（通信与信息系统专业论文）无线局域网80211a协议同步研究及嵌入式应用.pdf

浙江大学硕士毕业论文 无线局域网8 0 2 1 l a 协议同步研究及嵌入式应用 【摘要】 随着人们对宽带无线通信需求的不断总能加，无线局域网技术已迅速地发展成 为计算机网络中一个至关重要地组成部分，其应用领域也在飞速地扩大。i e e e8 0 2 1 l 无线 局域网标准的蒂定成功和不断改进，使无线技术摆脱了过去互不兼容的状态，从而能为无法 采用有线系统安装的领域提供可靠的、移动的网络互连方案。 o f d m ( 正交频分多路复用) 是一种特殊的多载波传输方式，由于它使用一系列低速子 载波并行传输数据，使得传输速率得到大幅度提高。1 9 9 8 年7 月，o f d m 技术正式被i e e e 标准组确定为i e e e 8 0 2 1 l a 物理层调制方法，使得无线局域网数据传输速率由6 m b p s 提高 到5 4 m b p s ，性能得到明显改善。同时该标准是第一个将o f d m 技术应用于包传输通信中的 i e e e 标准( 在该标准提出以前，o f d m 通常局限使用于连续传输系统中，如：d v b ，h d t v ) 。 结合作者研究生阶段“现场总线设备中的无线通信模块关键技术研究”8 6 3 课题，作者 对 e e e 8 0 2 1 1 1 l a 1 物理层基带部分相关技术做了深入研究，提出了无线局域网中o f d m 基带系统时间同步、频偏估计以及信道估计等关键算法，在国内核心期刊和国际会议上发表 了相关学术论文，本文在此基础上完成的。 【关键字】无线局域网、o f d m ( 正交频分多路复用) 、同步、信道估计、嵌入式 浙江大学砸士毕业论文 s y n c h r o n i z a t i o nr e s e a r c ho fi e e e 8 0 2 1 l a a n de m b e d d e d a p p l i c a t i o n a b s t r a c t ：w i r e l e s sl a nh a sb e e nd e v e l o p e di n t oo n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t h ec o m p u t e r n e t w o r kw i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti st h es u c c e s s f u l e s t a b l i s h m e n ta n dc o n s e c u t i v ed e v e l o p m e n to fi e e e 8 0 2 11p r o t o c o lt h a tc a u s e sw l a nb e c o m e t h er e l i a b l ea n df l e x i b l en e t w o r kc o n n e c t i o ns c h e m ei nt h ep l a c e sw h i c hc a nn o tb ea c c e s s e db y w i r e dn e t w o r k 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 ) i sas p e c i a l c a s eo fm u l t i c a r r i e r t r a n s m i s s i o n ，i nw h i c has i n g l eh i g hd a t ar a t ed a t a s t t e a mi st r a n s m i t t e du s i n gan u m b e ro fl o w e r d a t ar a t es u b c a r r i e r s i nj u l y1 9 9 8 ，t h ei e e es t a n d a r d i z a t i o ng r o u ps e l e c t e dt h eo f d mm o d u l a t i o n t e c h n i q u ef o rt h e i rn e wi e e e 8 0 2 1l as t a n d a r d t a r g e t i n gd a t at r a n s m i s s i o nf r o m6u pt o5 4m b p s m e a n w h i l e ，t h i sn e wi e e es t a n d a r di st h ef i r s to f l et ou s eo f d m i np a c k e tb a s e dc o m m u n i c a t i o n s ( b e f o r et h ep r o p o s a lo ft h i ss t a n d a r d ，u s eo fo f d mw a sl i m i t e dt oc o n