（通信与信息系统专业论文）高速无线局域网信道差错控制研究.pdf

摘要 摘要 无线局域网信道传输质量远远不能满足无线数据业务的需要。为了 解决无线 局域网传输差错多、信道时变性强的问题，在现有高速无线局域网协议基础上， 提出了在ma c层和物理层加入前向纠错技术和自 适应差错控制技术， 来达到较高 的可靠性和信道利用率，并对具体实现的各种关键参数进行了相应的研究。 本文从无线局域网的结构与发展开始，首先讨论了wl a n的帧结构和m a c 协议的工作原理， 然后分析了高速无线局域网的信道特性和f e c编码的基本特点。 接着提出了高速无线局域网信道f e c纠错的基本方法并对其信道的自 适应差错控 制机制进行了深入的研究。 在此基础上， 着重对i e e e 8 0 2 . 1 1 b 现有的重传纠错机制 进行改进， 加入了f e c纠错， 并对传输信道的可靠性与吞吐量进行了研究与仿真。 分析结果表明这种机制对提高无线局域网数据传输的速率与可靠性有明显的作 用，其结论对实际应用具有重要的参考价值。 关键词: 无线局域网! e e e 8 0 2 . 1 1 前向纠错a r o 吞吐量 ab s t r a c t ab s t r a c t wi r e l e s s l in k s c a n e x h i b i t h i g h e r r o r r a t e s d u e t o a t t e n u a t i o n , f a d i n g , o r i n t e r f e r i n g a c t i v e r a d i a t i o n s o u r c e s . s o t h e n e w a d a p t i v e l i n k l a y e r c o n t r o l t e c h n i q u e s a r e n e e d e d t o p r o v i d e r o b u s t n e s s a n d b e tt e r a v a i l a b l e b a n d w i d t h b y u s i n g f e c a t ma c a n d p h y l a y e r . t h i s d i s s e rt a t i o n f o c u s e s o n r e s e a r c h in g t h e c h a n n e l e r r o r c o n t r o l m e c h a n i s m o n h i g h s p e e d wl a n . i n o r d e r t o a c h i e v e s i g n i f i c a n t d a t a t h r o u g h p u t , w e s u g g e s t u s i n g t h e f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ( f e c ) w i t h c h a n n e l s t a t e e s t i m a t i o n i n a d d i t i o n t o a u t o m a t ic r e p e a t r e q u e s t ( a r q). b e g i n n i n g w i t h t h e c o n f i g u r a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f wir e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k , w e i n t r o d u c e t h e fr a m e a r c h i t e c t u r e a n d p r o t o c o l s i n ma c l a y e r , a n a l y s e t h e c h a n n e l c h a r a c t e r s a n d d e s c r i b e h y b r i d f e c / a r q m e c h a n i s m f e c c o d e m e t h o d . t h e n w e p r o p o s e t h e a d a p t i v e i n c o m b i n a t i o n w i t h ma c f r a m e l e n g t h a c c o r d i n g t o c h a n n e l a r q / f e c o r t h e f e c f r a me s i z e a l s o e f f e c t t e c h n i q u e s i g n i f i c a n t l y c o n d i t i o n . t h r o u g h d y n a m i c a l l y s e l e c t i n g a r q o r s t r e n g t h w e c a n