（通信与信息系统专业论文）支持高速移动的宽带wlan的研究.pdf

摘要 目前，无线通讯正朝着可移动性和能够支持多媒体业务的方向发展，无线局 域网是实现移动计算的一个重要形式，但现有的无线局域网标准主要应用于静止 和低速移动的室内环境。室外高速移动无线局域网的研究无疑将具有很高的应用 价值。 本文根据我国铁路交通高速移动上网的实际需求，针对宽带移动信道的传输 特性，提出了高速移动无线局域网的总体设计方案，并对其实现的关键技术进行 了研究和分析。文中首先给出了高速移动w l a n 的网络拓扑结构和物理层参数 设置，然后提出了a p 和m i p 的快速切换解决方案，最后重点研究了物理层o f d m 系统的信道编码、同步和信道估计技术以及总体结构的设计。 关键词：无线局域网无线接入点正交频分复用帧同步 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni s d e v e l o p i n gr a p i d l yt os u p p o r tm o b i l i t y a n dm u h i m e d i as e r v i c e s w l a ni sa n i m p o r t a n tf o r mt oi m p l e m e n tm o b i l e c o m p u t i n g ，w h i l et h ee x i s t i n gw l a ns t a n d a r d sa r em o s t l ya p p l i e di nt h ei n d o o r c o n d i t i o n sw h i c hp r o v i d ei m m o b i l eo rl o ws p e e dm o v i n g t h e r e f o r e ，i ti sq u i t e p r a c t i c a lt or e s e a r c ho nw e a nf o rf a s tm o v i n go u t d o o r ss u p p o m s t no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t st h a tam o b i l et e r m i n a li nat r a i ni sl i k e l yt ob e a c c e s s e dt oi n t e r n e t ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r da d e s i g ns c h e m eo nt h eb a s eo ft h e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i d e b a n dw i r e l e s sc h a n n e l t h e nt h ed i s s e r t a t i o n a n a l y s e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e si nt h es c h e m e f i r s t l y ，t h en e t w o r kt o p o l o g yo f m o b i l ew l a na n dt h ep a r a m e t e r si nt h ep h y s i c a ll a y e ri se s t a b l i s h e d ，a n das o l u t i o n f o rf a s ts w i t c h i n go fa pa n dm i pi sp r o p o s e d f i n a l l y ，m o r ee m p h a s e sa r ep u to n s e v e r a lk e ym o d u l e ss u c ha sc h a n n e lc o d i n g ，s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n i n0 f d ms y s t e ma n dt h ed e s i g nw o r ko ft h ew h o l es t r u c t u r e ， k e y w o r d ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a c c e s sp o i n t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) f r a m e s y n c h r o n i z a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科披大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 t # 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：盏呈b 、 日期至竺生：! ：i | 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属两安电子科技火学。