t i n u o u st r a n s m i s s i o n s y s t e m s ) c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yp r o j e c tn a m e d “k e yt e c h n i q u e so ft h ew i r e l e s s m o d u l ei nf i e l d b u sf a c i l i t i e s ”，a u t h o rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fb a s e b a n dt e c h n o l o g i e so f i e e e 8 0 2 1i 1l ap h y s i c a ll a y e r , a n dp u tf o r w a r ds o m en o v e la l g o r i t h m sa b o u tt h et i m i n ga n d f r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o na n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o no fo f d mt r a n s r e c e i v e ri nw l a n ， w h i c hh a v eb e e np u b l i s h e do f fs o m ek e r n e lt r a n s a c t i o na n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c ea n ds h o w st h e a u t h o r l sg r e a tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s k e yw o r d s ：w l a n 、o f d m 、s y n c h r o n i z a t i o n 、c h a n n e le s t i m a t i o n 、e m b e d d e d 浙江大学硕士毕业论文 绪论 无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网。作为一种数据传输系统，它减! 了 电缆连接的需要量，增加了网络的适应性，使新的应刷成为可能。无线局域用户也可在参加 会议或在校园中移动到另外一个地方时来访问网络和共享资源。 1 9 9 0 年7 月，i e e e 委员会接收了n c r 公司“c s m a c d 无线媒体标准扩充”的提案， 成立了i e e e 8 0 21 1 工作组。1 9 9 3 年1 1 月形成了基础协议，1 9 9 7 年完成r 该协议，并于1 9 9 8 午被i e e e 标准作为草案，1 9 9 9 年公布了第一个正式版本。标准对介质访问控制层( m a c ) , f 1 4 t n f d - ( p h y ) 作了规定。有两种基于无线电的p h y 使用2 , 4 g f f z 频带，第二个使剧红 外线。三种p h y 都支持1 m b s 的数据速率，以及可选的2 m b s 速率。i e e e 8 0 211 的业务主 要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b s 。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的 需要，冈此，i e e e 工作组在9 9 年9 月又批准了8 0 2 1 1 b 和8 0 21 l a 两个标准，前者已经成 为目前的主流标准，而后者也是研究的热点。 i e e e 8 0 2 1l b 协议是对8 0 2 11 协议的修改和补充，在物理层部分在原来的1 m b s 、2 m b s 传输速率在外，增加了5 5 m b s 、11 m b s 的高返直接序列扩频( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c l r u m ) 方案。 i e e e 8 0 2 1 l a 协议r 作住5 g h z u n i l 频段，物理层速率数据速率从6 m b s 直剑5 4 m b s ， 传输层可返到2 5 m b s 。采用正交频分多路复用( o f d m ) 独特的扩频技术：可提供2 5 m b s 的无线a t m 接口和1 0 m b s 的以太网无线帧结构接口以及t d d t d m a 的空中接| l ；支持 语音、数据、图象业务：一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。在i e e e 8 0 2 1 1 系列标准中，较高数据速率和m a c 层与1 m b s 和2 m b s 速率的m a c 层是相同的。 