o b t a i n t h e o p t i m u m d a t a fl o w . t h e a d a p t i v e s y s t e m t h r o u g h p u t . s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d p e r f o r m a n c e c o m p a r i n g i n p r a c t i c a l i m p le m e n t . im p r o v e s t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n q u a l it y a n d s y s t e m w i t h p u r e f e c a n d a r q t e c h n i q u e . a l s o t h e r e s u l t c a n b e u s e d k e y w o r d : wl a n 1 e e e 8 0 2 . 1 1 b f e ca r q t h r o u g h p u t 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 其他人己经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它 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。 木 人 签 名 : i t 东 日 期) -a ， j一 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: 学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全部或部 分内容，n j 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) 、 人 签 名 : 沁，4. 日 期 及 ， 汉 ) 屏 - 导师签名: 日 期 , l - b z . 1 z .犷 币犬 外 ，les.1、 、孙 第 1 章绪论 第 1 章 绪论 在未来的无线通信中，无线数据业务将会扮演举足轻重的角色。 在过去的几 年里，多种无线网络得到的快速发展就可以证明这一点。在无线局域网市场， i e e e 8 0 2 . 1 1 . b l u e t o o t h 和h o m e r f 等技术将发挥各自 的优势，尤其是i e e e 8 0 2 . 1 1 标准正在逐步成熟，产品价格日 益下降，使无线局域网从小范围的应用进入了主 流应用。 无论在市场还是在科研实验室中， 无线局域网以新兴的角色令人们倍加关注。 据统计，美国于2 0 0 2 年3 月公布的调查结果显示:无线l a n市场将以 年均3 0 % 以 上的增长率扩大， 2 0 0 6 年将会达到接近5 0 亿美元的规模。 2 0 0 1 年到2 0 0 2 年期 间，无线l a n设备的营业额增加6 0 %以上;从2 0 0 1 年到2 0 0 2 年期间，面向企业 的无线l a n市场增长了3 2 %， 面向s o h o / 家庭的无线l a n市场则将增长1 0 3 %0 在中国国内市场无线局域网产品也在渐露头角，很多学校、医院开始将兴趣投入 到这种方便高速的局域网方案上。 但在这些数字的背后.也存在着很多疑问和不认同， 人们仍对无线局域网的服 务质量问题、信道检测碰撞和安全性等问题顾虑重重。而如何提高无线信道的传 输速度和质量是无线局域网的关键所在，也是我们k待解决的问题。 1 . 1 无线局域网及其发展 无线局域网 ( w l a n)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，在硬件 技术上主要依靠射频技术( r a d i o f r e q u e n c y ) 来支持计算机之间的通信。 作为 有线 局域网的替代和补充，使人们可以容易地建立和配置一个局域网，省去布线的繁 琐。 1 . 1 . 2 无线局域网的拓扑结构 一般地， w l a n 是指以无线媒体作为传输介质的局部网络， 但以工 e e e 8 0 2 . 1 1 系 列最为典型，其网络结构有以下三种形式: 1 、a d - h o c网 这是最简单的w l a n 的实现形式，其中各个站点的地位是相同的，不需要安装 任何骨干设备。 这是一种无中心结构， 也可被称为p e e r - t o - p e e r 网或对等网。 该 网络操作简单易行， 但是覆盖范围有限。它通过无线适配器来对一系列计算机进 高速无线局域网信道差错控制研究 行连接，不需要集中管理和预配置，在需要有大量数据交互使用 ( 比如文件共享) 而且相距不远的环境中 ( 如会议厅)非常有用。 目前，a d - h o c网发展的最新提法是m3 网络0 3 ( mo b i l e . m u l t i m e d i a和 m u l t i h o p ) ， 能够快速配置 和实 现多 媒体业务。