本人保证毕 、l k 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校町以公却论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 鳖! 盘 到站 f 1 期枷中、2 。 。、。1 。一 日期垒! 垒：兰：z ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，无线通讯已经成为人们日常生活中 不可缺少的重要通讯方式。如果说早期的无线通信系统是用于某些专用领域的话， 例如专为语音设计的移动通信系统，那么近些年来随着i n t e r n e t 的普及和迅猛发 展，人们在图像，语音，数据通信领域的应用和要求越来越高。所以未来的通讯 必然朝着可移动性和能够支持多媒体业务的方向发展。近些年来人们已经开始研 究和开发下一代无线宽带多媒体系统。在全世界范围内创建宏蜂窝，微蜂窝，微 微蜂窝系统，从而在全世界建成一个支持移动的“全球信息村”。移动多媒体业 务是把文本、图形、语音和视频等信息以任意组合的方式给移动用户提供的服务。 为了提供优质的移动多媒体业务，必须构筑高质量无线宽带网络。进入9 0 年代以 来，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广 泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，更进 步推动了无线宽带网络的发展。 1 2 移动宽带网络的发展现状 近几年，无线宽带技术在通信领域中得到了快速发展，从2 0 0 2 年开始，无线 宽带网的建设进入高速发展阶段，许多国家均在政府支持和电信制造商、运营商 的积极投入下，研究和建设各种不同类型的无线宽带网络。我们知道，无线通信 是利用无线电波( 电磁波、激光) 在空间的传播来传递声音、文字、图像和其它信 息的。空间信道具有可移动性、共享性和广播性等优点，同时也具有高干扰、强 衰落的缺点。因此，无线宽带网络需要特殊的发送和接收技术来保证。下文介绍 了国内外几种主要无线宽带网络的现状和发展。 1 ) 第三代蜂窝移动无线通信系统 蜂窝移动无线通信系统是当前移动通信的主力军，它采用蜂窝结构，频率可 重复利用，实现了大区域覆盖：并支持漫游和越区切换，实现了高速移动环境下 的不间断通信。从7 0 年代起，它已经历了第一代( 1 g ) 、第二代( 2 g ) 并开始进入第 三代( 3 c ) ，未来向超( b e y o n d ) 3 g 过渡。图1 1 描述了移动无线接入和蜂窝移动 无线通信系统的发展过程。 2 支持高速移动的w l a n 的研究 图1 1 不同移动通信系统与固定通信系统的比较 1 g 采用f d m a 和模拟调制，由于频率利用率低、通话质量差、容量小，在中国 已经退出市场。目前，国内外的主流系统是2 g ，它采用t d i a c d m a 和数字调制， 提高了系统容量和通话质量。但1 6 2 g 主要提供语音服务，为了提供自由的移动 多媒体接入，例如话音、可视电话和高速数据传输，则需要发展3 g 和超3 g 移动 通信系统。 3 g p p 研究制定并推广基于演变的g s m 核心网络的3 g 标准，即w c d m a 、t d s c d m a 等。g s m 系统在向3 g 演进的过程中，其无线接入网络采用新型w c d m a 技术，引入 了适于分组数据传输的协议和机制，可支持1 4 4 k b p s 、3 8 4 k b p s 、2 m b p s 的数据速 率，这是一个革命性的变化。而在网络部分则采用演进的方式，即在初期针对话 音和数据业务分别接入到不同的交换网络一电路型和分组型的交换网络。通过提 高现有g s m 的传输带宽，逐步向提供3 g 所要求的2 m b p s 速率的方向努力。 目前移动通信业界已基本达成一个共识：未来的移动通信核心网络将是一个 全i p 的宽带分组网络。3 g p p 和3 g p p 2 都将3 g 发展的目标设定为全i p 网，它将承 载从实时话音、视频到w e b 浏览、电子商务等多种业务。 i m t - 2 0 0 0 的原意是指2 0 0 0 年在2 0 0 0 m h z 频段实现2 0 0 0 k b p s 的数据传输速率。 但由于2 5 g 和w l a n 的加强运作，延长了2 g 的寿命，再加上超( b e y o n d ) 3 g 的基 本概念与框架结构的研究已经启动，这使得3 g 处于2 5 g w l a n 及超3 g 的夹击之 下。另外3 g 标准和技术上也存在一些问题，近来世界经济也处于低潮，这都使得 3 g 的大规模使用比预想的要晚些到来。 2 ) 无线a t m 网络 无线a t m 的目的是在a t m 骨干网的基础上实现端到端的a t m 连接，以提供质 量可保证的各种服务，如a b r 、v b r 、c b r 和u b r 等。由于无线a t m 网络采用的无 线传输信道与a t m 骨干网所采用的光纤传输信道具有很大的差异，一些新的问题， 第一章绪论 如介质共享性、广播性、较长的传输延时、较高的信道误比特率以及信道衰落的 影响等等，必须加以解决。