本文主耍内容如下： 第一章简单介绍无线局域网标准i e e e 8 0 21 l 的历史以及其刚络结构。 第二章扼要介绍i e e e 8 0 21 1 a 基带结构以及规范。 第二章介绍了o f d m 系统。 第四章研究o f d m 基带系统同步算法( 频偏估计、时间同步) ，并给出性能仿真结果 和分析。 第五章研究o f d m 基带系统信道估计算法，并给出性能仿真结果和分析。 第六章对项目中作者负责的嵌入式平台搭建工作以及嵌入式软件开发流程做简单的介 浙江大学硕士毕业论文 绍。 第七章对研究1 作做出总结，分析不足以及可能的改进方法。同时，对无线u j 域网以 及o f d m 技术今后的发展作出了展望。 5 浙江大学硕士毕业论文 第一章无线局域网概论 无线局域网是一个适应性极强的数据传输系统，它是有线嘲在建筑物和校同之间的延长 和变通，无线网络通过使用无线通信技术在空日传送和接收数据，最小限度地使用有线连接， 于是，它通过简单地配置使网络移动，9 i 同移动用户进行数据通信。 在过去七年中，无线局域网得到了很火的发展，在包括零售，制造业，货栈等行业都得 到了广泛的应用。现在无线局域网已经被普遍认为是一般商业消费的连接方式。 1 1i e e e 8 0 2 1 1 标准介绍 最初的8 0 2 1 l p a r 规定：“所提议的【无线l a n 标准的作用范围是为局域内固定的、 便携式的可移动站点的无线连接开发的规范”。p a r 进一步说“该标准的目的是为自动机械、 设备以及需要迅速配置的站点提供无线连接，它们可以是移动的、手提式的或局域内可以安 装在移动车辆上。” 最终的标准，即正式称为i e e rw l a n 介质访问控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范， 定义了局域内必须支持的网络广播协议。像其他基于8 0 2 的i e e e 标准一样( 如8 0 2 3 和 8 0 25 ) ，8 0 21 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 间的m s d u ( m a c 服务数据单元) 。典 型的是，无线嘲卡和接入点( a c c e s sp o i n t ) 提供8 0 2 1 1 标准的功能。 8 0 21 1 标准提供m a c 和p h y 功能，在局域内为固定的、便携式和以步行或行车速度 移动的移动站提供无线连接。8 0 21 1 包括f 矾一些具体的特征： 提供异步和限时发送服务。 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 调1 ，适应1 m b i g s 5 6 m b i t j s 的传输速率。 支持大部分市场应用。 多点传送( 包括广播发送) 服务。 列络管理服务。 注册和认证服务。 8 0 2 1 1 标准考虑到了无线l a n 和有线l a n 问存在的主要区别如下： 带宽：i s m 扩频频段不能提供大量的带宽，对一些应用来说，数据速率比理想的 低。然而，8 0 21 1i 作组改进了数据压缩方式，充分利用了可用带宽。h 前他们正 浙江大学硕十毕业论文 努力提高8 0 2l l 的数据速率以适应日益增长的交换越来越庞大文什的需要。 安全性：无线l a n 在比有线介质如双绞线、司轴电缆和光纤电缆大得多的区域内 传输信号。冈此，在保密方面，无线l a n 有更大的区域要保护。为了配置安全性， 8 0 21 1 工作绢使自身的工作与8 0 21 0 标准委员会相协调，负责为所有8 0 2 系列l a n 歼发安全机制。 寻址：无线嘲络的拓扑结构是动态的：囡此，目的地址不能一直与目的位置相 致。当路径信息包穿过嘲络到要发送的目的地时就会出现问题。因此，需要利用基 于t c p i p 协议如移动i p 调整移动站点。 电源管理：大部分w l a n 网络接口k ( 网卡) 适用于p c m c i al i 犁格式，这些 设备必须依赖电池为内部电子设备供电。添加w l a n 网卡到便携式计算机上会很 快用光电量。8 0 2l1 丁作组开发了新技术，能让无线网卡在不传输时定期转换为低 功耗的各片j 模式，从而降低电池的消耗。在某个具体的或用户可定义的刚间段内 当没有传输活动发生时，m a c 层让无线网卡睡眠( 即降低功耗) 实现电源管理。 并通过并入缓存器消除排队，解决了站点在睡眠过程中可能错过关键数据传输的问 题。 为了保证与目前标准的互操作陆，8 0 2 1 1 工作组发腱了与日前其他8 0 2 标准兼容的枥 准如f 所示： i e e e 8 0 2 ：功能要求。 i e e e s 0 22 ：m a c 服务定义。 e e e 8 0 21 - a ：概述和结构。 i e e e 8 0 21 一b i e e e 8 0 2 1 d i e e e 8 0 2 1 f i e e e 8 0 2 】0 ： l a n i v l a n 管理。 透明桥接器。 开发层管理标准的指导方针。 安全数据交换。 