在战区系 统， 灾难恢复 现场等应用 上较为活跃。通过在分布式的结构中采用移动中继设备，有效地实现了多跳， 扩 大了单区的范围。分布式环境适合报文交换，通过在多跳环境中采用一些面向连 接业务的协议， 如m a c a / p r ( m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e w i t h p i g g y b a c k r e s e r v a t i o n s )等，也可以实现对实时性业务的支持。 2 .单区 w l a n 这种配置形成的站点集合称为基本业务组 ( b s s , b a s i c s e r v i c e s e t ) 。 它 是将接入点 ( a p )作为一个中 继器和中心控制器， 对区内的无线终端进行管理。 利用c s ma / c a协议避免信道的碰撞。运用r t s / c t s 帧解决隐藏站点的问题。 3、多区w l a n 在这种类型中，无线接入点a p 是多区w l a n 结构的核心。多个a p 作为分布系 统主干的一部分， 将w l a n 和有线网络连接起来， 允许移动用户有效利用网络资源。 无线移动设备通过a p 进行通信或接入主干网， a p 的地位类似于数字蜂窝网中的基 站。 一个a p 支持一个b s s ， 多 个b s s 的集合叫做扩展业务组( e s s , s x t e n d e d s e r v i c e s e t ) ，当一个b s s由接入点 ( a p )连入其他网络时，这种结构被称为多区b s s . a p 不仅提供同有线网络之间的通信，而且也能调节w l a n 的业务状况。多区w l a n 结构可以应用在象校园、大楼内等有覆盖重叠的环境中。 单区w l a n 和多区w l a n 统称为i n f r a s t r u c t u r e w l a n ，如图1 一1 所示. 内 了 州1 1 . 梦 一一/ ， . 、 毖 仁1 比比 ., a c c e s s p o i n t w i r e l e s s s t a t ion sw 云 r 吧i es s s t at i on s st at orn b s s e s s ( i n f r a s t r u c t u r e m o d e ) 图t 一i无线局域网的拓扑结构 i b s s ( a d - h o c m o d e ) 1 . 1 . 2 无线局域网的发展 无线局域网的发展体现在多个方面，如频段与信道传输速率的提高，吞吐量 第 1 章绪论 和系统容量的提高，安全性能和服务质量的改善等，这每个方面几乎都对应一个 标准或标准任务组 ( t g ) . wl a n标准化工作可以追溯到上世纪8 0 年代， 由于f c c发起的2 .4 g h z 的免 执照扩频频段的使用。1 9 9 7 年 1 0月，发布了第一个完整的8 0 2 . 1 1 标准。这个标 准定义了ma c机制和多路物理访问方式 ( p h y ) 。在2 .4 g h z 频段有两种p h y : 跳频( f h ) 和直接序列扩频( d s s s ) , y作速率为1 m b p s 或2 m b / s 。 此后， i e e e 8 0 2 . 1 1 标准委员会开始致力于物理层标准的高 速扩展， 力图 在 工 e e e 8 0 2 . 1 1 w l a n系统中 达到类似于以太网的数据速率。工作组对各种调制方案，诸如多进制正交键控 ( m o k , m - a r y o r t h o g o n a l k e y i n g ) ， 脉 位调 制( p p m , p u l s e p o s i t i o n m o d u l a t i o n ) , 分组二进制卷积编码 ( p b c c , p a c k e t b i n a r y c o n v o l u t i o n a l c o d i n g ) ， 正交频分 复用 ( o f d m , o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x ) ，正交码分复用 ( o c d m , o r t h o g o n a l c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e x )等进行了 细致的评测， 推出了一系列的 i e e e 8 0 2 . 1 1 标准，依时间顺序排列如下: 1 ) 1 9 9 9年 i e e e 8 0 2 . 1 1发布 了高速 无线 以太 网的新标准 一 i e e e 8 0 2 . 1 1 6 ，工作在 2 .4 g h z频段，建立了两种形式的编码，速率 分别达到5 .5 mb / s 和 1 1 m b / s o 2 ) 1 9 9 9 年还发布了i e e e 8 0 2 . 1 1 a ，在5 g h z 频段上使用o f d m技术， 信 道最高 速率提高到5 4 m b p s ， 提供从6 m b p s 到5 4 m b p s 1 1 种p h y 模式。 