基于NS2的802.11n D信道模型实现

1、计 算 机 工 程 第37卷 第3期Computer Engineering V ol.37 No.3文章编号：10003428(201103009903·网络与通信·2011年2月February 2011文献标识码：A中图分类号：TP393基于NS2的802.11n D信道模型实现尹春雷，文光俊，冯正勇(电子科技大学通信与信息工程学院，成都 611731摘 要：分析马尔科夫随机过程信道建模机制，研究802.11n 信道建模方案，基于查找信道容量、误包率、信噪比三者之间对应关系表格的方法，在NS2软件中实现802.11n D信道模型仿真模块。通过比较NS2仿真结果和TGn

2、 参考模型验证该模块的准确性，为后续相关802.11n 协议的研究与改进提供有效的物理层信道仿真基础。关键词：802.11n D信道模型；马尔科夫链；信道容量；误包率Implementation of 802.11n D Channel Model Based on NS2YIN Chun-lei, WEN Guang-jun, FENG Zheng-yong(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu

3、 611731, China 【Abstract 】By analyzing channel model mechanism of Markov stochastic process, the channel modeling scheme of 802.11n is studied and the simulation module of 802.11n channel model D is implemented in NS2 software environment based on corresponding Look Up Table(LUT which includes Chann

4、el Capacity(CC, Packet Error Rate(PER and Signal to Noise Ratio(SNR. It verifies the accuracy of this module through comparing simulation results with TGn standard model. The module provides efficient physical layer channel simulation foundation for the research and improvement of the 802.11n protoc

5、ol.【Key words】802.11n D channel model; Markov chain; Channel Capacity(CC; Packet Error Rate(PER DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.03.0351 概述无线局域网(WLAN技术发展迅速，但传输速度始终是阻碍其进一步发展的瓶颈，为实现高带宽、高质量的WLAN 服务，IEEE 802.11n应运而生。研究表明，MIMO-OFDM 系统对比于传统的单输入/单输出系统，能获得更高的数据率和更好的传输质量1。802.11n 正是引入了这项技术，可以将WLAN 的理论峰值传输速

6、率由目前802.1la 及802.11g 提供的54 Mb/s提高到300 Mb/s，甚至高达600 Mb/s，并可以抑制多径效应和其他信号的干扰，提高了无线通信系统的传输性能。为模拟802.11n 物理层传802.11n 任务组考虑并采纳了多种信道输技术带来的新特性，模型以反映新的传输特性。目前主要有3种网络性能分析方法：(1利用现有设备搭建真实的网络环境；(2数学建模分析；(3虚拟环境下利用软件(NS2、Opnet 等 进行网络仿真。利用现有设备搭建真实的网络环境代价太昂贵，采用数学建模分析方法又过于复杂，而使用NS2网络仿真法由于其经济性，并能完整地模拟整个网络环境，因此被研究者们广泛使

7、用。然而在NS2软件中并未包含一些特殊的物理层信道模型，如802.11n 信道模型，而实现802.11n 物理层信道的仿真，对802.11n 协议的研究与改进有着极其重要的意义。因此，本文基于NS2软件与TGn 提出的信道模型，详细介绍了802.11n 信道模型的设计方法及原理，并将该模型作为一个模块添加到NS2仿真软件中。质访问控制层进行改进，从而在介质访问控制层服务访问点提供至少100 Mb/s的速率。MIMO 技术利用多天线抑制信道衰落，其关键是能将传统通信系统中存在的不利的多径因素变成对用户通信性能有利的增强因素。在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，提高信道的可靠性

8、，降低误码率。OFDM 技术是一种多载波调制技术，该技术的核心是将信道分成许多窄频调制的正交子信道，并使每个子信道上的信号频宽小于信道的相关频宽，以减少各个载波之间的相互干扰，同时提高频谱的利用率2。802.11n 将MIMO 与OFDM 技术结合在一起，能够大幅度地提高无线通信系统的信道容量和传输速率，并有效地抵抗多径衰落、抑制干扰和噪声，是下一代无线通信系统应用的关键技术。无线通信环境存在多径衰落、多普勒频移和信道快速时变等许多不利因素，在室内这个较为复杂的电磁环境中，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中困难。针对不同的应用场合，TGn 基