1 2i e e e 8 0 2 1 1 拓扑结构 i e e e 8 0 21 1 拓扑结构由很多组件组成，它们相互作用提供一个w l a n ，能使站点和移 动性对高层协议层透明，如l l c a 是含有8 0 2 1i 协议功能的任一设备( 即m a c 层、p h y 层和无线介质的接口) 。8 0 2 标准的功能体现在无线网卡一驱动网卡和接入点的软件接口。 浙江大学硕十毕业论文 8 0 2 1 1 标准支持f f 列两种拓扑结构： 独立基本服务集( i b s s ) 网络。 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 】标准称之为基本服务集( b s s ) ，它提供一 个覆盖区域，使b s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内闩巾移动但如果 它离开了b s si 并域内就不能够直接与其他站点建、! 连接了。 1 2 1i b s s 网络 i b s s 是一个独立的b s s ，它没有中枢链路基础结构，至少包括两个无线站点( 如下图 所示) 。因为它不需要太多规划就能被快速建立，所以这类网络常常被称为特别网络( a dh o c n e t w o r k ) 。特别无线网络就能基本满足控制一个较小区域( 如一个房间、个销售楼层或者 医院侧楼) 的用户需要。 8 0 2 t ti n d e p e n d e n tb s $ 1 2 2 e s s 网络 图1 1i b s s 逻辑结构 为了满足跨越i b s s 范嗣限制的要求，8 0 211 详细介绍了一个e s sl a n ，如r 罔所示。 一个e s s 8 0 21 1w l a n 包括多重小i 并( c e l l ) ，它川由a p ( 接入点) 和一个分布式系统( 如 以太同) 相互连接起来。该配置满足了大小任意、复杂度高的大范围覆盖网络的需要。 浙江大学硕十毕业论文 图1 2 e s s 逻辑结构 8 0 21 l 标准认可一些移动类型： 不迁移型( n o t r a n s i t i o n ) ：这种移动类型指那些j f 移动的站点和在局邦b s s 内移 动的站点。 b s s 迁移型( b s s - t r a n s i t i o n ) ：这种移动类型指站点从e s s 中的一个b s s 移动到相 同e s s 中的另一个b s s 。 e s s 迁移型( e s s t r a n s i t i o n ) ：这种移动类型指从个e s s 移动剑另一个e s s 。 很显然，8 0 21 1 标准支持不迁移型和b s s 迁移型两种移动类型。然而，对进行e s s 迁 移时，该标准不能继续保证连接。 8 0 211 标准定义分布式系统为通过a p 在e s s 内使b s s 相互连接的组件。分布式系统 通过提供逻辑服务支持8 0 21 1 移动性类型，逻辑服务在处理地址到目的地的变换和多重b s s 的无缝集成是必要的。a p 是一个可设定地址的站点，它提供接口到分布式系统，以便4 学位 于各种b s s 内的站点连接起来。单独的b s s 和e s s 网络对l l c 层是透明的。 在e s s 内，8 0 2 ，1 1 标准调整b s s 的下列物理配置： 部分重叠b s s ( b s s s t h a ta r ep a r t i a l l yo v e r l a p ) ：这类配置在一个已定义区域内提供 邻接覆盖如果应用中难以容忍咖络服务中断的话，它是最好的选择。 自然分离b s s ( b s s st h a ta r ep h y s i c a l l yd i s j o i n t e d ) ：对这种情况，配置不提供邻接 覆盖。8 0 211 没有指定b s s 间距离的限制。 自然配簧b s s ( b s s s t h a ta r ep h y s i c a l l yc o n n e c t e d ) ：这对于提供一个冗余的或者高 操作性的网络是必要的。 8 0 21l 标准没有强制分布式系统的构成：因此，它可能是符合8 0 2 的网络，或是符合非 标准的网络。如果数据帧需要在一个非i e e e s 0 2 1 1 网络内来回传输，那么这些数据帧同样 嗣j8 0 2 】1 标准定义的相同，它们可以通过。个称为入口( p o r t a l ) 的逻辑点进入，该入v i 在 9 浙江大学硕七毕业论文 现存的有线网络和8 0 21 】网络之间提供逻辑集成。当分布式系统被8 0 2 型组件如8 0 23 ( 以 太网) 或者8 0 25 ( 令牌环) 集成时，该入口和a p 则台为- c 1 31 e e e 8 0 2 1 1 逻辑结构 拓扑结构决定了网络的物理部件，而逻辑结构着重定义网络操作。每个站点所应用的 8 0 21 1 标准的逻辑结构包括一个单一m a c 和多个p h y 中的一个。