3 ) 2 0 0 1 年成立i e e e 8 0 2 . l l e 工作组，目 标是为q o s 和多媒体服务建立 标准， 特殊的是这个协议为i e e e 8 0 2 . 1 1 标准高速扩展添加了新的负 荷管理策略和差错控制机制 ( 如f e c和选择性重发) 。 4 ) 2 0 0 2年 3月的 i e e e 8 0 2 . 1 1 i 是对无线局域网的安全性进行保护的协 议。 5 ) 2 0 0 2 年推出 对无线局域网的高速速率扩充的i e e e 8 0 2 . 1 1 g . 目 前，标准的改进主要集中在m a c层性能的增强。 1 . 2 无线局域网传输面临的问题 与有线网络相比， 无线网络传输主要是通过电磁波在空间的传播将信号传送 给接收端，而空间信道的传播特性远不如电缆、光纤这些有线信道以及卫星信道 稳定，特别是在城市环境中和移动接收情况下，由于多径传播所形成的频率选择 性衰落和延时扩展，以及建筑物遮挡所形成的阴影效应，使接收质量受到严重影 响，而且无线信道的失真和畸变很难确定。无线局域网利用无线信道传输信息， 因此面临着比有线局域网更多的数据错误与丢失。 高速无线局域网信道差错控制研究 造成无线局域网信道传输质量差的原因有以下几个方面:1 )干扰:包括环境 噪声或工业电气噪声的干扰以及邻近频道的信号干扰;2 )多径衰落:无线传播环 境中，到达接收站点的信号是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各 个路径的距离不同，因而各条路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同，不 同相位的多个信号在接收端叠加。导致接收信号的幅度急剧增强或减弱，从而产 生了多径衰落;3 )当无线站点移动使用时，会产生多普勒频移，在多径环境，这 种频移会成为多普勒频展，即衰落信号中频率在随机变化。 在wl a n的使用中，一 个关键的问题就是高速而可靠的数据传输。为了提高 无线信道的可靠性，抵抗干扰和衰落，物理层采用合理的调制和扩频技术，两种 扩频技术 ( 直接序列扩频 ( d s s s ) 和跳频 ( f h s s ) 技术) 具有一定的抗干扰和抗 衰落的能力。交织技术也能使多种连续的突发错误降低。在合理设计基带信号的 前提下也采用频域均衡、时域均衡以及分集等措施降低误码率。 为了对付无线局域网高速传输信道的随机差错以及衰落，无线信道可以 采用 前向 纠错编码( f e c ) 技术改善信道的质量。 改 进的方式是多 种多样的， 基本可以 概 括为三种类型:1 )纯a r q机制:这是在m a c层带a c k的a r q机制，即是发 送端发出数据帧后，一直等到接收端反馈 a c k na k确认信息达到后，才继续发 送或重传出错信息， 采用这种单一的a r q机制， 在某些情况下可能会成提高系统 吞吐量的 瓶颈。 2 ) a r q与f e c混合机制: 在帧中附 加冗余信息进行前向 纠错， 大多数随机错误由f e c码纠正而不必再重传。当出现超出纠错能力的错误时，仍 使用a r q重传出 错的信息，因而可以 极大地改善误码性能。 3 )自 适应差错控制 机制，这是目前正在研究的比较理想的方式。 1 . 3 本文的内容安排: 全文共分五章: 第一章为绪论， 介绍了 无线局域网的基本情况和发展现状， 引 出 存在的问 题和改进的方法。 第二章介绍了 无线局域网常见的应用环境及配置， 对相关的物理层和ma c层协议进行了分析。 第三章是对无 线局域网信道特性的研 究与分析，并对f e c纠错码的性能进行了介绍。第四章是对无线局域网信道差错 控制的研究，首先对差错控制的几种方法及原理进行了深入的研究和探讨，提出 了 用于wl a n的a r q / f e c混合机制:接着对当前无线信道差错控制的自 适应技 术做了深入的fi 讲 究. 提出了在高速wl a n信道中加入f e c的自 适应差错控制的方 案。 第五章为仿真实验与结果讨论。 通过利用r s 码和卷积码的纠错仿真对所提出 的方案进行了 初步的验证， 得出的结论对f e c差错控制方法的实施具有指导意义。 论文的最后是结束语、有关的参考文献和致谢。 第2 章高速无线局域网协议分析 第2 章高速无线局域网协议分析 2 . 1 无线局域网的应用环境 根据无线局域网的特点，其应用可分为两类:一类作为半移动网络应用，一 类作为全移动网络应用。在半移动应用环境下，又可分为室内 应用和室外应用。 在早期的室内应用中， 无线局域网是作为 有线局域网的补充，与有线局域网并存。 但随着无线局域网价格降低，更多的人不再忍受布线的限制，而寻求无线网络解 决方案， 学校、 医院、 机场甚至企业内的局域网都越来越倾向于选择无线局域网。 室外应用是在难于布线的室外环境下， 无线局域网 可充分发挥其高速率、 组网 灵活之特点。尤其在公共通信网不发达的状态下，无线局域网可作为区域网 ( 覆 盖范围几十公里)使用。 2 . 1 . 1 室内的典型配置 根据不同的应用环境，室内局域网的配置是多种多样的，如可以是小型会议 室的几台笔记本电 脑， 也可以是一个家庭中的计算机、 p d a , 数字传真和摄像机组 成的无中心结构( a d h o c ) 的小型局域网。 