收端。编程实现了IEEE802.11a协议的前导序列的生成，实现了对输入数据的加扰、解扰，卷积编码、解卷积编码，交织、解交织，星座映射、逆星座映射，以及同步的过程。通过仿真可发现本链路采用同步等技术可以明显地改善系统的BER性能。

关键字：

IEEE802.11a，正交频分多路复用，加扰，解扰，卷积编码，解卷积编码，交织，解交织，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 IEEE802.11a 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 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 development 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 , the 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 significantly 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

无线局域网是不使用任何导线或传输电缆连接的局域网。无线局域网使用无线电波作为数据传送的媒介，传送距离一般只有几十米。其主干网路通常使用有线电缆，无线局域网用户通过一个或多个无线接入点接入无线局域网。无线局域网现在已经广泛的应用在商务区，大学，机场，及其他公共区域。

无线局域网最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准。无线局域网第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad hoc）的方式进行，也可以在基站（Base Station）或者访问点（Access Point）

的协调下进行。

1999年，加上了两个补充版本：802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上的数据传输速率可达54Mbit/s的物理层，802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上但数据传输速率高达11Mbit/s的物理层。 2.4GHz的ISM频段为世界上绝大多数国家通用，因此802.11b得到了最为广泛的应用。1999年工业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。

本次课程设计主要是对IEEE802.lla协议的研究，用仿真工具Matlab对此协议进行物理层仿真平台的搭建，并对仿真结果进行分析。其中仿真链路又分为三个部分：发送端，信道，接收端。编程实现了IEEE802.11a协议的前导序列的生成，实现了对输入数据的加扰、解扰，卷积编码、解卷积编码，交织、解交织，星座映射、逆星座映射，以及同步的过程。

三、软件设计

1、802.11a的物理层标准及帧结构

802.11是IEEE为无线网络专门制定的相关标准，它针对的是更小范围的无线局域网。应用于5GHz，最高支持54Mbps的速率。

802.11a的物理层帧结构：

速率位（Rate）、长度位（Length）、保留位（Reserved）、奇偶校验位（Parity）、尾比特（Tail）构成一个OFDM符号，用信号（Signal）段表示。信号段采用BPSK调制，1/2的编码速率。业务位16bit、PSDU，再加上6个尾比特，以及

填充比特构成数据（Data ）区。传送的信号就是PPDU 段，其余的都是开销

比特。

下图是OFDM 的符号结构：

2、前导生成

前导训练序列包括10个短训练序列，2个长训练序列。10个短训练序列

用来进行收端的AGC 、定时捕获以及完成频率的粗同步；2个长训练序列的作

用是在接收端进行信道估计以及进行系统频率的细同步。

OFDM 短训练序列由调制过的12个子载波组成。调制因子S 为：

S –26, 26 = (13/6)^1/2 × {0, 0, 1+j, 0, 0, 0,–1–j, 0, 0, 0, 1+j,

0, 0, 0,–1–j, 0, 0, 0,–1–j, 0, 0, 0, 1+j, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, –1–j,

0, 0, 0, –1–j, 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是为了将52个子载波中的12个子载波的能量归一

化。短训练序列根据下式产生：

其中W TShort(t)为短训练周期长度0.8微秒的矩形时间窗。T Short =0.8微秒。W TShort(t)

的幅度为1。N ST =52， 。

OFDM 长训练序列由调制过的53（在dc 包括一个0值）个子载波组成，

312.5f KHz ?=

调制因子L 为：

L –26, 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}

长训练序列根据以下公式产生：

其中W TLong (t)为长训练周期长度8微秒的矩形时间窗。T Long =8微秒，W TLong (t)幅

度为1，N ST =52， ，

。 2.1前导生成软件设计流程图

3、加扰码及解扰码

312.5f KHz ?=2 1.6GI T =

加扰码是为了防止随机错误，开始初始状态为全一状态，然后进行异或运算，移位得到127比特。协议规定需对DATA信息部分进行扰码。DATA域包括Service、PSDU、尾比特以及填充比特，在卷积编码之前首先需经一长度为127bit的帧同步扰码器对DATA域进行扰码，PSDU的八位位组按发送串行比特流形式存在，比特0最先，比特7最后。

