WiFi无线局域网中物理层接收部分的分析与设计
WiFi无线局域网中物理层接收部分的分析与设计[20191213093232]
摘 要
人们对无线局域网传输速率的要求自其产生以来可说是越来越高。最初的IEEE 802.11传输速率最高只能达到2Mbps，与有线局域网相比是很低的。随着科学技术的进步，2Mbps的传输速率己经很难满足人们对数据高速传输的需求。在这方面，IEEE在原有的基础上，引进了新版本的WLAN。 在这其中IEEE802.11b的标准是现在最广泛使用的。
DSSS技术本身的优越性，使其成为未来通信方式的主流。而DSSS系统实扩频通信系统应用广泛的一种方式，本文分析了DSSS系统系统的基本通信原理，说明其抗干扰的性能。
整个设计的无线局域网物理层接收系统，共分为高斯信道模块、前端滤波模块、下采样模块、延时模块、解调模块和分帧模块，分别完成了加入高斯噪声、对信号进行前端滤波、信号的下采样、找到接收信号的每个码元、解调接收的信号和将解调出来比特数据帧信号分为PLCP和PSDU数据信号等功能，最大程度的恢复原始的发送数据。
最后在SIMULINK平台上对整个系统进行了仿真测试。对得到的输出仿真波形进行分析，对不符合要求的模块进行改进。对系统的仿真中，我得到了接收信号的频谱图、眼图、散布图和接收端信号传送速率及解调后得到的比特数据的传输速率。在接收端输出信噪比使其达到18db。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字IEEE802.11bDSSSPLCPPSDUSIMULINK
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1 WIFI IEEE802.11b体系结构 1
1.1.1 体系结构组件 1
1.1.2 IEEE 802.11的历史 2
1.1.3 IEEE 802.11层次描述 3
1.2 DSSS系统的理论基础及其优越性 5
1.3 仿真软件MATLAB概述 6
1.4本文主要工作 8
第二章 IEEE 802．11 b基带物理层规范 9
2.1 IEEE 802．11 b的物理层参考模型 9
2.2 物理层的信道评估和载波侦听 10
2.3 直接序列扩频的物理汇聚子层(PLCP) 11
2.3.1 SFD域 12
2.3.2 SYNC域 12
2.3.3 SlGNAL域 12
2.3.4 SERVICE域 12
2.3.5 LENGTH域 13
2.3.6 CRC域 13
2.4 直接序列扩频的物理依赖子层(PMD) 14
2.4.1 有关PMD发送的规定 15
2.4.2对PMD接收的有关规定 15
第三章 802.11b中DSSS系统各种检测算法 16
3.1 DSSS系统模型 17
3.2 DSSS/OQPSK 18
3.3 DSSS系统检测算法分析 20
3.3.1 时域相关检测 20
3.3.2 循环谱检测 22
3.3.3 高阶统计量检测 23
第四章IEEE802.11b物理层接收部分的设计及仿真实现 27
4.1接收部分组成 27
4.2 整形和采样模块 28
4.2.1 脉冲整形滤波 28
4.2.2 下采样 29
4.3 延时模块 29
4.4 解调模块 30
4.4.1 PLCP解调模块设计 30
4.4.2 PSDU解调模块设计 31
4.5 PLCU与PSDU分离模块 32
4.6仿真输出波形及分析 33
4.6.1 接受频谱图及分析 33
4.6.2 接收眼图及分析 33
4.6.3 接收散布图及分析 35
第五章 总结与展望 36
参考文献 37
致 谢 38
附 录 39
IEEE802.11b物理层仿真结构图 39
第一章 绪 论
人类源源不断的需求经常催生令人兴奋的新技术。从1896年意大利物理学家马可尼发明无线电报开始，一个多世纪后，无线通信技术得到了前所未有的开发和利用。从最早的无线电广播，卫星电视，从第一代手机采用模拟技术到今天的3G手机，无线通讯已成为家家户户日常生活的重要组成部分。
互联网在上个世纪末以来飞速发展。不可置疑，网络已经在改变人们以往的的工作和生活方式。人们使用互联网收发e-mail，看新闻，关注朋友和亲人。网络正在用它近乎神奇的方式，使整个世界联系的越来越密切。可以毫不夸张地说，无线和网络技术，使得整个人类的文化形态和生活方式发生了巨大的变化。更令人兴奋的是，无线局域网（Wireless Local Area Networks）将无线及网络两个伟大的技术紧密地联系在了一起。在过去的几年中，以IEEE802.11b为代表的WIFI无线网络，使人们不需要用任何电缆，就可以在有限的空间连接到互联网的任何地方，这将互联网应用提升到一个新的高度。从Intel“迅驰”芯片到VolP电话，基于WLAN的一些相关产品更是层出不穷。