这种局域网可称作点对点( p e e r - t o - p e e r ) 无线局域网。它要求设备中的无线网卡与网络相连即可，而且网中任意两个站点 间均可直接通信。 如图2 -l 所示， 这种结构的无线局域网一般使用公用广播信道， m a c层采用c s m a类型的多址接入协议。 室内应用也可以是某工厂或写字楼由 a p进行接入的无线局域网。通常在一个 或几个房间内使用无线局域网通信， 而与有线以太网的通信利用a p 点接入，如图 2 一2 所示。 尽 a i i 目 色 会议宜 图2 一1 室内小型a d h o c 无线局域网的配置结构 高速无线局域网信道差错控制研究 f i g u r e 1 2 8 -s h o r t p l c p p p d u f o r m a t 图2 -5 i e e e 8 0 2 . l l b p h y层的p l c p 短帧格式 2 . 3 无线媒体的访问控制 无线局域网中，多个移动主机 ( m h , m o b i l e h o s t )共享同一无线媒体， ma c 的核心是其异步数据传输技术。与有线信道相比，无线信道传输具有多径衰落、 误码率高等弱点，而且还存在碰撞难以检测和隐藏主机 ( 即在同一个b s s中，两 个移动主机与同一个a p 通信时， 由于衰落或干扰等原因， 两个主机互相之间不能 收到对方发出的信息，这两主机互为隐藏主机)等问题。除了对物理层采取抗千 扰和抗衰落措施 ( 如采用扩频技术)外，要提高无线局域网的性能，还必须提高 m a c的性能及数据传输的效率。 这里讨论的环境为能够接入有线骨干的w l a n ， 利用a p 在有线骨干和无线网络 之间转发报文， w l a n 中所有的移动主机都通过a p 来访问骨干网。 从网络层的观点 来看，w l a n 提供的是无连接的尽力发送报文的服务。 关于信道的接入控制方式，i e e e 8 0 2 . 1 i ma c有两种方法: 1 )具有冲突检测的载波监测多路访问:一个类似于 i e e e 8 0 2 .3以太网的线路 争用协议。i e e e 8 0 2 . 1 1 规范称之为分布式访问控制方式 ( d c f ) . 2 )基于优先级别的访问:一个无竞争访问协议，适用于访问节点安装有点协 调器的网络。i e e e 8 0 2 . 1 1 规范称之为中心网络控制方式 ( p c f ) . 前者是默认的访问机制， 后者( 可选功能) 用于支持冲突避免的时间限制服务。 第2章高速无线局域网协议分析 ; 2 . 3 . 1 基于d c f 的异步数据传输过程 i e e e 8 0 2 . 1 1的最基本的媒体访问方法是 d c f ，也称为载波检测 / 冲突避免 c s ma / c a . c s ma / c a规则是:有数据要发送的主机首先侦听媒体是否空闲，判 断当前是否有其它主机正在发送数据， c s m a / c a分布算法要求媒体上相邻两帧之 间必须有一个最小时间间隔:若媒体空闲，它就可以发送:若侦听到媒体忙，则 主机必须延迟，到当前传输结束之后，再任选一个随机退避时间，检测在这段时 间间隔内媒体是否仍空闲，若空闲，则发送数据;否则继续退避。当一个主机在 一次发送成功后还想发送下一帧，也必须进行退避。之所以要选择一个随机退避 时间，是因为在媒体由忙变闲后，可能有多个主机都想发送数据，若在检测到媒 体闲后立即发送， 肯定会发生碰撞。为了 避免碰撞，只能采用退避延迟，把它们 希望发送数据的时间分散到较宽的时间范围内，如图2 -6 所示。 me d i u m i s i d l e 图2 -6 c s ma / c a机制 无线局域网除了用m a c 层的虚载波检测机制外， 还使用了物理层载波检测。 它 将两种机制结合起来判断媒体的状态。物理载波检测用来检测媒体的功率，当 媒 质功率超过某门限值时， 则认为媒体被占 用， 处于忙状态。 虚载波检测机制由v a c 层完成，它通过主机 “ 人为”的宣布媒体 “ 忙”的消息从而阻止主机的发送。一 种有效的方法是在真正的数据交换前先进行 r t s / c t s交换。另外由于在无线媒体 中，发送方不可能检测到在接收方处是否发生碰撞， 所以需要一种正向确认机制; 发送方发出一帧后， 等待接收方返回的a c k 信息，若没有收到a c k 帧， 就认为接 收方没有正确接收，那么退避一段时间后再重新发送该帧。 i f s是 8 0 2 . 1 1 中一个新的而且是较重要的概念。并不是媒体一空主机就可以 发 送数据的， 而是要检测到空， 并保持一 段时间 称为帧间隔时间i f s ( 工 n t e r f r a m e s p a c e) 后刁允许访问媒体。有三种帧间隔时间: 短帧间隔 s 工 f s ( s h o r t - i f s ) :这是 i e e e 8 0 2 . 1 1 规定的最短的帧间隔，用于 高速无线局域网信道差错控制研究 a c k 帧，c t s 帧，重装了的数据帧之间和主机对p c f 的轮询做出应答的时候。因为 其它想要进行发送的主机必须等待一个较长的媒体空闲期，所以不可能强行中断 正在进行的传输，这样采用s i f s 间隔的主机就获得了最高的媒体控制权。 