帧同步加扰器使用以下的生成多项式：

74

=++

(x)1

s x x

为了进行正确有效的解扰，加扰发送数据和解扰接收数据使用同一个扰码器。发送时，加扰器初始状态设置为伪随机非0态。为了能估计接收端解扰器的初始状态，在加扰前，SERVI CE字段的7个低有效比特置0，这样在接收端解扰时就可以以7个0被扰后的结果作为收端扰码器的初始状态，从而进行有效正确的解扰。

当初始状态为全1时，加扰器循环产生的127比特序列为( 首先使用最左边比特) ： 00001110 11110010 11001001 00000010 00100110 00101110 10110110 00001100 11010100 11100111 10110100 00101010 11111010 01010001 10111000 1111111。扰码器的结构如下图所示。

3.1软件设计流程图

=，=，…

4、卷积编码及反卷积编码

OFDM系统中采用的是前向纠错法中的卷积编码。卷积码是目前最为广泛

应用的信道编码，IEEE802.11a标准就是采用（2，1，7）卷积码。码率为1/2，

可以结合打孔来获得其他码率的编码。卷积码是一种非分组码，编码器在任

何一段时间内产生的n个码元，不仅决定于这段时间内的k个信息位，而且还

N 段规定时间内的信息位，这时监督位监督着这N段时间内的信取决于前1

息。这N段时间内的码元数目nN称为卷积码的约束长度。

在OFDM系统中，只对Data部分进行卷积编码，Data中包括Service、PSDU、

尾比特以及插入比特，分别按照要求的速率R=1/2、2/3或3/4来进行卷积编

码。卷积编码分为上下两路，两路采用的生成多项式分别为：

g0=133(8),g1=171(8),即用八进制表示。对应的编码器如图所示：

卷积编码后的两条输出相互合并输出，再根据打孔的速率来进行打孔。保留卷积编码器输出的一些比特，提高编码速率，减少码间自由距离。在接收机中插入一些比特来取代未传输的比特，只需要一对编码器/解码器就可生成几个不同的编码速率。另外，在发送端当经过卷积编码和打孔后，传输速率提高，速率提高的倍数与打孔速率有关。

Viterbi译码

一般说来，卷积编码的译码有两种方式：一种是代数解码，它利用编码本身的代数结构进行解码，不考虑信道的统计特性；一种是概率解码，这种解码方法在计算时要用到信道的统计特性。Viterbi译码属于概率解码，它的基本思想是最大似然算法：把接收到的序列与所有可能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。采用硬判决或者软判决解调可以很容易实现Viterbi算法。但在本链路中，Viterbi译码采用的是软判决，这是因为这种方法所获得的性能提高不需要浪费任何通信资源。

4、1软件设计流程图

（1）卷积编码流程图：

（2）解卷积编码流程图：

5、交织及解交织

交织主要是为了防止在传输过程中，发生用户信息比特丢失的情况时，不至于丢失某一个用户所有的信息，而只是会丢失若干个用户的信息，根据剩下的信息比特依然可以恢复原始信息，也就是将丢失的比特分散，从而达到降低误码率的目的。如果系统在一个纯粹的AWGN 环境下运行，就不需要交织，这是因为通过重新分配位的方法是无法改变误码分布的。而802.11a 系统通常假定运行于慢衰落信道，故可以交织。

OFDM 系统中采用矩阵交织器，根据OFDM 符号的大小（即CBPS N ），对卷积编码后的信息进行交织处理，分两个步骤进行交换：第一步是将相邻的信息比特分别映射到不相邻的子载波上；第二步是保证相邻编码后的信息比特可选择地映射到或多或少的一组比特中，从而使回复的可能性降低。如果用k 来代表第一步交织之前的比特，i 代表第一步交织之后、第二步交织之前的信息比特，而用j 代表第二步交织之后、调制之前的信息比特。

步骤一可用下式表示：

(/16)(mod16)(/16)CBPS i N k floor k =+ 0,1,...,C B P S k N =-

步骤二可用下式表示：

(/)((16/))mod CBPS CBPS j s floor i s i N floor i N s

=?++-?