1.1 WIFI IEEE802.11b体系结构
1.1.1 体系结构组件
802.11网络（LAN）系统被细分成单元，建立在一个蜂窝结构体的顶部。每一个单元（称为基本服务集或BBS）都是被无线接入点（无线基站）所控制。
虽然大多数的装备是由一个和某种骨干网（分布式系统或者DS）相连的无线AP以及若干个BBS构成的，但是一个无线局域网可以只由一个BBS和一个的无线AP构成，。有的时候主干网也会是无线网，而以太网是典型的主干网。
纵观整个的互联无线局域网，包含种类繁多的BBS，在该规范中被称作ESS（扩展服务集）。和他们相对应的分布式系统整体以及无线接入点分布式系统整体被OSI参考模型的上层视为一个独立的 802.11网络。
下面的这幅结构图包括了上述的所有组件，是一个典型的802.11局域网：
分布式系统
图1.1：典型的802.11局域网
门户这个词也在本规范中被定义。单个802.11局域网和单个802局域网相互联结起来的设备就是一个门户。本概念抽象描述了一个起转换作用的网桥的部分功能。
虽然门户对于规范来说不是不可或缺的，但是典型的装备都将无线AP和门户集成在了一个物理设备上。无线接入点提供了这两个功能，这也是BreezeCOM公司的的情形。
Ad．hoc (独立组网)和Infrastructure (骨干网)的组网方式是IEEE 802．11支持两种最基本的组网方式。 STA间采用peer to peer (点对点)的方式通信
1.1.2 IEEE 802.11的历史
IEEE802.11工作组的IEEE执行委员会早在1990年就成立了，成立初的目的旨在统一规范无线局域网标准，然后就产生了一系列的IEEE802.11标准。在IEEE802.11系列的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）两个领域上，工作组制定了技术规范协议。
无线局域网物理层提供传输速率，信号和其他方面的基本准则：在物理（PHY）层的基础上，媒体访问控制层（MAC）提出了一些应用程序要求规范。IEEE802.11无线局域网标准在1997年正式推出。 802.11物理层采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频）进行数据传输，可以提供基带1Mbps和2Mbps的数据速率。
经过多年的发展，IEEE已推出了一系列的不同侧重点的、不同版本的802.11协议，如A，B，G。这些不同版本的协议在物理层使用了更先进的调制技术，支持更高的数据速率。在媒体访问控制层做了微小的调整。
推出于1999年的802.11b，在包括2．4GHzjSM频段和5GHz U．Nil频段的802．11a频段工作。其中引正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术的802.11a，可提供的数据传输速率最高达54Mbps；802.11b中的补偿码键控（CCK，Complementary Code Keying）调制可以提供的数据传输速率最高达11Mbps，但也可根据情况在11 Mbps， 5.5 Mbps，2 Mbps，1 Mbps的不同的速率之间自动切换。它从根本上改变了无线局域网的应用和设计，使得无线局域网的应用范围得到扩展。这一系列协议参数的比较的基本属性见表1.1。
表1.1 802.11系列协议基本性能对比
协议种类 802.11 802.11b 802.11a 802.11g
频率 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4GHz
最高速率 2Mbps 11Mbps 54Mbps >20Mbps
调制方式 FHSS,DSSS, infared DSSS,CCK OFDM CCK,OFDM
业务 数据，语音 数据，语音， 图像 数据，语音， 图像 数据，语音， 图像
1.1.3 IEEE 802.11层次描述
和任何的802.x协议一样，802.11协议包括了介质访问控制层（MAC层）和物理层（PHY层）。该协议当前定义了一个单独的MAC层，该MAC层和三个PHY层相互作用，每个PHY层都工作在1Mbit/s和2Mbit/s，如下所述：
（1） 在2.4GHz频段的跳频展频（FHSS）
（2） 在2.4GHz频段的直序展频（DSSS）
（3） 红外
表1.2
802.2 数据链路层
802.11 MAC层
跳频 直序展频 红外 物理层
介质访问控制层除了完成的标准功能外，也有多种其他功能，如分片，分组转发和确认。这些功能本来是和更高级别的协议有关的。