因而无线a t m 除了具有与a t m 相同的a t m 层、a a l 层以 及信令部分外，还要增加与无线通信有关的无线物理层( p h y ) 、介质访问控制层 ( m a c ) 、数据链路控制层( d l c ) 以及相应的无线控制功能，这样才能在无线网络 中实现a t m 服务。为支持对各种业务的服务质量控制，d l c 协议常常针对不同的、 务采用不同的差错控制方式：m a c 协议则一般采用信道动态分配算法来支持业务速 率的可变。 关于无线a t m 的无线接口方面和移动管理方面的标准分别由e t s i 和a t m 论坛 负责制定。依据这些标准，许多无线a t m 系统被推出。无线a t m 技术在生活中的 深层次应用主要包括如何帮助人们完成远程医疗、保健和教育。 3 ) 移动宽带系统( m b s ) m b s 的基本思想是使移动用户( 移动速度可以超过l o o k m h ) 完全结合入基 于a t m 的b - i s d n ，并能提供其它移动通信系统的所有业务。这就要求在m b s 的空 中接口处直接转移a t m 信元，其a t m 信元的转移容量将达到1 5 5 m b i t s 1 。因 此，这也带来了在其它一系列较低速率移动通信系统中没有遇到过的新问题：一 方面m b s 的高速率设计迫使其载波选用毫米波波段，如4 0 g h z 、6 0 g h z 频段：另一 方面从网络观点来看，用户的多媒体业务应用需占用系统中较多的可用容量，使 得m b s 的网络性能比其它较低速率的移动通信系统要求更高、更严。但归根到底， 关键还是在于开发适用的低成本毫米波元器件。 欧洲r a c e i i 计划中m b s ( r 2 0 6 7 ) 的研究目标，就是为了将全部移动通信能力 结合到b - i s d n 中，研究开发能够满足宽带移动所需要的新技术和新工艺( 主要由 于工作频率太高而引起) ，并鉴别移动用户对未来通信的需求以及市场特征，检 验某些市场因素对此结合产生的影响，最终通过建立实验系统来证明其基本思想 的可行性。具体的一些关键性研究开发工作包括以下几个方面”3 ： 开发系统结构及其与b - i s d n 固定网的接口； 研究6 0 g h z 无线电波传播特性； 开发包括平面天线在内的低成本毫米波天线； 开发通用的6 0 g h z 频段空中接口； 开发6 0 g h z 频段蜂窝小区划分及覆盖的方法和技术； 应用单片微波集成电路新工艺设计、生产和测试上变频器、功率放大器及前 置放大混频器： 完成在6 0 g h z 无线链路上移动连接总传输速率达到3 2 m b i t s 、对数字视频信 息业务提供1 6 m b i t s 数据传输速率的实验系统。 4 ) 宽带无线局域网( w l a n ) 无线局域网是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通 4 支持高速移动的w l a n 的研究 信和实现资源共享的网络体系。美国联邦通信委员会( f c c ) 在1 9 8 5 年开放了工 业、科技和医学( i s m ) 频段：9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 m l i z ，5 7 2 5 。5 8 5 0 m h z ，允 许输出功率小于1 w 的扩频设备免许可证使用，这极大地促进了无线局域网的发展。 无线局域网已成为个人通信系统( p c s ) 的重要组成部分。无线局域网发展至今， 主要分为两大协议体系：i e e e 8 0 2 1 1 协议标准体系和欧洲c e p t 制定的h i p e r l a n 协议标准体系。i e e e8 0 2 1 1 标准为“点到点访问”和“主从结构”两种无线局域 网类型规定了标准，并分别制订了2 4 g h z 跳频扩频( f h s s ) 、2 4 g h z 直接序列扩 频( d s s s ) 和红外线三个物理层无线技术规范。三个物理层协议可灵活选择。 在1 9 9 9 年9 月，i e t f 批准了i e e e 8 0 2 1 l b 标准，该标准对i e e e 8 0 2 1 l 标准 进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 1 的基础上增加了两种更 高的通信速率5 5 m b p s 和l1 m b p s 。i e e e 8 0 2 1 1 b 的基本结构、特性和服务仍然由 最初的i e e e 8 0 2 1 l 标准定义。i e e e 8 0 2 1l b 规范只影响i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理 层，它增加了更高的数据速率和更健全的连接性。目前，8 0 2 1 l b 标准的无线局域 网已经得到了大规模使用。但是其1 1 m b p s 的速率很快将无法满足用户的需要。因 此，8 0 2 1 1 工作组于2 0 0 0 年发布了新一代高速w l a n 标准一- - 8 0 2 1 1 a ，其物理层 工作在5 g 频段，使用正交频分复用( o f d m ) 技术，可以提供高达5 4 m b p s 的传输 速率。