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l l c 【j 1 幽 m a c m a c l a y e r m a c8 u b l a y e r 一m a n a g e m e n l 圈 p l c ps u b l a y e r 一一p hi l a y e r m a n a g e m e n t p h y 一匿蟊 p m ds u b l a y e r 一 圈1 3i e e e s 0 21 1 逻辑结构 1 3 1i e e e 8 0 2 1 1m a c 层 s i a t i o n m a n a g e m e n t m a c 层的目的是通过l l c 层的支持f 为共享介质p h y 提供访问控制功能( 如寻址方 式、访问协调、帧校验序列生成和检查，以及l l cp d u 定界) 。m a c 层在l i 。c 层的支持 1 执行寻址方式和帧识别功能。8 0 2 1 i 标准利用c s m a c a ( 载波侦听多路访问冲突避免) ： 而标准以太网利耳jc s m a c d ( 载波侦听多路访问冲突检测) 。在同一个信道l f j 用无线收 发器即可以传输义接收是不可能的；因此，8 0 21 1 无线l a n 采取的描施仅仅是为了避免冲 突，而不是检测它们。 1 3 2i e e e 8 0 2 1 1 物理层 在1 e e e 8 0 21 1 中定义丁三种不同类型的物理层实现，即红外线、跳频扩频( f h s s ) 和 直接序列扩频( d s s s ) 。红外线保密性能好但红外线对非透明物体的透过性极差，着导致 传输距离受限。f h s s 系统采用8 35 m h z 带宽中相隔1 m h z 的7 9 个频点( 北美、欧洲大i i j 分国家) ，跳频模式分为三细，每组有2 6 个跳频模式。跳额次数由各国土管部门决定。数拐 浙江大学硕士毕业论文 率1 m b s 时采h j2 g f s k ，2 m b s 时采用4 g f s k 。由于g f s k 具有恒包络特性司使_ 【| 1 f 线 性功率发大器，故容易实现，成本较低。d s s s 系统在1 m b s 和2 m b s 时采用长度为1 1 的 b a r k e r 码扩频，1 m b s 时采用d b p s k 调制，2 m b s 时采用d q p s k 调制。d s s s 系统，除了 1 m b s 和2 m b s 的速率之外，还可提供5 5 m b s 和11 m b s 。码片速率都为1 1m b s ，冈此四 种速率的信道带宽都是一样的。研究表明，d s s s 系统比f h s s 系统具有更好的误码性能、 传输距离，f 日因q p s k 不具有恒包络特性，需要用线性功率发大器，故适用于高性能系统。 i e e e 8 0 21 1 a 是基丁- 包通信中第一次使用o f d m 技术的标准。主要参数见下表。有关它 的详细介纠将庄下面章中绐出。 6 q 1 2 1 8 2 4 。3 6 4 xa n t l5 4 m b i t s i n t b t 1 1 1 i 1 i i o nd a l al w 6 1 二a l l i2 4m i l l & a ” t 1 1 h n d u l o l 、l 、h 刈u l a tj o i li l s l i ( 小d 1 o i s k ( j i1 ) ! i “0 、if ) l i ) 、t 0 a x l ( ) f i ) 、i e r r o rc , a r r , ： c t i n gr 【k k k 1 6 4s t i f l e s ic o l dl “t l i 翻 cc 订c ( t 刈i n 2r a t el223 34 n t l l l l b r ro ls l i l m j l r n o i o f d 、 孙m b o ld u r a t i o n 4 0 i t s ( ，：i 一【l j k 、。l i o b f f p 1 g i o c t t l i f i c t h m d ”l d l ij 6 f 、i 1 ， 表l l8 0 21 1a 物堙层主要参数 1 4i e e e 8 0 2 1 1 服务 8 0 2 1 1 标准对l l c 层在网络中两个实体间要求发送m s d u ( m a c 服务数据单元) 的服 务做了定义。m a c 层执行的这些服务分为下列两种类型： ( 1 ) 、站点服务 认证 不认证 保密 m s d u 发送 浙江大学硕上毕业论文 ( 2 ) 、分布式系统服务 结合 分离 分布 集成 重新结台 1 5 总结 本章对无线局域网i e e e s 0 21 1 协议的网络结构、拓扑结构以及服务做了简单、系统的 介缁。 浙江大学硕士毕业论文 第二章i e e e 8 0 2 1 l a 基带规范 i e e e 8 0 21 1 a b 是中高速( 8 0 21 1 i l b 工作在2 4 g h z 的i s m 频段下，速率可以是1 m b s 、 2 m b ! s 、55 m b s 或1 1 m b s ；8 0 2 1 l a 速率为6 5 4 m b s ，t 作在5 g h z 的i s m 频段f ) 室 内环境( 5 0 - - 3 0 0 m ) 下的一个最合适的无线通信方案。 