9、于MIMO-OFDM 技术提出了6种(AF信道模型3，其应用范围很宽，可以在家庭、办公室、展览大厅和工业建筑等环境中使用。信道模型参数和对应环境的关系如表1所示。基金项目：广东省科学技术厅工业攻关基金资助项目(2008A010100003作者简介：尹春雷(1984 ，男，硕士研究生，主研方向：基于IP 的流媒体数据传输；文光俊，教授、博士生导师；冯正勇，博士研究生收稿日期：2010-07-25 E-mail ：yinchunlei72 TGn信道模型由于市场对性能更高的WLAN 的需求越来越大，IEEE-SA 在2003年下半年成立IEEE 802.11n任务组(802.11 TGn ，TGn

10、 将MIMO 与OFDM 技术相结合，在物理层和介100 计 算 机 工 程 2011年2月5日表1 模型参数信道模型传播路径莱斯因子K时延/ns tap数A LOS/NLOS 0/ - 0 1 B LOS/NLOS 0/ - 15 2 C LOS/NLOS 0/ - 30 2 D E FLOS/NLOS LOS/NLOS LOS/NLOS3 / - 50 3 6 / - 100 4 6 / - 150 63.1.2 信道容量随机过程信道的容量变化既有随机性，同时又有连续性(连续性是指信道容量不会在极短的时间内发生剧烈突变 。为了模拟信道容量的变化特性，Markov 生灭随机过程被认为是一个较

11、好的模拟信道容量变化的仿真方法，文献4 也推荐采用这种 方法。图1给出了一个信道容量的马尔科夫状态转移链，每个前几个模型的时延较小，适合办公室、家庭等小范围的WLAN ，后几个模型具有较大的时延，适合机场、商场等较大范围的WLAN 。模型B模型F 分别分配2个、2个、3个、4个、6个tap(散射团数 。模型A 采用单径；莱斯因子K ，在LOS(Line Of Sight时只对第1个tap 取有限值，其他taps 时K = - dB。与小范围的应用场所相比大范围的应用场所的K 值较大。路径损耗表达式如下式： L (d =L FS (d , d d BPL (d =L FS (d BP +3.5l

12、g(d /d BP , d >d BP (1 各种信道模型传输损耗参数如表2所示。表2 路径损耗模型参数模型 d d BP 前的d BP 后的d BP 前的阴影d BP 后的阴影BP /m斜率斜率衰落/dB衰落/dBA 5 2 3.5 3 4 B 5 2 3.5 3 4 C 5 2 3.5 3 5 D 10 2 3.5 3 5 E 20 2 3.5 3 6 F 30 23.536其中，d BP 是断点距离，用于判断收发机路径之间是否存在直射分量LOS ；L FS 为自由空间路径损耗。在实际应用过程中，需要根据当前的应用环境，选择合适的信道模型与参数模拟无线信道传输性能，以提高仿真的有效性

13、。因此，针对当前的仿真场景，如何恰到好处地选择信道模型显得尤为重要。3 基于马尔科夫链802.11n D信道模型设计3.1 设计原理信道容量是评价信道性能的综合性指标，是各态历经的随时间变化的随机过程。在某一时刻，通过信道容量(Channel Capacity, CC的值，可以估计物理层的误包率(Packet Error Rate, PER，建立PER 与CC 之间的关系，为MAC 层是否丢包提供决策依据4。3.1.1 信道容量与误包率信道容量描述的是在给定的信噪比和信道带宽条件下，信道无差错传输的最大速率。物理层影响MAC 层误包率这一指标的因素有很多，如噪声、衰落、多径效应等。物理层的这些

