Імітація багаторічного каналу на основі IEEE 802.11b

Моделі багатолучових каналів

У цій роботі розглянуто вплив навколишнього середовища на прийом сигналів стандарту IEEE 802.11b в умовах перебування в приміщенні. Розглянуто вплив трьох типів каналів поширення радіохвиль: канал Гаусса, канал Райса і канал Релея.

Радіосигнал, на шляху поширення від джерела до приймача може зустрічати перепони. При цьому сигнал може бути поглинений ними або відображений. Відображений сигнал досягне приймача, однак відбудеться це із запізненням. З іншого боку інша енергія сигналу може досягти приймача без перевідображення за більш короткий час або пройти більше число відображень, що в свою чергу призведе до ще більших затримок. Цей ефект виникає, коли між джерелом і приймачем виникають кілька шляхів доставки сигналу. При цьому енергія сигналу буде розподілена між копіями сигналу нерівномірно. Таке поширення сигналу називається багаторічним.

Дослідження включає в себе аналіз впливу різних характеристик, таких як доплерівське зміщення, затримки поширення, перевідображення, загасання за потужністю сигналу на багаторічний канал. Результатом дослідження є характеристики ймовірності виникнення помилок сигналів на різних швидкостях передачі.

Канал Гаусса - це канал з аддитивним білим гаусівським шумом. Даний канал є ідеальним каналом без завмирань і багаторічного поширення. Цей канал слугуватиме заходом оцінки якості реалізованого алгоритму прийому сигналів, оцінка буде проводитися за характеристикою ймовірності помилок на біт інформації (BER).

Розрахункову характеристику BER можна обчислити за такими формулами:

для DBPSK сигналів (1)

для DQPSK сигналів

де Q_1 (a, b) це Марківська Q-функція і I_0 (ab) - функція Бесселя першого роду з параметрами a і b:

(2)

BER для CCK кодованих сигналів визначено, як:

, (3)

У каналах Релея і Райса крім аддитивної складової шуму присутні мультиплікативні шуми, викликані перевідображеннями і рухами об'єктів у середовищі. Проходження сигналу через канал можна представити наступним чином:

Аддитивний канал Гаусса: (Пряма видимість, немає відображених сигналів).

Канал Райса: (Пряма видимість, є відображені сигнали).

Канал Релея: (Немає прямої видимості, прийом тільки відображених сигналів).

Формування сигналу виконано за стандартом IEEE 802.11b, в якості формуючого і узгодженого фільтрів обрано фільтр «корінь з піднесеного косинуса». Фільтри використовуються для усунення міжсимвольної інтерференції (рис. 4 і рис. 5). Прийом сигналу виконано за власним алгоритмом. Всі алгоритми виконані мовою MATLAB R.

Ризи.4 сигнальне сузір'я після проходження каналу

Ріс. 5 сигнальне сузір "я після узгодженого фільтра

Для створення моделей каналів у середовищі Matlab необхідно використовувати такі функції: awgn - для аддитивного каналу Гаусса, ricianchan і rayleighchan - для каналів Райса і Релея відповідно.

Канал Райса характеризується наступним набором додаткових параметрів: завмирання, частота доплерівського зміщення, коефіцієнт Райса відносини потужностей в променях, а так само загасаннями. Для каналу Релея характерні ті ж ефекти, що і в каналі Райса, але відмінністю цих каналів є відсутність прямого променя від передавача до приймача.

Ефект Доплера виникає при відносному переміщенні приймача і передавача або при переміщенні об'єктів на шляху розповсюдження сигналу. Оскільки розглянутий стандарт призначений для передачі сигналів всередині приміщення, в каналі Райса частоту доплерівського зміщення можна задати f_d=11Гц, що відповідає швидкості приймача 5км/год на несучій частоті 2.4ГГц. При ненульовому значенні частоти доплерівського зміщення відбуватиметься змащування сигнальних сузір'їв (рис. 5).