目前，遵循8 0 2 1 l a 标准的w l a n 产品已经开始面世。除了i e e e 之外，欧 洲的标准化组织e t s i 制定的无线局域网标准h i p e r l a n 2 也是工作在j g 频段，它 与8 0 2 1l a 一样采用o f d m 技术，能够提供5 4 m b p s 的传输速率。目前支持它的厂 商并不多。 5 ) 小结 上文介绍了国内外几种移动宽带网络的发展现状，我们可以看出现代无线网 络的是朝着可移动| ! l ： ：和能够支持多媒体业务的方向发展。现在技术比较成熟的宽 带无线网络是蜂窝移动无线通信系统和宽带无线局域网。现在的主流第二代蜂窝 移动无线通信系统( 2 g ) 主要提供语音服务，为了提供自由的移动多媒体接入则 必须发展3 g 移动通信系统，但即使是3 g ，它支持的最高数据传输速率为2 m b p s ， 高速移动时也只有1 4 4 k b p s ，无法满足高速移动用户对数据速率的要求。8 0 2 1l 无线局域网可以达到比较高的数据传输速率( 2 m b p s - - 5 4 m b p s ) ，但目前只应用于 静止或低速移动的环境。所以晚现在的无线宽带网络还不能很好的满足高速移动 用户传输多媒体业务的需求。建设一个更高速的全覆盖的蜂窝移动通信系统绝非 易事，而把一个无线局域网移动起来却容易许多，把实现高速移动的无线局域网 和未来的3 g 网络结合起来就可以很好的满足人们快速、方便、灵活的实现高速数 据传输的需求。 第一章绪论 5 1 3 高速移动w l a n 的实际需求 铁路是我国最主要也是最重要的交通手段，中国的铁路列车每年约发送旅客 1 6 亿人次。在漫长而枯燥的旅途中，众多的旅客们无法工作也没有适当的娱乐消 闲活动是非常单调和乏味。虽然，铁路上的旅客大多数属于中低端通信消费者， 但是他们中的部分人士上网需求强烈，如：学生、出差商务人士、年轻时尚人士 等。此外，由于地理位置和经济发展的原因，国内部分铁路线路高端商务旅客众 多，如：广深线、京津线等，他们对数据业务有更加迫切的需求。 由于列车的高速移动，现有移动技术( 如g s m 、c d m a ) 的无线信号在多普勒效 应、多径干扰、越区切换、列车车厢屏蔽等多种因素的影响下，出现信号小、不 稳定等问题，从而造成g p r s 或c d m a1 x 上网速度慢上加慢，并且容易掉线，有些 路段信号不能做到无缝覆盖也会影响用户的使用。而这些技术自身的特点也i l ：其 不能满足高速无线上网的要求。同时前面已有介绍，即是是未来的3 g 网络在高速 移动的情况下，数据传输速率同样也是无法满足人们传输多媒体业务的需求。 可见，在铁路沿线建设无线局域网有一定的用户基础和现实需求，特别是在 些黄金线路。随着无线网卡的普及，可以预计该项目有较大的经济效益，同时， 也会给运营商带来极大的社会效益。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要进行了支持高速移动的w l a n 的研究，尽管目前尚无应用的实例，但 w l a n 成熟的技术基础与正交频分复用( 0 f d m ) 技术相结合使高速移动称为可能。 论文首先简要介绍了移动宽带网络的发展现状，从而引入了本文研究的问题 即支持高速移动的w l a n 的研究。第二章主要对无线移动的信道进行分析，并给出 了宽带移动信道的信道模型。第三章首先结合移动信道的特征给出了高速移动 w l a n 的总体方案设计，然后给出了系统中a p 和移动i p 的解决方案。第四章是本 文的重点，深入研究了w l a n 物理层o f d m 技术的几个关键技术及其实现，最后给 出了o f d m 系统结构的设计。 第= 章无线移动信道分析 7 第二章无线移动信道分析 无线局域网采用无限传输技术通过空间电磁波来传输消息，无线传输所占用 的信道称为无线信道。无线信道中发射机与接收机之问的传播路径非常复杂，从 简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。无线信道 不像有线信道固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。移动台的 速度也会对电平的衰落产生一定的影响。电磁波传播的机理多种多样的，但总体 上可以归结为反射、绕射和散射。大多数的无线系统发射机和接收机之i 刨无直接 视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径 反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，同时随着发射机和接 收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。本章将深入分析无线移动信 道的一些特性，并讨论由于接收机高速移动所引起的多普勒频移对系统性能的影 响。 2 1 无线信道的大尺度衰落和小尺度衰落 图2 1 对无线信道的衰落给出了一个综述。它简单说明了移动通信的两种衰。 落模式：大尺度衰落和小尺度衰落。 