i e e e 8 0 21 l a 1 是i e e e 标准组制定的晟新的无线局域网标准，相比其他w l a n 标准， 它具有很多优越性。如更好的可测量性、更强的抗干扰性、高速、更高的信道利用率以及多 用户。8 0 21 1 1 1 b 使用的是24 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，这个 频段只能提供8 3 m h z 可用带宽给包括w l a n 住内的所有无线应用，如无绳电话等其他应用。 与此相比，i e e e 8 0 2 1 1 a 使用5 g h z u n i l ( u n l i c e n s e d n a t i o n a l i n f o r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r e ) 频 段的3 0 0 m h z 带宽，并且，g t 前这个频段上的无线应用较少。 i e e e 8 0 2 1 1 a 标准采用最新的正交频分多路复用( o f d m ) 技术，能进一步提高信道利 用率。同时o f d m 技术将多个低速子载波组台成一个高速传输信道从而进一步提高了数 据传输速率【2 。此外，8 0 2 1 l a 同时提供八个不重叠的信道，这使得8 0 21 1 a 使用的带宽具 有更高的可规划性。1 e e e 8 0 2 1 l a 已成为现代高速无线局域网最可靠、最高效的解决方案。 本章主要研究i e e e 8 0 2 1 l a 的o f d m 基带规范。 2 1i e e e 8 0 2 1 l l l a 物理层包括的三个协议功能 i e e e 8 0 211 1l a 物理层包括以下两个协议功能 9 ： ( 1 ) 、物理层会聚功能( p h yc o n v e r g e n c ef u n c t i o n ) ，这个功能是由p l c p ( p h y c o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 子层来完成的，见图i 一3 。通过这个功能可以把与具体的物理实现 有芙的p m d ( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层的功能转换为标准的物理层服务( p h y s e r v i c e ) ，然后提供给m a c 层。这个功能使m a c 层可以不用关心p m d 子层的具体实现细 节。 在两个物理层之间交换的数据单元是包含p s d u ( p l c ps e r v i c ed a t au n i t s ) 的p p d u ( p h y p r o l o c o l d a t au n i t s ) ，见图2 1 。而在两个m a c 层之间变换的数据单元是m p d u ( m a c s u b l a y e rp r o t o c o ld a t au n i t s ) ，每个m p d u 对应于一个在p p d u 内的p s d u 。 ( 2 ) 、p m d 子层：它的功能是定义了在两个或者更多的站点之间通过无线媒体发送和 接收数据的特点和具体实现方法。 浙江大学硕士毕业论文 ( 3 ) 、p l m e 子层：p l m e ( p h ym a n a g e m e n te n t i t y ) 的功能是协同m a c 管理单元完 成本地p h y 功能的管理。 2 2p p d u 帧格式 对p l c p 子层在发送时，会在m p d u ( 即p s d u ) 前面插入p l c pp r e a m b l e 和h e a d e r 一构成p p d u ( p h yp r o t o c o ld a t au n i t s ) ；而在接收时，将去掉m p d u 前的p l c pp r e a m b l e 和h e a d e r ，然后再进行m p d u 的解调。p p d u 的格式定义如图2 - i 所示。 li ! 】c a d c 旧麓： ! ； o s c r x c dl ，i ：n ( i r ilp a r l t 、h 1js 1 r v 】1 7 i a | l in ：! 二1 ) f i h i l私 ) i t s】o l p s 【) 1 13 a j ! j h i ，b t b 、 ( 。d c 删k 1 c o d e d , o f d m 、 p s i r i ! i 。r a i l dz c a l e d 1s i g n 【i 卜。- - 卜卜i p i c pi r e a m b l c | s t g n a i 1 2k m b o l s l ( ) n c ( ) l ：d m 瓠1 1 1 i ) 一n 甜l a b l cn u m k ro i ( ) d ：小m b o l 、 图2 - 1p l c p p p d u 帧格式 如上图所示，一个完整的p p d u 帧由前导字( p r e a m b l e ) 、s i g n a l 域以及后续的d a t a 域构成。