p c f 帧间隔p i f s : a p 利用这个帧间隔获得对媒体的控制权，从而宣布无竞争 时期c f p 的开始。当在c f p 期间发生接收/ 发送错误时， a p 就会在媒体空闲时间达到 p i f s 后控制媒体。在无竞争期， a p 检测到媒体空闲时间长达p i f s 后会在c f p 突发时 期发送队列中的下一c f p 帧。 d c f 帧间隔d i f s : d c f 优先级用于在竞争期传输异步帧。在n a v 和c s( 物理载 波检测)指示媒体空闲后，想发送r t s 帧或d a t a( 数据)帧的主机监听媒体以保证 媒体空闲时间至少达到d i f s 。若媒体忙时，d f w m a c 将延迟，直到检测到一个长达 d i f s 的媒体空闲期后，启动一个随机访问退避过程。 它们之阳 的关系是: s i f sb c ，因此无线局域网的信道 衰落模型为频率选择性慢衰落模型。我们假设实际带通信号的带宽为 w，等效低 通 信 号u ( t ) 的 带 宽 冈5 w 1 2 ， 接 收 信 号 r ( t ) 可 表 示 为 : 高速无线局域网信道差错控制研究 r ( t ) 一 艺h , ( t ) u ( t n 、， “、 一= j( j 一 j ) w 若考虑加性高斯噪声， 则频率选择性信道的数学模型为: (卜 l h (t)u (t - w )+ n (t) (3-4) 室外wl a n的传输距离一般超不过几百米，在这样短的链路上，建筑物对无 线传播有很大的影响。如果局域网内的站点在建筑物密集的街道中移动时，会发 现在大约波长 几 二 。 i f一半的距离范围内， 信号有很大的变化， 甚至在几米的 距 离内，信号就可以变化 3 0 d b 。这里 c时光速，f 为信号的频率。在本文的讨论和 仿真中，假设室外 wl a n环境是在城市地区 ( 反射物较多) ，其中的无线站点基 本不移动，并且室外的n个多径信号是相互独立的，没有一个信号占支配地位。 这 种情况下接收信号的 幅度才服从瑞利分布。 误码率限 定 在 1 0 - 1 - 1 0 一之间。 信 号电平在一2 0 d b - 1 5 d b之间变化，时延扩展在 1 .0 - 3 .0 ,u : 之间。平均时延为 1 .5 - 2 . 5 ,u s 。 传输距离在1 - 2 0 k m之间。 在前述的无线局域网的 配置中， 站点( p c 机或者个人便携通信设备)由于操作的原因，基本上不处于移动中。因此不考虑 移动带来的频率的变化。 许多年来，人们已经开发出许多在各类无线传播环境中抗多径干扰的方法。 如自 适应均衡以及扩频技术。虽然在无线信道中可以用分集和自 适应均衡技术来 克服瑞利衰落，然而，从编码角度看，时间分集和频率分集只是编码冗余度最粗 线的 应用。 有效的 数 字移动通信系 统的 信道编码 方式是 前向 纠错( f e c ) 结合 交织编 码器的组合使用。有衰落的无线信道一个突出特征是突发错误。普通的前向纠错 码对突发错误的纠错能力较差，除非增长码长和约束长度，这样又会使译码器的 复杂性增加，成本上升。因此还要进行交织处理，使突发错误分散为随机错误， 然后再利用分组码或卷积码的特点来纠正这些随机错误，可收到很好的抗衰落效 果。 要综合考虑信号功率， 信道容量和传信率等因素对纠错技术的要求， 才能在带 宽有限的信道中达到高编码增益的要求。 3 . 1 . 2 w l a n 室内信道特性分析 在办公室或者工厂等室内环境中， 信号在传输的过程中会受到行人、设备和其 它物体的阻挡，发生信号中断。在 i s m频段，电子噪声也是一个严重的问题。如 微波炉和医疗器械的同波段干扰。 室内传播的多径现象主要是从站点发出的去往另一站点或 a p点的信号被站 第3 章无线局域网信道分析与纠错编码 点周围的物体， 如墙或办公室内的家具散射。 这种本地散射很可能发生在a p点和 站点 ( p c )附近。本地散射对信号的主要破坏是衰落，也就是信号幅度随位置发 生变化。此时，所有的信号几乎同时达到接收机，但各自的相位是随机的。各路 信号的相位差实际上由很小的传播距离差造成。这个距离差一般为载波波长的几 倍，虽然比数据波长要小得多。这样许多个随机相位信号达到接收机引起信号幅 度随距离变化，成为服从瑞利分布的随机变量。在这种环境下，幅度常常会下降 2 0 d b左右。因为局域网一般都适应非常小的发射功率，所以 2 0 d b的损耗常常会 使通信完全中断。 另一种更有害的多径形式主要由局域网工作区域内的墙壁引起。这部分反射 的信号路径差较前一种稍大，这种延时展宽使信号失真加大，产生码间干扰，因 为它使相邻的数据比 特产生交叠。在数据通信系统中，一旦码间干扰达到某个值， 这种多径失真使误码率迅速上升。多径延时展宽也会产生衰落，但形式比本地色 散多径要复杂得多。这种衰落由两个因素相互作用而成，一是建筑物的墙产生的 回声结构，二是收发信机内限制数据信号带宽的信号处理过程。 室内的无线传输中， 在类似门厅的 l o s( 视距传播)中，衰落统计为r i c i a n 统 计。 因 为 在 室内 环境 站点 中， 通常 有 较强的 直 射 波， 存 在 着占 支 配 地 位的 信号 。 