数据链路层（DLL）中的和物理（PHY）和介质访问控制（MAC）子层在IEEE802.11协议中有了规定，并且IEEE802.11给出的对应OSI网络模型的WLAN中各个子层的位置。介质访问控制层对应于OSI参考模型的DLL的最低一层，而PLCP层（物理会聚子层）和PMD层（物理依赖予层）应该对应OSI参考模型的物理层。介质访问控制(MAC)子层，主要通过LLC（逻辑链路控制子层）的支持，提供访问控制功能给共享介质的物理层。 MAC子层的将其中的数据打包成为帧，每个帧（称为MPDU， MAC protocoldata unit）是2048个字节的长度，帧头（header）加到MPDU的前面，再加到前同步码（preamble）后面，最后一起传到物理层。
图1.2 IEEE 802．11与OSI模型的对应
1.2 DSSS系统的理论基础及其优越性
在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)概念的系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者Claude E.Shannon在20世纪40年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式[5]：
（1.1）
式中：C是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W为信道带宽；N为白噪声的平均功率；P是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。设Bs表示传输信号时所占有的带宽(信号带宽)，B0表示原始信号(信息带宽)，则可以把通信系统按Bs/B0的比值分为三类[5]：
（1.2）
由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。
另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式[13]为：
（1.3）
式中： 为差错概率，E为信号能量，N0为噪声功率谱密度。
（1.4）
式中：为T为信息持续时间，△F为信息带宽
（1.5）
因此，可通过提高处理增益GP降低对S/N的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。
摘 要
人们对无线局域网传输速率的要求自其产生以来可说是越来越高。最初的IEEE 802.11传输速率最高只能达到2Mbps，与有线局域网相比是很低的。随着科学技术的进步，2Mbps的传输速率己经很难满足人们对数据高速传输的需求。在这方面，IEEE在原有的基础上，引进了新版本的WLAN。 在这其中IEEE802.11b的标准是现在最广泛使用的。
DSSS技术本身的优越性，使其成为未来通信方式的主流。而DSSS系统实扩频通信系统应用广泛的一种方式，本文分析了DSSS系统系统的基本通信原理，说明其抗干扰的性能。
整个设计的无线局域网物理层接收系统，共分为高斯信道模块、前端滤波模块、下采样模块、延时模块、解调模块和分帧模块，分别完成了加入高斯噪声、对信号进行前端滤波、信号的下采样、找到接收信号的每个码元、解调接收的信号和将解调出来比特数据帧信号分为PLCP和PSDU数据信号等功能，最大程度的恢复原始的发送数据。
最后在SIMULINK平台上对整个系统进行了仿真测试。对得到的输出仿真波形进行分析，对不符合要求的模块进行改进。对系统的仿真中，我得到了接收信号的频谱图、眼图、散布图和接收端信号传送速率及解调后得到的比特数据的传输速率。在接收端输出信噪比使其达到18db。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字IEEE802.11bDSSSPLCPPSDUSIMULINK
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1 WIFI IEEE802.11b体系结构 1
1.1.1 体系结构组件 1
1.1.2 IEEE 802.11的历史 2
1.1.3 IEEE 802.11层次描述 3
1.2 DSSS系统的理论基础及其优越性 5
1.3 仿真软件MATLAB概述 6
1.4本文主要工作 8
第二章 IEEE 802．11 b基带物理层规范 9
2.1 IEEE 802．11 b的物理层参考模型 9
2.2 物理层的信道评估和载波侦听 10
2.3 直接序列扩频的物理汇聚子层(PLCP) 11
2.3.1 SFD域 12
2.3.2 SYNC域 12
2.3.3 SlGNAL域 12
2.3.4 SERVICE域 12
2.3.5 LENGTH域 13
2.3.6 CRC域 13
2.4 直接序列扩频的物理依赖子层(PMD) 14