p r e a m b l e 主要用于接收端时间同步( 帧同步) 、频偏估计以及信道估计，由十个短 训l 练符号和两个长训练符号构成，具体结构和功能介绍将在第三章中详细给出。帧头 ( h e a d e r ) 由r a t e 、r e s e r v e d 、l e n g t h 、p a r i t y 以及s e r v i c e 域构成。帧头后紧跟的是 一个独立的o f d m 符号，命名为s i g n a l ，它使用b p s k 调制方式调制发送，编码率为r = l 2 。 帧头中的s e r v i c e 域和p s d u 域( 外加六个置零的尾部位( t a i lb i t s ) 和填充位( p a db l t s ) ) 构成d a t a 域。它以r a t e 域中定义的码率发送。 r a t e ：包含了调制类型以及对应的编码速率，具体设置如下： 浙江大学硕士毕业论文 他。t t 。i 、j1 1 ) 叫 r l r i c ；l l ( j l q ji ll 1 2【 1 f j l i si h l j 2 毒 lc j | l j ：玑1 i j | - i h l t l l j l 暑：i 【) ll 表2 - 1r a t e 字段没置表 l e n g t h ：为1 2 b i t 的无符号行整数，表示当前m a c 要求p h y 发送的p s d u 的字i t 数。最低位( l s b ) 最先传送。 p a r i t y ( p ) 、r e s e r v e d ( r ) 和s i g n a lt a i l ：p p d u 中第四位保留为以后使用：第十七 位为第零位到第十六位的正校验( 偶校验) 位：第十八到第二十三位构成s i g n a l t a i l 域，必须全部设置为零。 i e e e 8 0 2t l as e r v i c e 域有十六位，第零位晟先发送。第零位到第六位设置为零，用 于接收端解扰码同步。剩下的九位以后使用，置为零。 p p d ut a i lb i t s 域：p p d ut a i lb i t s 域由六个b i t 零构成。这样做的原因是为了让发送端 卷积编码器返回到“零状态”，从而能够提高接收端卷积解码器的纠错功能( 接收端 卷积解码器解码当前b i t 时需要使用到以后的n 个b i t s ) 。 p p d up a db i t s ( p a d ) 域：按照西议规定，d a t a 域的b i l 数必须是m ：b m ( c o d e db i t s p e ro f d ms y m b 0 1 ) 的整数倍。p a d 的作用就是扩展p p d u 的氏度( 添加刮p p d u 的 末尾) ，使p p d u 的长度成为札w 5 ( d a t a b i t sp e r o f d m s y m b o l s ) 的整数倍。需要添 加的p a d 数目可以由f 列计算式确定： n s y ”= c e i l i i n g ( ( 1 6 + 8 l e n g t h + 6 ) f n d b p 0 n d a m = n s v m n m p s m h d = n d a n 一( 1 6 + 8 + l e n g t h + 6 ) 其中：n s r u 是一帧内的o f d m 符号数；是d a t a 域内的b i t 数目；m 是需要添 加的p a d 数目。c e i l i n g ( ) 是向下取整函数。 2 3 工作频率范围和工作频道数 i e e e s 0 211a 工作在5 g h z 的u - n i l ( u n l i c e n s e d n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 射 渐江大学硕士毕业论文 频频段。如图2 - 2 所示，i e e e 8 0 21 1 a 协议定义了八个可用的射频信道。每个信道的最大传 输速率为5 4 m b p s ，然而能达到的最大用户数据吞吐量只有这个数值的一半，而且该吞吐量 是统一信道内所有用户共享的。( 在数据通信由，吞吐量是指在给定时间内从一个地点成功 传送到另一地点的数据总量。) m f a n d m i d d l e u - n i l b a n d s ：8 c a r r i e r s i n2 0 0 m i - i z ，2 0 m h z s p a c i n g a ，u 饿m r l z 狱一、 5 1 5 0 5 1 8 05 2 0 05 2 2 05 2 4 05 2 6 05 2 8 05 3 0 05 3 2 05 3 5 0 l o v e e rb a n d 列牡 u p p e rb a n de d s o u p p e ru - n i lb a n d s ：4c a r r i e r si n1 0 0m h z l2 0m h 2s p a c i n g 一 5 7 2 55 7 4 55 7 6 55 7 8 55 8 0 55 8 2 5 l 。