IEEE 802.11b-Mehrwegekanalsimulation

Multipath-Modelle



In diesem Artikel untersuchen wir die Umweltauswirkungen auf den Empfang von IEEE 802.11b-Signalen in einer Raumumgebung. Der Einfluss von drei Arten von Funkwellenausbreitungskanälen wird betrachtet: der Gauß-Kanal, der Reiskanal und der Rayleigh-Kanal.

Das Funksignal kann auf dem Ausbreitungsweg von der Quelle zum Empfänger auf Hindernisse stoßen. In diesem Fall kann das Signal von diesen absorbiert oder reflektiert werden. Das reflektierte Signal erreicht den Empfänger, dies geschieht jedoch zu spät. Andererseits kann der Rest der Signalenergie in kürzerer Zeit ohne erneute Reflexion zum Empfänger gelangen oder mehr Reflexionen durchlassen, was wiederum zu noch größeren Verzögerungen führt. Dieser Effekt tritt auf, wenn mehrere Signalübertragungswege zwischen der Quelle und dem Empfänger auftreten. In diesem Fall wird die Signalenergie ungleichmäßig zwischen den Kopien des Signals verteilt. Diese Signalausbreitung wird als Mehrwegeausbreitung bezeichnet.

Die Studie beinhaltet eine Analyse des Einflusses verschiedener Eigenschaften wie Doppler-Verschiebung, Laufzeitverzögerung, Rückreflexion und Dämpfung durch Signalleistung auf dem Mehrwegekanal. Das Ergebnis der Studie ist die Charakteristik der Wahrscheinlichkeit von Signalfehlern bei verschiedenen Übertragungsraten.

Ein Gauß-Kanal ist ein Kanal mit additivem weißen Gauß-Rauschen. Dieser Kanal ist ein idealer Kanal ohne Fading und Multipath. Dieser Kanal dient als Maß für die Beurteilung der Qualität des implementierten Algorithmus zum Empfang von Signalen, die Auswertung erfolgt nach dem Merkmal der Fehlerwahrscheinlichkeit pro Informationsbit (BER).

Die berechnete BER-Charakteristik kann unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden:
für DBPSK-Signale (1)
für DQPSK-Signale
Dabei ist Q_1 (a, b) eine Markov-Q-Funktion und I_0 (ab) eine Bessel-Funktion der ersten Art mit den Parametern a und b:
(2)
BER für CCK-codierte Signale ist definiert als:
(3)

Zusätzlich zu Rayleigh- und Rice-Kanälen Die additive Komponente des Geräusches enthält multiplikative Geräusche, die durch Rückreflexionen und Bewegungen von Objekten im Medium verursacht werden. Der Durchgang eines Signals durch einen Kanal kann wie folgt dargestellt werden:
Additiver Gauß-Kanal: (Direkte Sichtbarkeit, keine reflektierten Signale).
Reiskanal: (Sichtlinie, es gibt reflektierte Signale).
Rayleigh-Kanal: (Keine Sichtlinie, empfängt nur reflektierte Signale).

Das Signal wird gemäß dem IEEE 802.11b-Standard gebildet, das Filter „Root from the Raised Cosine“ wird als Shaping- und Matched-Filter ausgewählt. Mit Filtern werden Intersymbolstörungen beseitigt (Abb. 4 und Abb. 5). Das Signal wird nach einem eigenen Algorithmus empfangen. Alle Algorithmen werden auf MATLAB R. Sprache ausgeführt

Abb.4 Konstellation nach dem Durchgang des Kanals

Fig. 5 Signalkonstellation nach dem Matched Filter

Um in der Matlab-Umgebung Kanalmodelle zu bilden, müssen Sie die folgenden Funktionen verwenden: awgn - für den Gauß-Additivkanal, ricianchan und rayleighchan - für den Rice- bzw. Rayleigh-Kanal.
Der Rice-Kanal zeichnet sich durch die folgenden zusätzlichen Parameter aus: Fading, Doppler-Shift-Frequenz, Rice-Koeffizient des Leistungsverhältnisses in den Strahlen sowie Dämpfung. Der Rayleigh-Kanal zeichnet sich durch die gleichen Effekte aus wie der Rice-Kanal, der Unterschied zwischen diesen Kanälen ist jedoch das Fehlen eines direkten Strahls vom Sender zum Empfänger.

Der Doppler-Effekt tritt bei der Relativbewegung von Empfänger und Sender oder beim Bewegen von Objekten im Signalausbreitungspfad auf. Da dieser Standard für die Signalübertragung in Innenräumen vorgesehen ist, kann im Rice-Kanal die Doppler-Frequenz auf f_d = 11 Hz eingestellt werden, was einer Empfängergeschwindigkeit von 5 km / h bei einer Trägerfrequenz von 2,4 GHz entspricht. Ist die Frequenz der Doppler-Verschiebung ungleich Null, werden die Signalkonstellationen verwischt (Abb. 5).