幽2 1 衰落信道类型 大尺度衰落表征了由于接收机经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功 率衰减或者路径损耗。这一现象是由于受到位于发射机与接收机之间的显著地形 特征影响造成的接收信号幅度缓慢变化。大尺度衰落的统计特性给了我们一种将 路径损耗的估计值以距离为因子的函数计算方法，可以由均值路径损耗和对数正 态分布的均值来表示它。小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之问的空间区 域内很小的变化( 小到半个波长) ，而导致信号幅度和相位较大的变化的现象。 支持高速移动的w l a n 的研究 图2 1 表明了小尺度衰减有两种机理，一种是信号时延扩展，另一种是信道时变 特性。当接收机在较大的区域内移动时，接收信号必定经历两种衰落模式：大尺 度衰落和叠加在其上的小尺度衰落。 接收信号，( ，) 一般表示为传输信号s ( 0 与信道冲激响应h e ( r ) 的卷积，忽略噪声 的影响，则 r ( f ) = s ( ，) h c ( f ) ( 2 一1 ) + 表示为卷积计算。在移动无线信号中，r ( f ) 可以分成两个随即变量 r ( t ) = m ( t ) 十r o ( t ) ( 2 2 ) m ( t ) 称为大尺度衰落因子，r o ( t ) 称作小尺度衰落因子。m ( t ) 有时称作本地均 值( 1 0 c a lm e a n ) 或者对数正态衰落( 1 0 9 n o r m a lf a d i n g ) 。r o ( t ) 一般称为多径 或者瑞利衰落。在图2 2 中，显示了移动通信接收信号能量幅度包络，很明显可 以发现小尺度衰落叠加在大尺度衰落之上。 移动路径 图2 2 大尺度衰落和小尺度衰落 2 1 1 移动信道的路径损耗( 大尺度衰落) 对于移动无线信道，平均路径损耗己( d ) 是发射机与接收机之间距离d 的方 程，它相应与距离d 处以距离d ，处作为参照并遵守如下公式： r p ( d ) ( 2 - - 3 ) t ( d ) 经常以分贝表示： l 。( d ) ( d b ) = 上，( d o ) ( d 8 ) + 1 0 n l o g ( d d o ) ( 2 - - 4 ) 一般的，对于大蜂窝区域d 。取为l k m ，微蜂窝取为l o o m ，室内信道取为l m 。 r 。( d ) 是在给定的d 值的平均路径损耗( 经过不同地点) 。幂指数n 与频率、天线 高度以及传播环境有关。在自由空间中，n = l 。在一个电波传播加强的情况下( 比 第二章无线移动信道分析 9 如两边有高层建筑物的城市街道) ，n 有可能小于2 。当存在阻挡物时，n 的值就 比2 大了。在离发射机为d o 处的参考点的路径损耗为瓦( d ) 一般通过测量或者使用 公式( 2 5 ) 以自由空间路径损耗公式计算得出。 ，( d ) ( 2 5 ) 公式( 2 4 ) 中表达的路径损耗与距离的比值为个均值，所以对于描述信 号路径的细节很不够详细。即使发射机与接收机之间的距离相同，不同地点的传 播环境不大一样，所以有必要提供变化值的均值。测量表明对于任意的d ，路径损 耗三。( d ) 时一个遵守对数正态分布的随即变量，和与距离有关的e ( d ) 保持一致。 所以，路径损耗三。( d ) 可以表示成己( d ) 加上一个随即变量x 。： l f ( d ) ( 拈) = l ，( d o ) ( d b ) + i o n l o g ( d d o ) + 。( d b ) ( 2 - - 6 ) x 。为一个零均值随机变量( 用分贝表示) ，标准方差为盯( 用分贝表示) 。 x 。与距离和地点有关。对于x 。的选择通常是基于测量：一般取值为6 一l o d b 甚 至更高。所以，对于统计的方法描述任意位置并且任意距离的发射机与接收机之 i 司的路径损耗，下列参数是必要的： 参考距离d 0 ； 路径损耗指数n ； j 一的标准方差。 2 1 2 小尺度衰落特性 小尺度衰落包含几种衰落模式，其中一种为r a y l e i g h 衰落。当反射路径很多 并且没有可视路径( l o s ) ，接收信号包络由r a y l e i g h 过程描述。当有一个支配 路径存在时，例如可视传播路径，那么小尺度衰落可以由r i c e 过程描述。当接收 信号由很多反射波和一个显著的可视份量( l o s ) 组成，幅度包络遵守r i c e 概率 密度函数( p d f ) ，所以定义为r i c e 衰落。当可视分量的幅度趋近于0 时，r i c ep d f 就演化为r a y l e i g hp d f ，如f 所示： j ，r 2 ，0 p ( 归 7 似9 i 一驴l ( 2 7 ) 【0 。t h e r w i s p r 为接收信号的幅度包络，2 盯2 为多径信号的能量均值。r a y l e i g h 衰落分量一般称 作随即或散射分量。造成r a y l e i g h 分布的原因是信号没有强支配分量。 小尺度衰落主要有两种衰落机制，参见图2 1 ： 1 信号的时延扩展； o 支持高速移动的w l a n 的研究 2 因为接收机运动而产生的信道时变特性。 图2 3 1 对两种小尺度衰落机理、观察这两种机理的不同领域以及每种衰落机理造 成的衰落分类做了总结。