WiFi无线局域网物理层发送部分的分析与设计

WiFi无线局域网物理层发送部分的分析与设计[20191213091538]
摘 要
随着IEEE802.11系列无线局域网标准的发布,无线局域网获得了飞速的发展,WiFi作为一个建立于IEEE 802.11标准的无线局域网络(WLAN)设备,是目前应用最为普遍的一种短程无线传输技术。WiFi的全称是Wireless?Fidelity,无线保真技术。与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是2.4GHz附近的频段,该频段目前尚属没有许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个,分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。也常有人把WiFi当做IEEE 802.11标准的同义词术语。目前越来越多的厂家增加对WiFi技术的投入,从研究开发到市场推广,WiFi在通信市场中所占的份额也在逐步提高。
本次设计主要研究的是IEEE802.11b基带物理层的相关技术,包括WiFi的物理层结构,特别是发送部分的原理框架,QPSK和DQPSK调制技术,直接序列扩频(DSSS)技术的研究等,并利用MATLAB软件建立模型进行仿真分析。具体仿真的结果会呈现在在文章的最后。
本论文设计的IEEE802.11b标准基带物理层系统支持标准规定的长帧和短帧两种格式;支持四种调制方式,分别是1Mbps DPBSK、2Mbps DQPSK、5.5Mbps CCK以及11Mbps CCK;滤波器采用升余弦滚降滤波器;扰码器是8位的并行输入输出结构。经过仿真,得出的图像清晰,传输速率达到11Mbps,符合要求。为了检验误码率,本设计还利用相似原理添加了接收端的仿真。
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关键字:IEEE802.11b;WiFi;无线局域网;物理层仿真
目 录
摘 要 III
ABSTRACT III
第1章 绪论 1
1.1 无线局域网的发展历史及趋势 1
1.1.1 起步阶段 3
1.1.2 推广阶段 3
1.1.3 普及阶段 4
1.2 WiFi系统简介 4
1.2.1 WiFi系统的基本特点 4
1.2.2 WiFi系统物理层的组成 5
1.3 主要设计内容及章节安排 6
第2章 IEEE802.11b协议 7
2.1 IEEE 802.11b的物理层技术 7
2.1.1 无线局域网的传输技术 7
2.1.2 扩频传输技术 8
2.2 IEEE 802.11b的高速物理层收敛协议子层 9
2.2.1 IEEE 802.11b的长帧格式 9
2.2.2 IEEE 802.11b的短帧格式 12
2.3 PLCP状态机 12
2.4 数字相位调制技术 15
2.5 扰码器 18
2.6 发送成形滤波器 20
第3章 IEEE 802.11b物理层设计 22
3.1 物理层发送部分整体框图 22
3.2 随机二进制数据产生模块 22
3.3 PPDU生成模块 24
3.4 PLCP扩频调制模块 24
3.5 CCK调制模块 25
3.6 脉冲成型模块以及混频模块的设计 26
第4章 IEEE 802.11b发送部分的仿真及分析 27
4.1 仿真调试过程 27
4.1.1 仿真软件介绍与分析 27
4.1.2 调试过程中出的问题 31
4.1.3 问题解决办法 32
4.2 信号仿真结果及分析 32
4.2.1 随机数据信号源仿真波形及分析 32
4.2.2 PPDU数据仿真波形及分析 33
4.2.3 CCK调制后码片的仿真波形及分析 33
4.2.4 射频信号的仿真波形和分析 34
第5章 总结与展望 35
致 谢 36
参考文献 37
第1章 绪论
1.1无线局域网的发展历史及趋势
无线局域网(英文:Wireless LAN,缩写WLAN)是不使用任何导线或传输电缆连接的局域网,而通过无线电波作为传送数据的媒介,最大传送距离一般只有几十米。无线局域网的主干网路通常使用有线电缆,用户通过一个或多个无线接取终端接入无线局域网。随着科技的发展,无线局域网现在已经广泛的应用在商务区,大学,机场,及其他公共区域。无线局域网最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准,而本次毕业设计的WiFi网络系统发送将使用的是IEEE802.11b标准协议。WiFi(Wireless Fidelity)是一种可以将个人电脑(PC)、手持设备(如Pad、手机)等移动终端以无线的方式互相连接通信的技术[1]。