h b a n d b d g eu p p e r b 耐f a g e 图2 - 2o f d mp h y 频率信道分配方案 由于i e e e 8 0 2 1l a 能同时提供8 个可用的射频信道( i e e e 8 0 2 1 l b 只能同时提供三个可 用的射频物理信道) 、3 0 0 m 可用的操作带宽( 是i e e e 8 0 2 1 l b 的三倍) ，并且5 g h z 的频带 是独亨的u - n i l 频段，不像以前使用的2 4 g h z 的i s m 频段，必须和其他无线应用如蓝牙等 共享冈此i e e e 8 0 2 1 1 a 的5 g h z 频带抗邻频干扰的性能比i e e e 8 0 2 1 1 b 的24 g h z 频带有 明显的提高。 由图2 - 2 可知，可用的3 0 0 m h z 带宽是按照u n i l 规则划分的。整个带宽在5 g h z 频带 上被划分为不连续的两块，低端的2 0 0 m h z 带宽( 5 1 5 0 5 3 5 0 g h z ) 内分配八个子载波； 高端的1 0 0 m h z 带宽( 57 2 5 5 8 2 5 g h z ) 内分配四个子载波。每个信道的带宽为2 0 m h z 。 浙江大学硕上毕业论文 2 4p m d 发送、接收的有关规定 2 4 1p m d 发送的有关规定 以美国为例，f c c 规定5 g h zu - n i l 频段最大允许发送功率的规定如表2 - 2 所示。如发 送功率有可能大于最大允许的发送功率，则应该提供功率控制，将它切换至最大允许功率或 者更小。 此外在美国，产生的辐射还应该遵守i e e e 的未受控制频带内的辐射标准( i e e es t d c 9 51 1 9 9 1 ) 。 m a x i m u m o t l l p u lp t 、c f r l t i t l e t l e 、h a n d ；h z ) i l hu 1 ) t o6d b ih n “! n n 孔1 4 a i n i n l 、1 5 l s 52 j掣( 2 5m 、 1 l ) 与2 亏s3 s 2 【l ( i 二5n 1 、卜1 l i l s7 2 55 k 2 58 ) ( jf 5 ( ) 1 1 1 、? 、t i ，l 表2 - 2i e e e 8 0 2 11a5 g h z 频段最大发送功率的规定 此外，i e e e 8 0 2 1 l a 对发送信号的频谱也有规定，对于c 2 0 m h z f f 。1 1 m h z f c + l l m h z f f c + 2 0 m h z ，发送信号的频谱应小于一2 0 d b r ：对于e 一3 0 m h z f f 。，2 0 m h z f c + 2 0 m h z f f c + 3 0 m h z ，发送信号的频谱应小于2 8 d b r ；对于f f 。+ 3 0 m h z 发送信号的频谱应小于- 4 0 d b r ，其中是频道中心频率。发送频谱的限制如图2 3 所示。 4 1 ”7 i 1 。：1 “41 。”、j 。1 l jl | 、。，1 型- i - i - _ 图2 - 3 发送频谱的限制 浙江大学硕士毕业论文 2 4 2p m d 接收的有关规定 接收机对最4 , e g j z n 敏感性：在天线连线接头处测得的输入电平为表2 - 3 规定值时，对 于长为1 0 0 0 字节的一个p s d u ，误包率( p e r ：p a c k e t e r r o rr n e ) 最大不能超过1 0 。 m i l l i n t u t l lx c h h i i h i n a d j a r l n lc h i l i l l l l , , i a l t cj u a l c ；i t l m r r n t 1 ) t i t nj l l 1 h | l v 1 l d b i i i i r t i e c t i o ni d b l c h a r t n t lr u r c l i o l li d l l n 2 l ： 8 1 5j l 1 2 ( 】 l j二j 1 8l i - - 1s 二l ”( j 2 t i i f 、 ) ； 6 5 l 、 表2 3 接收机功能需要 接收机在最高电平处的性能：在天线连接处测得的输入电予为3 0 d b m 时，对于长为1 0 0 0 字节的一个p s d u ，对于任何基带调制方法，误包率应小于1 0 。 2 5p h y 发送接收过程简介 2 5 1p h y 发送过程 物理层p p d u 帧发送步骤由图2 - 4 所示。为了发送数据，首先使能p h y - t x s t a r tr e q u e s t 原语，使p h y 实体( p h ye n t i t y ) 进入发送状态。接着需要通过p l m e 状态管理单元设置 p h y 的丁作频率。其他发送参数，如d a t a r a t e 和t xp o w e r 等，需要通过p h y