Значення величин ослаблення і затримки при розповсюдженні сигналів у багаторічних каналах були взяті з роботи [6], досліджених спеціально для сигналів стандарту IEEE 802.11. У цій роботі наведено значення трьох різних моделей:

Модель A - типовий офісний простір з умовою відсутності прямої видимості, середньоквадратична затримка поширення 50 нс.

Модель B - відкритий простір або великий офісний простір, відсутність прямої видимості, середньоквадратична затримка 100 нс.

Модель C - великі простори (як для приміщень, так і для вулиць), відсутність прямої видимості, середньоквадратична затримка 150 нс.

У цій роботі використовується модель B, для якої характерні такі параметри:

Для канал Райса:

f_d=11 Гц; K=20;

^ _ i = [0 10 20 30 40] (нс); α_i=[0 -5.4 -10.8 -16.2 -21.7] (Дб)

Для каналу Релея:

f_d=11 Гц;

τ_i=[10 20 30 40] (нс); α_i=[-5.4 -10.8 -16.2 -21.7] (Дб)

У каналі Релея нульові компоненти відсутні через відсутність прямого променя.

Після проходження каналом, сигнал надходить на вхід приймача.

Алгоритм прийому при необхідності можу привести.

Результати моделювання

При розрахунку характеристик помехостійкості передавалося 50000 біт інформації, кодовані DSSS (1 і 2 Мб/с) і CCK (5.5 і 11 Мб/с). Для розрахунку характеристик сигнал був приведений до потужності 1 Ватт. Були отримані характеристики помехостійкості для трьох каналів: каналу Гаусса, каналу Райса і каналу Релея (рис. 6-8), вибір параметрів для кожного з каналів вказано вище.

Ріс. 6 Характеристика помехостійкості для каналу Гаусса.

Ріс. 7 Характеристика помехостійкості для каналу Райса.

Ріс. 8 Характеристика помехостійкості для каналу Релея.

На рис. 6-8 ставлення сигнал/шум наведено в децибелах (вісь абсцис). Дані результати ілюструють помехостійкість сигналу стандарту 802.11b в багаторічних каналах для великих приміщень або відкритих просторів. Частота доплерівського зміщення в межах 120Гц не має великого впливу на характеристику BER.

Відмінність характеристик каналів Райса і Релея обумовлена відсутністю прямого променя в каналі Релея від передавача до приймача.

Характеристика помехостійкості залежно від коефіцієнта K (коефіцієнт Райса) для каналу Райса: (рис. 9).

Ріс. 9 Залежність характеристики BER від коефіцієнта K в каналі Райса.

З даної характеристики видно, що при збільшенні ставлення потужності основного до потужності відображених променів характеристика поліпшується. При K = 0 прямого променя не існує, приймаються тільки відображені промені, що відповідає характеристиці каналу Релея.

Список літератури

1. IEEE 802.11-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999 ) NY 10016-5997, USA

2. «Основи побудови бездротових локальних мереж стандарту 802.11», Педжман Рошан, Джонатан Ліері, Ізд. Cisco Press 2004 г.

3. «Сучасні технології бездротового зв'язку» Шахнович І.В., 2 Ізд. «Техносфера» 2006 р, 288 с.

4. «Широкосмугові бездротові мережі передачі інформації» В. М. Вишневський, А. І. Ляхов, С. Л. Портной, І. В. Шахнович, Ізд. «Техносфера» 2005 р, 591 с.

5. «Основи локальних мереж» Новіков Ю.В., Кондратенко С.В. Інтернет-університет інформаційних технологій - ИНТУИТ.ру, 2005

6. “TGn Channel models”, Vinko Erceg, Laurent Schumacher, 2004 г, 45 с.

7. “Simulation of Communication Systems”, Jeruchim, M. C., Balaban, P., and Shanmugan, K. S., Second Edition, New York, Kluwer Academic/Plenum, 2000

Це частина моєї дипломної роботи на тему «Розробка імітаційної моделі трактів формування, розповсюдження і прийому сигналів мереж IEEE 802.11b», оскільки робота велика, я не став публікувати все, а опублікував, по суті, тільки висновки.

Постараюся відповісти на всі ваші запитання. Можу допомогти і викласти вихідці на Matlab, якщо кому потрібно.