0,1,...,1CBPS i N =-（4.3） 其中s 由下式决定：max(/2,1)CBPS s N =

解交织则是进行相反的过程。

5.1软件设计流程图

6、星座映射及逆星座映射

802.11a 的四种调制方式为：BPSK 、QPSK 、16-QAM 、64-QAM 。调制部分是本文研究的重点之一。

6、1 BPSK 调制

BPSK 调制，将输入比特流每位一组进行判决，输入比特0判成-1，输入比特1判成1，以此作为坐标值，然后在星座图上进行映射。

BPSK 调制软件设计流程图：

（1）BPSK 调制流程图：

解交织

交织

（2）BPSK解调流程图：

6.2 QPSK调制

QPSK调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进

制移相键控。它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°。QPSK把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。（1） QPSK调制软件设计流程图：

（2）QPSK解调软件设计流程图：

6.3 16QAM 调制

16QAM 调制是用两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。16进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM 的产生有2种方法：（1）正交调幅法，它是有 2 路正交的四电平振幅键控信号叠加而成。

16QAM 信号采取正交相干解调的方法解调，解调器首先对收到的16QAM

信号进行正交相干解调，一路与 相乘，一路与

相乘。然后经过低通滤波器，低通滤波器 LPF 滤除乘法器产生的高频分量，获得有用信号，低通滤波器LPF 输出经抽样判决可恢复出电平信号。

（1）16QAM 调制流程图：

cos c t ωsin c t ω

（2）16QAM解调流程图：

6.4 64QAM调制

64QAM调制中, 输入的两路基带信号先由二电平转，换为八电平, 然后再分别与同相载波和正交载波相乘, 最后相加便可得到 64QAM调制信号。

64QAM 调制软件设计流程图：

7、定时同步

在对802.11a发送数据帧进行采样时，系统的采样间隔为

Tfft/64=0.05(微秒)，采样频率为20MHz ，则采样后的短训练序列为：

假设信道中存在高斯噪声及频率偏移，则接收信号为： 其中 为载波频率偏移，

是加性高斯噪声。 在接收机中，仍然以相同的频率对接收信号进行采样，得到接收序列：

可以看出，如果用长度为16的矩形窗来截取接收序列，每接收到1个码元截取1个窗口，使窗口逐步向后平移。将每1个窗口中的采样值取共轭后与短训练序列进行相关，则可以得到相关峰，第一个相关峰的位置便是我们所需要的符号定时参考点，据此可以确定接收序列中的数据起点。

264264()[()()]()()64

c FFT c FFT j k f t T t n f T j n FFT r n s t e

n t T s n e n n ππ?=?=+=+/2264

/264()()ST FFT ST kn N j short short T k t n k N S n S t S e π==-==∑2()()()

c j k f t r t s t e n t π?=+c f ?()n t

8、802.11a链路

最终实现的802.11a链路结构如下：

四、心得体会

这次课程设计我们利用matlab来实现802.11a链路的仿真。在这两周期间，我们在老师的讲解下，编程实现了IEEE802.11协议的前导序列的生成，实现了对输入数据的加扰、解扰，卷积、解卷积，交织、解交织，星座映射、逆星座映射以及同步的过程，最终成功的完成了802.11a链路的仿真及链路性能的仿真分析。

本次课程设计是用Matlab进行仿真，由于没有接触过Matlab的编程，所以刚开始的时候遇到了一些困难，因此，在课下我借了一些关于Matlab编程的参考书，熟悉了编程环境之后，就轻松了许多。实习期间，遇到了一些问题，通过和同学讨论以及向老师咨询，最终解决了这些问题。例如：在进行卷积编码和解卷积编码的编程时，刚开始的时候我用的数据是10位，解卷积编码之后结果不正确，如果增加数据长度到100位之后，解卷积编码的结果就正确了，因此我知道了卷积的数据不能太少。为了避免错误，数据的长度要选择合适。通过本次课程设计，我学会自己查找资料来解决自己不懂的东西，主动思考，积极的完成老师要求的任务。