理论上可以推出， 存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布 ( r i c i a n d i s t r i b u t io n ) 。莱斯分布的概率密度函数为: p . (r) = a z exp(一 争 io(l 2) (3-5) 这 里r 是 衰 落 信号 的 包 络，r ,. 和a 为 莱 斯 分 布 的 两 个 参 数。 a 为r 的 方差， 气 为直射波幅度。i.() 为零阶修正贝 塞尔函 数。 wl a n室内 多径衰落经多次研究证明服从距离功率法则【 1 0 ，即无线站点的 平 均 接收功率a 。 为: d、 a ( d ) =a ( d . ) 一1 u a l o g ( - ) t c l 3 - 0 ) d o 这里d 是发 送站点到 接收站点之间的 距离;凡是参考距离; a 是平均衰 落 指 数。 其值是经实地测量得到的， 在工厂等环境a =1 . 5 -2 .4 ; 在高层建筑中。= 2 .7 -5 .0 。位置独立变量x是用d b表示的零均值的高斯分布随机变量，在对同样的 接收点与发送点进行大量的测量时，接收到的功率不同，位置独立变量描述了这 种随机衰落的影响。式 ( 6 )是在室内信道相对稳定时的结果，如果有人或设备的 高速无线局域网信道差错控制研究 移动，此式需要修改。 多径传播的时延差较室外要小得多， 时延扩展在0 .2 - 0 . 3 ,u : 之间。 平均时延为 0 . 1 - 0 .3 ,u s 。信号电平在一1 5 d b - 1 5 d b之im变化， 误码率为1 0 - ， 一1 0 - ， 之间， 传输 距离在儿十米之间。而且站点基本上不移动，因此多普勒频移也忽略不计。 3 . 2 差错控制编码 对于不同的数据通信业务，用户对于数据的准确度要求也不尽相同。用于传 输计算机网之间的数据， 往往要求误码率低于 1 0 - 9 。 差错控制方式的选择，为设 计一个数据系统提供了一定自由度。对于任何一个差错控制系统，衡量其性能有 两个主要标准:一是传送消息的准确度，通常用误码率或误组率来衡量，另一个 标准是系统传输信息数据的 有效性或吞吐量效率77 ， 它定义为: 用户接受的信息数据数目 _传送信息数据的时间 传输的总数据数目总的传输时间 当然利用差错控制系统来减低误码率是要付出代价的，这就是设备复杂性的 增加和带宽的扩展。因此，单纯利用纠错编码进行差错控制的通信系统，在增加 信道带宽的情况下能得到编码增益。本节仅就纠错码做一简单讨论。 f e c系统中可以使用分组码、卷积码等各种码型。选择应根据用户对误码率 的要求以及信道差错情况而定。本文主要研究分组码中的 r - s码和卷积码。在同 等码率和相似的纠错能力下，卷积码的实现一般比分组码要简单，从目 前的发展 趋势看，f e c系统中将主要应用b c h码、r s 码和卷积码。 ; 3 . 2 . 1 r - s 码 对于用户数据的差错控制， 我们采用 ( n . k , q ) r - s 码， 表达式为g f ( q ) . 对 于 信 元长 度是k ( n ) 的r - s 码 编 码 长 度为n ( _ 1 ) 组的 信息元有关。 在某一时间单位.l ， 从信息源送入编码器k - t 个 信 息 元二 ， ， 由 编 码 器 输出 n 。 个 码 元 组 成一 组 送 入 信 道。 第 一 个 码 元 为 信 息 元， 后面为校验元。m 成为卷积码的编码存储。由此，决定卷积码的有三个参数:码 高速无线局域网信道差错控制研究 长。 0 ， 信 息 位k o 和 编 码 存 储m ， 一 般 用( n o ,k o ,m ) 来 表 示 卷 积 码 。 而 把 r = 鱼成 为码率， 通常还用另一参数n=m + 1 来表示各子组之间的约束关系。 n 称为编码约 束度，它说明卷积码编码器输出的半无限长码序列中任何相邻的 n组均满足同一 约束关系。 无线传输信道的随机错误通过卷积码进行纠错。 卷积码与r - s 码相比， 更适合 纠正帧长较长的随机错误。 卷积码编码中， 本码组的n - k 个校验元不仅与本组的k 个信息有关，而且还和以 前m个时刻输入至编码器的信息组有关。 通常用( n ,k , m ) 来表示，信息位k ，码长n 的取值较分组码小，比值k / n 称为卷积码的码率，是衡 量卷积码传输信息有效性的一个重要参数。 根据卷积码的硬判决方法可以得到卷积码的比特错误概率为: p ,b : 艺a d p 2 ( d ) ( 3 - 1 1 ) d = 少“ 其中d r e 。 为 最小 距离， p 2 ( d ) 为 距离为d 时的 码的 错误概率 ， 可以 用 ( 3 -1 2 ) 式求得 厂十t 一一 p , ( d ) k_息 2()+ d ) p kl r (1k=(d,1)12 k一 、 一，“ “ ” ( 3 - 1 2 ) 全 k = d1 2 , 1()p k(1一 d-k + i( d 2) d!2 1p ) 2 d /2)p一 、 ，“ ” ” 若 用a ， 表 示 距 离为d 的 路 径条 数 ，那 么 传 输函 数 可以 定 义 为 式 ( 3 - 1 3 ) t ( d ) =艺a d d d ( 3 - 1 3 ) d = d 知 当约束长度k 比较大时，,t ( d ) 不易求得，但可以证明卷积码传输函数满足下式: -一 一dk t( d) i ( u ) ) = ”1 一d 艺a d d d ( 3 - 1 4 ) d = d , 所以可得到 p -, 、 艺a d d d 艺a d d d ( 3 - 1 5 ) d = 加d - d t 这样我们就得到了卷积编码比特差错率的一个比较松的上界. 