在众多通信协议之中,只要是使用IEEE 802.11系列协议的局域网就被称为WiFi。随着WiFi技术的发展,现在甚至把WiFi等同于无线局域网。WiFi 原先是无线保真技术的缩写,在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”,实质上是一种商业认证,同时也是一种无线联网技术,以前人们通过网线让电脑连接网络,而2010年之后则是通过无线电波来完成相同的工作。WiFi上网可以简单的理解为无线上网,是当今使用最为广泛的一种无线网络传输技术,现在几乎所有手机和手提电脑都可以通过WiFi上网,十分方便。WiFi技术实际上就是把有线网络信号转换成无线信号,通过无线路由器为支持其技术的相关电脑,手机,平板等装置所接收。所以WiFi上网当前还是比较容易实现的,只要将过去传统的路由器换成无线路由器,简单设置下即可实现WiFi上网,而一般WiFi的信号接收半径约为95米,但因为在现实中会受墙壁和障碍物等影响,实际距离可能会小一些,但还是基本能满足大部分人的需求了[2]。
在大城市里通过WiFi无线局域网上网比较常见,虽然由WiFi技术传输的无线通信数据质量不算很好,数据安全性能也比蓝牙技术差一些,其传输的质量也有待改善,但WiFi的优点一样明显,首先是传输速度非常快,可以达到54mbps,满足了个人和社会信息化的需求;其次是不需要布线,可以不受环境条件的限制,因此非常适合需要移动办公的用户,并且由于发射信号的功率低于100mw,也就是低于手机发射功率,所以WiFi上网相对也是最安全健康的。
随着全球社会经济的快速发展,人类交往和活动的范围随之快速扩大,人们迫切需要交流相互之间的各种信息,而移动通信则是达到以快速通信为最终目的的有效手段。随着社会科学技术的不断发展,特别是无线通信技术的发展和成熟,无线局域网第一个版本于1997年发表,其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。其中物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式,总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以通过自由直接(ad hoc)的方式进行,也可以在基站(Base Station, BS)或者访问点(Access Point,AP)的协调下进行。
但知道20世纪90年代,当网络互连现象更加普及、便携电脑应用更加广泛的时候,无线局域网才成为现代无线通信市场中一个重要的快速增长点。1999年,802.11b得到认可,能够为用户提供高达11Mbps和5.5Mbps的速率,同时也保留了最初的2Mbps和1Mbps速率,因此802.11b得到了最为广泛的应用。苹果公司把自己开发的802.11标准起名叫AirPort。1999年工业界成立了Wi-Fi联盟,致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。以下是802.11系列标准各个版本的年代表:
  802.11 ,1997年,原始标准(2Mbit/s 工作在2.4GHz)。
  802.11a,1999年,物理层补充(54Mbit/s工作在5GHz) 。
  802.11b,1999年,物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz) 。
  802.11c,符合802.1D的媒体接入控制层(MAC) 桥接(MAC Layer Bridging) 。
  802.11d,根据各国无线电规定做的调整。
  802.11e,对服务等级(Quality of Service, QoS) 的支持。
  802.11f,基站的互连性(Interoperability) 。
  802.11g,物理层补充(54Mbit/s工作在2.4GHz) 。
  802.11h,无线覆盖半径的调整,室内(indoor) 和室外(outdoor) 信道(5GHz频段)。
  802.11i,安全和鉴权(Authentification)方面的补充。
  802.11n,导入多重输入输出(MIMO)和40Mbit通道宽度(HT40)技术,基本上是802.11a/g的延伸版。