14、因素制约了通信系统的信道容量。文献4指出信道容量是估计物理层性能的一个合适的指标，如果能建立PER 与CC 之间的关系，产生CC 随时间变化的随机过程，则可以根据当前时刻CC 的值估计此时刻信道的PER 。文献4没有给出误包率与信道容量关系的解析表达式，而是通过实验证实两者间的关系，并给出了一些典型值。因此，在基于NS2的网络仿真中，无法直接利用信噪比等物理信道参数直接推出误包率供MAC 层决策。而是通过物理层抽象出信道模型的参数，建立查找表(Look Up Table, LUT的方法实现的。状态对应一个信道容量值，连续状态的信道容量值间隔为 C b/s/Hz，信道容量变化过程近似于一个步进过

15、程。 图1中的马尔科夫状态转移图的转移概率矩阵见式(2：1,11,200=2,12,22,30. (2 0.00N 1, NN , N i , i +1(i -1 描述的是系统由一个状态转换到前一个或后一个状态的概率，当用于仿真信道容量的变化时，其意义是信道容量增加或者减少C b/s/Hz的可能性。这一状态转移概率可以根据简单的统计分析，由相应的CC 值的等效马尔科夫生灭过程产生，也可以根据信噪比、传输距离等参数由合理的信道模型算出3。 3.2 算法实现在NS2中的物理层进行误包仿真分为2步：(1为每一个无线链路建立马尔科夫链，仿真其信道容量；(2查误包率、信噪比、信道容量关系表，得到误包率，

16、再按此概率进行随机试验，确定接收到的包是否错误。这一过程如图2所示。 图2 MAC仿真器物理层误包仿真方法图2说明了物理层仿真的过程。首先根据传播距离、阴影传播模型及收发天线数等参数推出平均信噪比；然后由信噪比查找马尔科夫转移概率表，根据表中的转移概率生成马尔科夫链，该马尔科夫链的状态值代表信道容量，该容量是一个满足马尔科夫生灭过程的随机变量；最后判断该容量与物理层的频谱效率之间的大小关系，由此关系确定现在收到的包是否错误。4 仿真验证基于上文介绍的算法，在NS2软件物理层实体处添加了802.11n D信道模型模块，模拟该无线网络中数据包在发送过程中可能发生的包错误。仿真网络拓扑如图3所示。其

17、中，有线节点0与基站1之间为有线连接，节点0发送的数据包经过基站1传送至无线节点2(无错误重传机制 。在基站1和无线节点2之间采用802.11n D信道模型模拟包的传输错误。第37卷 第3期 尹春雷，文光俊，冯正勇：基于NS2的802.11n D信道模型实现 101 其信道模型收发天线数为4×4，天线间隔为0.5 ，载波频率为5.25 GHz；时隙t =1 ms，信道容量步长为1 b/s/Hz。 图3 网络拓扑结构在无直视(NLOS的环境下，基于图3所示的网络拓扑，进行大数量级(108 数据包传输仿真实验，统计信道内部特性数据，测试结果如下所示。(1信道容量概率密度函数在仿真过程中，

18、在不同的信噪比(SNR 下，统计信道容量状态值出现的次数，从而得到了信道容量出现的概率，仿真结果如图4 所示。 图4 仿真测得的信道容量概率密度曲线在图4中，f (C 表示分别在不同的SNR (单位：dB 下，信道容量为各个状态值的概率。(2信道容量累积分布函数在不同的SNR 下，由信道容量的概率密度函数统计其累积分布函数。P 表示在SNR (单位：dB 分别为 8、 10 、 12、14、16、18时信道容量的累积分布概率。结果如图5所示。 图5 仿真测得的累积分布函数曲线(3信道容量转移特性随着时间变量的变化，信道容量的值也在不断地变化。仿真过程中记录了在不同的时刻下信道容量的状态值，得到了信道容量转移特性曲线。仿真结果如图6所示。14 131211 10 92.02.22.42.62.83.03.23.43.6 3.84.0时间 /s图6 仿真测得的信道容量转移曲线 (4误包率(PER统计 在不同的频谱效率seff (单位： b/s/Hz下，统计了数据包通过此信道传输的包错误概率 PER ，统计结果如图 7所示。 图7 仿真测得的误包率曲线仿真实验测得了反映信道内部特性的统计数据：不同SN