Die Werte für Dämpfung und Verzögerung bei der Ausbreitung von Signalen in Mehrwegekanälen wurden aus [6] entnommen und speziell für Signale des Standards IEEE 802.11 untersucht. In diesem Artikel werden die Werte von drei verschiedenen Modellen angegeben:
Modell A - ein typischer Büroraum mit der Bedingung der fehlenden direkten Sichtbarkeit, der mittleren quadratischen Ausbreitungsverzögerung von 50 ns.
Modell B - Freiflächen oder große Büroflächen, keine direkte Sichtverbindung, RMS-Verzögerung 100 ns.
Modell C - große Räume (innen und außen), keine direkte Sichtlinie, effektive Verzögerung von 150 ns.
In dieser Arbeit wird Modell B verwendet, für das die folgenden Parameter charakteristisch sind:
Für den Reiskanal:
f_d = 11 Hz; K = 20;
τ_i = [0 10 20 30 40] (ns); α_i = [0 -5,4 -10,8 -16,2 -21,7] (dB)
Für den Rayleigh-Kanal:
f_d = 11 Hz;
τ_i = [10 20 30 40] (ns); α_i = [- 5,4 -10,8 -16,2 -21,7] (dB)
Im Rayleigh-Kanal fehlen Nullkomponenten aufgrund des Fehlens eines direkten Strahls.
Nach dem Durchlaufen des Kanals wird das Signal dem Eingang des Empfängers zugeführt.
Der Empfangsalgorithmus kann bei Bedarf angegeben werden.

Simulationsergebnisse


Bei der Berechnung der Störfestigkeitscharakteristika wurden 50.000 Informationsbits übertragen, die durch DSSS (1 und 2 Mb / s) und CCK (5,5 und 11 Mb / s) codiert wurden. Zur Berechnung der Eigenschaften wurde das Signal auf eine Leistung von 1 Watt reduziert. Es wurden die Störfestigkeitseigenschaften für drei Kanäle erhalten: den Gaußschen Kanal, den Reiskanal und den Rayleigh-Kanal (Fig. 6-8). Die Wahl der Parameter für jeden Kanal ist oben angegeben.


Abb. 6 Immunitätscharakteristik für den Gaußschen Kanal.


Abb. 7 Immunitätsmerkmal für den Reiskanal.


Abb. 8 Störfestigkeit für den Rayleigh-Kanal.

In Abb. 6-8 Das Signal-Rausch-Verhältnis wird in Dezibel (Abszisse) angegeben. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Störfestigkeit eines 802.11b-Signals in Mehrwegekanälen für große Räume oder Freiflächen. Die Frequenz der Doppler-Verschiebung innerhalb von 120 Hz hat keinen großen Einfluss auf die BER-Reaktion.

Der Unterschied in den Eigenschaften der Rice- und Rayleigh-Kanäle ist auf das Fehlen eines direkten Strahls im Rayleigh-Kanal vom Sender zum Empfänger zurückzuführen.

Das Rauschimmunitätsmerkmal in Abhängigkeit vom K-Koeffizienten (Reiskoeffizienten) für den Reiskanal: (Abb. 9).

Abb. 9 Abhängigkeit der BER-Kennlinie vom K-Koeffizienten im Reiskanal.

Aus dieser Eigenschaft ist ersichtlich, dass sich die Eigenschaft mit einer Zunahme des Verhältnisses der Leistung der Hauptleitung zur Leistung der reflektierten Strahlen verbessert. Bei K = 0 existiert kein direkter Strahl, es werden nur reflektierte Strahlen empfangen, was der Charakteristik des Rayleigh-Kanals entspricht.

Referenzliste

1. IEEE 802.11-2007 (Überarbeitung des IEEE-Standards 802.11-1999) NY 10016-5997, USA
2. „Grundlagen zum Aufbau von 802.11-WLANs“, Pageman Roshan, Jonathan Lieri, Ed. Cisco Press 2004
3. „Modern Wireless Technologies“ IV Shakhnovich, 2. Aufl. "Technosphere" 2006, 288 p.
4. "Breitbandige drahtlose Informationsübertragungsnetze" V. M. Wischnewski, A. I. Lyachow, S. L. Portnoi, I. V. Schachnowitsch, Izd. "Technosphere" 2005, 591 s.
5. "Grundlagen lokaler Netzwerke" Novikov Yu.V., Kondratenko SV Internet-Universität für Informationstechnologien - INTUIT.ru, 2005
6. „TGn-Kanalmodelle“, Vinko Erceg, Laurent Schumacher, 2004, 45 S.
7. „Simulation von Kommunikationssystemen“, Jeruchim, MC, Balaban, P., und Shanmugan, KS, 2. Auflage, New York, Kluwer Academic / Plenum, 2000

Dies ist Teil meiner Diplomarbeit zum Thema „Entwicklung eines Simulationsmodells der Bildung, Verteilungswege und Signale von IEEE 802.11b-Netzwerken empfangen, "weil die Arbeit groß ist, habe ich nicht alles veröffentlicht, sondern in der Tat nur die Schlussfolgerungen veröffentlicht.

Ich werde versuchen, alle Ihre Fragen zu beantworten. Ich kann helfen und die Quelle auf Matlab stellen, falls jemand sie benötigt.

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