除了上面的IEEE标准,另外有一个被称为IEEE 802.11b+的技术,通过PBCC(Packet Binary Convolutional Code)技术在IEEE 802.11b(2.4GHz频段) 基础上提供22Mbit/s的数据传输速率。
我国对于无线局域网技术的研究起步比较晚,20世纪90年代才开始。虽然在国内的发展时间不是特别长,但是仍然可以将无线局域网在国内的发展过程划分为三个阶段[3]。
1.1.1起步阶段
这个期间国家已经开始关注无线局域网技术的研发与应用。当时主要有西安电子科技大学国家重点实验室在1994年3月研制了我国第一套无线局域网样机,但没有进行产品的市场化。
国家无线电管理委员会在1997年和1998年向各地无线电委员会下文,同意在我国境内使用2.4Ghz和5.8Ghz的扩频传输技术产品[4]。
1.1.2推广阶段
1999年,IEEE 802.11b标准被确定,产品的传输速率达到11Mbps,从数据传输的速率来看已经达到10Mbps有线局域网的应用水平,标志着无线局域网已经突破了技术普及的瓶颈。1999年底美国朗讯(Lucent)以WareLAN(后改为Orinoco)品牌推出11Mbps产品,逐渐占据了国内的大部分份额。这是,原来只是进行代工生产的台湾厂商也开始大量进入大陆,寻求市场发展。兼容标准的出现和产品速率的提高,使无线局域网技术得到进一步的推广和应用。其突出的表现是室外数据链路的点对点及点对多点的应用,不仅被运营商用于微波基站之间的互连,而且也开始广泛应用于水利、税务和电力等行业系统[5]。
1.1.3普及阶段
2001年之前,中国市场对于无线局域网的了解还只限于很小的范围,无线局域网的应用只在特殊地域的个别行业,比较典型的应用是远离中心城市的能源开采企业。比如,中国的大庆油田较早应用了无线局域网进行通信。2001年北京举行的世界大学生运动会采用的无线局域网技术进行场馆覆盖等。由此开始,中国市场对于无线局域网的认知程度逐渐提升[6]。
随着市场的发展,除了热点地区的无线基站的大量铺设以外,企业用户开始大量出现,人们的应用意识也在逐渐提高,不仅开始注意到无线局域网技术,同时也开始从实际的使用中体会到无线局域网的技术和应用优势。在家庭和SOHO的应用,虽然由于诸多因素,还没有启动,更多的是在于市场的宣传和推动,但是通过国外的经验可以知道,无线局域网技术未来将成为家庭网络的主流技术。总之,在这些变化的背后,预示着无线局域网的产品和应用市场已经处于临界状态。只要我们发现合理、务实的应用就可以触发市场更加快速地发展[7]。
在未来,无线局域网会更加快速地发展,会有更多更好的协议定制出来,无论从传输距离、数据传输质量还有安全保密性上都会有很大的进步,目前Wimax技术也开始发展起来,相信不用多久时间,就能实现城市无线局域网络,人们无论走到哪,都可以通过无线移动终端随时连接网络,大大方便人们日常生活和工作的需要。无线局域网正在向五个方向发展:更高的数据传输速率、增加对流媒体的支持、模块复合型应用、分布式智能化管理和加强安全机制。
1.2 WiFi系统简介
1.2.1 WiFi系统的基本特点
WiFi系统按照802.11b标准,拥有有效距离长,传输速度快并且与现有各种802.11DSSS设备兼容等特点。首先,无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常的小,半径大约只有50英尺约合15米左右,而WiFi的半径则可达300英尺约合100米,这样可以覆盖整个办公室甚至是整栋大楼,对于中小型企业来说再合适不过。其次,WiFi虽然安全性能不强,但是其传输速度远比类似传输方式快得多,最高可达11Mbps,符合个人和社会信息化的需要。最后,通信厂商进入该领域的门槛较低。厂商只要在机场,商城,图书馆等公众场所设置“热点”,并将高速线路将互联网接入上述场所,这样用户只需要持有带WiFi功能的移动终端就可以在这些地方接入高速的互联网,换句话说,厂商省去了许多布线的功夫和成本,更加地高效和环保。以上三点是WiFi系统最具有代表性的特点[8]。
1.2.2 WiFi系统物理层的组成
IEEE802.11b标准协议对WiFi的物理层传输媒质作了以下规定:
(1)物理层管理功能实体(PLME)
其功能主要是与通信系统中的MAC层进行互连及管理,实现本地物理层的管理功能。
(2)物理层汇聚功能实体(PLCP)

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好棒文