时延扩展机理在时域描述成多径时延散布，在频域中描 述为信道相干带宽。时变机理在时域描述成信道相干时间，在频域描述成信道衰 落速率或者d o p p l e r 扩展。这些衰落机理以及与它们相关的衰落分类将会在下面 作详细的解释。 时延 扩展域 频域 多径造成的时延扩展机理 频率选择性衰落( i s i 干扰 b e r 脉冲于扰) 多径时延扩展 码元周期 平坦衰落( s n r 损耗) 多径时延扩展 码速率 慢衰落( 低d o p p l e r 值) 信道衰落速率 码速率 快衰落( 高d o p p l e r 值) 信道相下时间 码元周期 图2 3 小尺度衰落的机理、种类及影响 2 2 多径信道分析 d o p p l e r 频移域 时域 如果在多径时变信道上传输极短的脉冲，接收信号将表现为一串脉冲，多径 信道的日_ j 延和时变特征使各个脉冲的大小、数量以及脉冲间的相对时延都发生了 变化，正如图24 所示。 力 图2 4 时变多径信道对短脉冲的响应 考察信道对发送信号的影响，发送信号一般可表示为 s ( f ) = r e u c t ) e 2 矾7 】 ( 2 8 ) 假殴存在多条传播路径，且与每条路径有关的是传播延时和衰减因子。传播延时 第二章无线移动信邀分析 和衰减因子两者都因媒质结构的变化而随时间变化。于是，接收的带通信号为 x ( o = 口。( ，) j ( f - l ( r ) ) ( 2 9 ) 口。( ，) 是第n 条传播路径接收信号的衰减因子，r 。( t ) 为第n 条传播路径的传播 延时。将上式带入( 2 8 ) 得 y ( f ) = r e 【口。( f 弦一72 斫“7 “( f o ( r ) p 2 矾。) ( 2 1 0 ) 由上式可以看出，等效低通信号为 r ( ，) = ( ，) p 叩州7 “( 卜o ( ，) n ( 2 一1 1 ) ，是等效低通信道对等效低通信号u ( 0 的响应，因此该信道的冲激响应为 h ( r ，f ) = t 2 。( ，) p 埘扎j ( f - o ( ，) ) 一 【z l z ) 等效低通冲激响应h ( r ，) ，可以表征为以t 为变量的复随即过程。假设h ( r ，) 是 广义平稳的，则h ( r ，1 ) 的自相关函数为 心7 ，r 2 a t ) 2 扣) 矗“r 2 ；t + a t ) ( 2 1 3 ) 假设是不相关散射，即不同时延的散射是不相关的，则 r h ( t l ，r 2 ；a t ) = r h ( r 】；a t ) f ( r 一r 2 )( 2 一1 4 ) 若令a t = 0 ，那么自相关函数r ( r ；0 ) ；r 。( f ) 就是信道平均功率输出，我们把r 。( z - ) 叫做信道时延功率谱。通常把见( f ) 基本上不为零时的r 的数值范围叫做信道时延 扩展，以t 。表示，是描述多径信道特征重要的统计参数之一。对于一个传输的脉 冲信号，时间t 。是最大附加时延，表示在第一个和最后一个接收信号分量之间的 时间间隔，也即多径信号分量能量高于某一电平的时间。门限电平一般选为比最 强分量低1 0 或2 0 d b 。 在频域也存在完全类似的特征描述，通过取h ( r ；t ) 的付里叶变换，即 日( ；f ) = f 。h ( r ；t ) e 川* d r ( 2 1 5 ) 由于h ( f ) 是 ( f ；f ) 的付里叶变换，则( 一，f 2 ；a t ) 必为r 。( r ，f ：；f ) 的付里叶变 换，对于不相关散射，则有 月h ( z ，l ；z x t ) = ： ：r h ( r i ；a t ) 6 ( r l l 2 ) p 。2 可 p 一2 矾“d r l d r 2 。 ( 2 1 6 ) = rr h ( 毛；a t ) e 。2 删1 d 1 = r h ( a f ；a t ) 式中，v = 一 。非相关散射的假设意味着h ( f ；t ) 的频域自相关函数仅仅是频 率差，的函数，因此，可以把r 。( a f ；a t ) 叫做信道的频率间隔，时间间隔相关函 数。在实际中，通过发送一对问隔为厂的正弦波，并使两个相对时延t 的接收 2支持高速移动的w l a n 的研究 信号互相关，即司测量该函数。 对于式( 2 - - 1 6 ) 中，令a t = 0 ，利用尺。( a f ；o ) ；r 。( ，) 和r 。( r ；o ) ；r 。( f ) 得 到 r h ( a f ) = r ( f 弦- j 2 喇7 d r ( 2 - - 1 7 ) 即r 。( ) 是以频率为自变量的自相关函数，可以作为信道频率相干性的度量标准， 该函数曲线如图2 5 所示 僻厅( 胡l 、 i 以一l 7 乙 图2 5r h ( a f ) 与r ( f ) 之间的关系 我们称多径时延t 。的倒数为信道的相干带宽，即有下式 b c * 1 t ， ( 2 一1 8 ) b 。表示信道的相干带宽，它是描述多径信道频域特征的一个重要参数。如果移动 无线信道的相干带宽b 。大于发送信号的带宽b 。，且在带宽范围内有恒定增益即线 性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程( 非频率选择性衰落) 。