2.4.1 有关PMD发送的规定 15
2.4.2对PMD接收的有关规定 15
第三章 802.11b中DSSS系统各种检测算法 16
3.1 DSSS系统模型 17
3.2 DSSS/OQPSK 18
3.3 DSSS系统检测算法分析 20
3.3.1 时域相关检测 20
3.3.2 循环谱检测 22
3.3.3 高阶统计量检测 23
第四章IEEE802.11b物理层接收部分的设计及仿真实现 27
4.1接收部分组成 27
4.2 整形和采样模块 28
4.2.1 脉冲整形滤波 28
4.2.2 下采样 29
4.3 延时模块 29
4.4 解调模块 30
4.4.1 PLCP解调模块设计 30
4.4.2 PSDU解调模块设计 31
4.5 PLCU与PSDU分离模块 32
4.6仿真输出波形及分析 33
4.6.1 接受频谱图及分析 33
4.6.2 接收眼图及分析 33
4.6.3 接收散布图及分析 35
第五章 总结与展望 36
参考文献 37
致 谢 38
附 录 39
IEEE802.11b物理层仿真结构图 39
第一章 绪 论
人类源源不断的需求经常催生令人兴奋的新技术。从1896年意大利物理学家马可尼发明无线电报开始，一个多世纪后，无线通信技术得到了前所未有的开发和利用。从最早的无线电广播，卫星电视，从第一代手机采用模拟技术到今天的3G手机，无线通讯已成为家家户户日常生活的重要组成部分。
互联网在上个世纪末以来飞速发展。不可置疑，网络已经在改变人们以往的的工作和生活方式。人们使用互联网收发e-mail，看新闻，关注朋友和亲人。网络正在用它近乎神奇的方式，使整个世界联系的越来越密切。可以毫不夸张地说，无线和网络技术，使得整个人类的文化形态和生活方式发生了巨大的变化。更令人兴奋的是，无线局域网（Wireless Local Area Networks）将无线及网络两个伟大的技术紧密地联系在了一起。在过去的几年中，以IEEE802.11b为代表的WIFI无线网络，使人们不需要用任何电缆，就可以在有限的空间连接到互联网的任何地方，这将互联网应用提升到一个新的高度。从Intel“迅驰”芯片到VolP电话，基于WLAN的一些相关产品更是层出不穷。
1.1 WIFI IEEE802.11b体系结构
1.1.1 体系结构组件
802.11网络（LAN）系统被细分成单元，建立在一个蜂窝结构体的顶部。每一个单元（称为基本服务集或BBS）都是被无线接入点（无线基站）所控制。
虽然大多数的装备是由一个和某种骨干网（分布式系统或者DS）相连的无线AP以及若干个BBS构成的，但是一个无线局域网可以只由一个BBS和一个的无线AP构成，。有的时候主干网也会是无线网，而以太网是典型的主干网。
纵观整个的互联无线局域网，包含种类繁多的BBS，在该规范中被称作ESS（扩展服务集）。和他们相对应的分布式系统整体以及无线接入点分布式系统整体被OSI参考模型的上层视为一个独立的 802.11网络。
下面的这幅结构图包括了上述的所有组件，是一个典型的802.11局域网：
分布式系统
图1.1：典型的802.11局域网
门户这个词也在本规范中被定义。单个802.11局域网和单个802局域网相互联结起来的设备就是一个门户。本概念抽象描述了一个起转换作用的网桥的部分功能。
虽然门户对于规范来说不是不可或缺的，但是典型的装备都将无线AP和门户集成在了一个物理设备上。无线接入点提供了这两个功能，这也是BreezeCOM公司的的情形。
Ad．hoc (独立组网)和Infrastructure (骨干网)的组网方式是IEEE 802．11支持两种最基本的组网方式。 STA间采用peer to peer (点对点)的方式通信
1.1.2 IEEE 802.11的历史
IEEE802.11工作组的IEEE执行委员会早在1990年就成立了，成立初的目的旨在统一规范无线局域网标准，然后就产生了一系列的IEEE802.11标准。在IEEE802.11系列的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）两个领域上，工作组制定了技术规范协议。
无线局域网物理层提供传输速率，信号和其他方面的基本准则：在物理（PHY）层的基础上，媒体访问控制层（MAC）提出了一些应用程序要求规范。IEEE802.11无线局域网标准在1997年正式推出。 802.11物理层采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频）进行数据传输，可以提供基带1Mbps和2Mbps的数据速率。
经过多年的发展，IEEE已推出了一系列的不同侧重点的、不同版本的802.11协议，如A，B，G。这些不同版本的协议在物理层使用了更先进的调制技术，支持更高的数据速率。在媒体访问控制层做了微小的调整。