卷积码的主要的译码方法是大数逻辑译码方法，可以就随机错误和突发错误。 但近些年，在卫星数据通信系统等要求比较高级的差错控制系统中，经常用到的 是 v i t e r b i译码。这种译码算法的译码速度快，译码错误概率低，用大规模集成 第3 章无线局域网信道分析与纠错编码 电路实现容易。因此在实际的数传通信的 f e c系统中用得较多，而且在卫星和深 空通信中， 使用更为普遍。 在i e e e 8 0 2 . l l a 的 物理层纠错中， 采用的是k = 7 ( 6 4 状态) ， 编码效率分别为 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 的卷积码。 高速无线局域网信道差错控制研究 第4 章高速无线局域网信道差错控制研究 即使在没有移动时，wl a n也会由于无线电中的传输错误而导致频繁的丢 包。山于无线信道噪声和多径干扰在无线环境中很普遍。比如红外和无线电链路 的一般误码率为1 0 - 6 ， 而光纤上为1 0 - 1 2 。 为对付无线差错问 题， 传输层、 链路层 的办法都在使用。链路层的方法:利用下层射频设备和信道确认，更有效一些。 而且，链路层能提供专有的依赖数据流的办法:例如根据信道状态和通信量，选 择 f e c或 a r q方案。目前，无线局域网变得越来越流行，并会在不久的将来形成 多种网络的一个完整部分，加上多媒体传输所需求的实时业务，这必将导致增加 传码率、可靠性方面的需要，以及在 i p 环境下w l a n 通信的范围。 在众多改进高速无线信道质量的方法中，有在t c p 层和传输层的改进， 也有在 物理层采用编码、 调制等最基本的方式改进。 本文只就目 前无线局域网在ma c层 和p h y层的差错控制进行研究。 在数据传输中， 差错控制的基本思想有两类: 一类是接收端发现传送的数据有 错后，收端译码器自 动地纠正错误:另一类是接收端发现错误以后，通过反馈信 道传送一个应答信号，要求发端重传出现错误的信息，从而达到纠错的目的。所 以差错控基本的方式有:自 动请求重发 ( a r q )和前向纠错 ( f e c ) 。在数据的包传 输方式中，当信息包较短时， 采用交织码是很不经济的。 对于这种情况，检错重 发的a r q体制是一种高效的 传输方式， 这种体制只在信息序列中 插入少量的监督 码元来检测码元的对错。若有错误，则请求发端重发该数据。这实际上基本做到 了按需进行时间分集，当码字无误时，信息只传送一次;当码字有误时，系统自 动请求重发，实现时间分集。所以编码效率较高。 4 . 1 w l a n 信道差错控制机制分析 4 . 1 . 1 纯 a r q 机制 i e e e 8 0 2 . 1 1 标准规定在无线局域网中 纠错使用a r q机制， 利用重发来对付 碰撞和无线传输差错。工作站点在进行帧交换的同时，要完成差错恢复任务。差 错恢复通常是在一段时间间隔之后，如果收不到来自目的工作站的响应信息，则 对帧进行重发，这个过程通常称为自 动重复请求 (a r q ) ， 常用于比特差错导致 应答帧( a c k ) 不可识别的 情况。当 信道状况好时a r q是非常有效的。面向 连接的 和确认无连接链路层协议利用差错控制机制检测和改正数据单元发生的差错。 a r q有两种主要机制:停止等待a r q以 及连续a r q a 第4 章高速无线局域网信道差错控制研究 停止等 待a r q方 式的 工作 过程如图4 -1 所示: 发 端每发完一个码组 ( a或b ) 后，都要等待一段时间以接收应答信号，然后在确定下一个发送码组是重传上一 个码组还是发送新码组。因此这种工作方式适应于半双工通信及数据网 之间的 通 信。由于这种差错控制系统的工作方式很简单， 易于实现，且误码率能做得很低， 因而是一种最基本的a r q方式。 一 ， t 2 ,; : ， 1 . e ， _ ， ， _ _ 发端 收端 收，: a c k 。. n a k .一 图4 -l 停止等待a r q的重传机制 连续a r q ， 常常称为 滑动窗口 协议 ( s l i d i n g w i n d o w p r o t o c o l ) ， 发 送站 利 用 它能够连续不断地发送数据帧直到接收站检测到一个差错。 在连续a r q中又分为 选择重发a r q ( s r - a r q ) 和回退n步a r q ( g b n - a r q ) . g b n - a r q是让源点从 传输缓冲器检索出错的帧，然后发送出错的帧和该帧下面的所有帧。这种重传方 式的问题是当 n很大时，效率就会明显降低。因为在重传一个帧时，可能大量的 无差错帧也被重新发送. s r - a