此时，信道的 多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍保持不变。然而，由于多径信道增 益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。如果信道具有恒定增益和线性相 位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特性就会导致接收信号产生频率选择 性衰落。在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号的 码元周期。此时，接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号的多径波，这样 的信道将引起符号间干扰( i s i ) 。 2 3 时变信道分析 上面我们讨论了信道的多径属性，其主要反映在统计量多径时延t 或相干带 宽鼠上。下面讨论信道的时变属性。 第二章无线移动信道分析 2 3 1 多普勒频移 多普勒( d o p p l e r ) 频移是由于接收天线和发射天线之间的相对运动引起的， 使接收机的频率发生偏移，频移大小与相对运动速度和运动方向以及载波频率有 关。具体公式如下： ：，= ；c o s 0 ( 2 1 9 ) l 其中，兀为d o p p l e r 频移，2 是波长，v 为相对运动速度，0 为运动速度与无 线电波传播方向之间的夹角。 2 , 3 2 散射函数 在多径信道中，随着接收机的快速移动，产生散射和反射的物体时刻在发生 变化，接收机的频率发生扩散。所以，即使发射信号为单一的正弦波，经过多径 传输后，接收信号已不再是单一的正弦波，而是占据一定频带宽度的信号，给发 生多普勒频率扩散，这种现象称为多普勒效应。现在我们来说明多普勒效应同信 道时变的关系。令 s h ( ； ) = r ( k f ；a t ) e - j 2 “出，( 2 - - 2 0 ) 当a f = 0 时，s 。( 0 ；2 ) s s 。( 五) ，则上式变为 品( 五) = i r h ( k t ) e 。“抛， ( 2 - - 2 1 ) 函数s 。( 五) 是以多普勒频率九为函数的信号强度所确定的功率谱，所以把 晶( 旯) 叫做信道的多普勒功率谱。 由式( 2 - - 2 1 ) 可以看出，若信道是非时变的，目u r 。( 出) = 常数，则s 。( 五) 为 冲击函数，所以，非时变信道没有多普勒频率扩散现象，因而我们把s 。( ) 基本不 为零时的 数值范围叫做信道的多普勒频率扩散瓯。由因为s 。( a ) 与r 。( f ) 是傅 立叶变换关系，则将b 。的倒数称为信道的相干时间( a t ) ，即 ( f ) 。了1 占d ( 2 2 2 ) 显然，慢变化信道具有较长的相关时间，从而具有较小的多普勒扩散。为了 描述不同路径时延的多普勒扩散，我们定义散射函数s 。( f ，五) 为 s m ( f ，兄) = 月( r ，a t ) e - j 2 - t “d a t ( 2 2 3 ) 散射函数s 。( f ，五) 描述了以时延t 和多普勒频率九为函数的信道平均输出功 率量度标准。并且散射函数s 。( f ，五) 与s h ( a f ， ) 构成傅立叶变换对，即 4支持高速移动的w l a n 的研究 ( f ，兄) = 晶( a f ， 7 2 埘d a f 23 3 多普勒效应引起的衰落信道类型 ( 2 2 4 ) 假设发射信号的码元周期为t ，则信号的带宽w = 1 t ，如果信道的相干时间 ( a t ) ，比发射信号的码元周期长，t 战时，信道引起的多普勒频移相对信号带宽极小。反之，如果信 道的相干时间比发射信号周期短，或多普勒频移比信号带宽大，则称此信道为快 衰落信道。快衰落信道的条件为t ( a t ) ，或w b d 。 快衰落与多径没有直接的关系，它仅表示信道中运动物体的变化所引起的信 道响应的变化快慢。一个快衰落既可能是频率选择性衰落，也可能是频率非选择 性衰落。在快衰落信道中，信道的变化率要超过信号变化率，因此，只有当数据 传输速率很低的情况下才会发生快衰落。 2 4 宽带移动信道模型 我们己经知道移动信道的典型特征是多径传播和多普勒频移 假设接收机接收道德的信号为： r ( t ) = d ( t ) + 行( r ) ( 2 2 5 ) 式中，d ( t ) 表示接收的多径信号，可描述为一个复高斯过程，n ( t ) 为高斯白 噪声。为了简化分析我们采用了抽头延时线模型来对信道进行研究。 图2 6 抽头延时线模型 图中每一个抽头的系数都是时变的，则信道的冲激响应可以表示为： l h ( t ，f ) = 口，( f ) g 们占( 卜f ，) ( 2 2 6 ) ，= 0 其中，l 是抽头的个数，( r ) 是与时间有关的抽头的系数( 通常是复商斯的) ， 气 汀一 1 第二章无线移动信道分析 r ，是输入到第1 个抽头的延迟。对每个抽头都有一个多普勒谱来描述其系数随时 问的变化。 信号r ( t ) 的幅度包络可近似用瑞利分布来描述： | ， ，2 ，0 肿) = 孑似p 一万j ( 2 蝴) 0 o t h e r w i s e 式中，a 。2 为多径信号的平均功率，接收信号的相位服从均匀分布，浚模型适 合城市阻挡多的移动通信系统。