推出于1999年的802.11b，在包括2．4GHzjSM频段和5GHz U．Nil频段的802．11a频段工作。其中引正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术的802.11a，可提供的数据传输速率最高达54Mbps；802.11b中的补偿码键控（CCK，Complementary Code Keying）调制可以提供的数据传输速率最高达11Mbps，但也可根据情况在11 Mbps， 5.5 Mbps，2 Mbps，1 Mbps的不同的速率之间自动切换。它从根本上改变了无线局域网的应用和设计，使得无线局域网的应用范围得到扩展。这一系列协议参数的比较的基本属性见表1.1。
表1.1 802.11系列协议基本性能对比
协议种类 802.11 802.11b 802.11a 802.11g
频率 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4GHz
最高速率 2Mbps 11Mbps 54Mbps >20Mbps
调制方式 FHSS,DSSS, infared DSSS,CCK OFDM CCK,OFDM
业务 数据，语音 数据，语音， 图像 数据，语音， 图像 数据，语音， 图像
1.1.3 IEEE 802.11层次描述
和任何的802.x协议一样，802.11协议包括了介质访问控制层（MAC层）和物理层（PHY层）。该协议当前定义了一个单独的MAC层，该MAC层和三个PHY层相互作用，每个PHY层都工作在1Mbit/s和2Mbit/s，如下所述：
（1） 在2.4GHz频段的跳频展频（FHSS）
（2） 在2.4GHz频段的直序展频（DSSS）
（3） 红外
表1.2
802.2 数据链路层
802.11 MAC层
跳频 直序展频 红外 物理层
介质访问控制层除了完成的标准功能外，也有多种其他功能，如分片，分组转发和确认。这些功能本来是和更高级别的协议有关的。
数据链路层（DLL）中的和物理（PHY）和介质访问控制（MAC）子层在IEEE802.11协议中有了规定，并且IEEE802.11给出的对应OSI网络模型的WLAN中各个子层的位置。介质访问控制层对应于OSI参考模型的DLL的最低一层，而PLCP层（物理会聚子层）和PMD层（物理依赖予层）应该对应OSI参考模型的物理层。介质访问控制(MAC)子层，主要通过LLC（逻辑链路控制子层）的支持，提供访问控制功能给共享介质的物理层。 MAC子层的将其中的数据打包成为帧，每个帧（称为MPDU， MAC protocoldata unit）是2048个字节的长度，帧头（header）加到MPDU的前面，再加到前同步码（preamble）后面，最后一起传到物理层。
图1.2 IEEE 802．11与OSI模型的对应
1.2 DSSS系统的理论基础及其优越性
在传统的无线电通信系统中，信号的格式的设计是：在保证通信质量的前提下，为了在系统所能使用的射频频带中能尽可能多地传输信息，所以要求信号的带宽不要过宽，一般信号带宽与信息的带宽是接近的，传统的无线电通信系统就是采用这种窄带信号(Sn)概念的系统，称之为窄带系统。在扩频通信系统中，信号格式的设计思想与窄带概念是信息论的奠基者Claude E.Shannon在20世纪40年代提出的。根据无线传输信道容量的理论公式[5]：
（1.1）
式中：C是信道可能传输的最大信息速率，即信道容量；W为信道带宽；N为白噪声的平均功率；P是信号的平均功率。从上式中可以看出：在信噪比很小的条件下，可以用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话讲，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量。设Bs表示传输信号时所占有的带宽(信号带宽)，B0表示原始信号(信息带宽)，则可以把通信系统按Bs/B0的比值分为三类[5]：
（1.2）
由于扩频技术在传输扩频信号时，并不增加发射信号的平均功率，仅是将要传输的信号的频带扩展后，再进行传输的。因此扩频通信系统在信道上传输的信号功率谱密度就很低。这种系统可以在信噪比很小的情况下，甚至在信号已被噪声淹没的情况下，仍可保持可靠的通信。
另外，根据柯捷尔尼可夫关于信息差错传输概率的公式[13]为：
（1.3）
式中： 为差错概率，E为信号能量，N0为噪声功率谱密度。
（1.4）
式中：为T为信息持续时间，△F为信息带宽
（1.5）
因此，可通过提高处理增益GP降低对S/N的要求，在强干扰条件下保证可靠安全的通信。
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