如果式( 2 - - 2 7 ) 中存在直视分量，则接收信号的 幅度包络服从莱斯分布： 加，j 毒唧卜筹k 砉) 舱0 眨。 。砌， 1 0 r 厂卅 ( 2 3 0 ) 因为s ( f ) = 5 ( 一，) ，所以该功率谱是偶对称的。设接收机的移动速度为 l o o k m h ，对应于2 g 的载频，接收信号的最大多普勒频率为1 8 5 h z ，其接收信号 的多普勒功率谱如图2 7 所示： 图2 7 接收信号的多普勒功率谱 对于宽带移动信道来说，可以用一种静止的和各态历经的随机过程来近似描 1 6 支持高速移动的w l a n 的研究 述。散射函数( 厶，f ) 即用来描述这种信道。散射函数中的两维( 传播时延和多 普勒频移) 由各散射波路径决定( 在时域它们和相对运动方向以及入射角相关) ， 也就是说，电波的传播地形比如山脉，建筑物等决定了散射函数的形状。考虑到 每个散射波有独立并且互不相关的相移，同时在较短距离内( 1 0 个波长到4 0 个波 长) 每个路径的模型基本相同，因此宽带信道就可以用广义静态不相关信道 ( w s s u s ) 来表述。 散射函数为( 厶，r ) ，则宽带移动信道的多普勒功率密度谱和延时功率密度 谱为： 多普勒功率密度谱类同( 2 3 0 ) 式。而延时功率密度谱则取决于不同的传播 地形。因此定义信道延时一多普勒功率密度函数为： p ( 一，f ) = 去s ( 厶，f ) k ( 厶，f ) + j y ( f 。，r ) 1 2 ( 2 3 2 ) 其中x ( 厶，f ) 和y ( 厶，f ) 为二：维复高斯随机过程。在数学上，这样的信道可以用 个时变的线性滤波器来描述： 如、 h ( f , r ) = 去小丽( x ( 厶，f ) + 办( 厶，r ) e 掣斫日删“d r d f a ( 2 3 3 ) v 一方 “| 该信道传输函数表明了频率为f 的信号成分在时刻t 的传输情况。 因此宽带移动信道的时域模型在式( 2 2 6 ) 的基础上可以修改为： h ( t ，百) = 口，( r 沁一2 矾“巧。一0 ) ( 2 3 4 ) i = 0 虽然( 2 2 6 ) 和( 2 3 4 ) 在形式上基本相同，但是( 2 - - 3 4 ) 对于宽带移动 信道更为清晰和实用，在仿真上物理意义也更为明确。 n一2 打甄力力 厶厶 ，l( 盯 p p | i = 厶厶 片 h 博 心 第三章支持高速移动w l a n 方案的研究 1 7 第三章支持高速移动的w l a n 方案研究 3 1 无线局域网技术 1 ) 无线局域网的技术标准 从广义上讲，i e e e 8 0 2 1 1 标准、h i p p e r l a n 标准、蓝牙( b 1 u e t o o t h ) 标准以 及h o m e r f ( 家庭网络) 标准都可以看作是无线局域网标准，但目前。泛应用的是 i e e e 8 0 2 1 1 标准。 i e e e 8 0 2 1 l 标准的制定是无线局域网技术发展的一个里程碑。它规定了无线 局域网的网络形式、使用方式等，特别是对物理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 做了详细的规定，但是2 m b p s 的最高传输速率成为无线局域网发展的瓶颈，为了 提高传输速率，t e e e 标准化委员会对i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层又进行了高速率扩 展。目前，较为成熟的高速率扩展有两个版本： i e e e 8 0 2 1 1 b ：工作在2 4 g h z 频段，最大数据传输速率为11 m b p s ，并支持自 动速率转换：当信道质量降低时，传输速率能自动降到5 5m b p s ，2m b p s 或者1 m b p s 。物理层采用补码键控( c c k ) 的调制方式。 i e e e 8 0 2 1 l a ：扩充了标准的物理层，规定该层使用5 6 h z 的频段。该标准采 用正交频分复用( o f d m ) 调制技术，传输速率范围为：6 m b p s 5 4 m b p s 。这样的速 率既能满足室内的应用，也能满足室外的应用。 2 ) 无线局域网的拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 l 定义了两种常用的拓扑结构：独立基本服务集( i b s s ) 网络和扩 展服务集( e s s ) 网络。这些网络使用一个基本构件块，i e e e 8 0 2 1 1 标准称之为基 本服务集( b s s ) ，它提供一个覆盖区域，使无线网络中最基本的组成单元，通常 也称为小区( c e l l ) 。在一个b s s 内彼此相互通信的一组移动终端组成一个基本服 务集网络( i b s s ) 。由于一个b s s 所能覆盖的区域范围有限，为了覆盖更大的区 域，需要把多个b s s 通过分布式系统( d s ) 连接起来，形成个扩展服务集网络 ( e s s ) 。分布式系统可以是有线或无线的通信予网，根据具体情况而定。 3 ) 无线局域网的组网方式 无线局域网的组网方式可归结为两类：对等网和结构化网。如图3 1 所示。 对等网( a d h o c