Модели многолучевых каналов
В данной работе рассмотрено влияние окружающей среды на прием сигналов стандарта IEEE 802.11b в условиях нахождения в помещении. Рассмотрено влияние трех типов каналов распространения радиоволн: канал Гаусса, канал Райса и канал Релея.
Радиосигнал, на пути распространения от источника к приемнику может встречать преграды. При этом сигнал может быть поглощен ими либо отражен. Отраженный сигнал достигнет приемника, однако произойдет это с опозданием. С другой стороны остальная энергия сигнала может достичь приемника без переотражения за более короткое время или пройти большее число отражений, что в свою очередь приведет к еще большим задержкам. Данный эффект возникает, когда между источником и приемником возникают несколько путей доставки сигнала. При этом энергия сигнала будет распределена между копиями сигнала неравномерно. Такое распространение сигнала называется многолучевым.
Исследование включает в себя анализ влияния различных характеристик, таких как доплеровское смещение, задержки распространения, переотражения, затухания по мощности сигнала на многолучевой канал. Результатом исследования являются характеристики вероятности возникновения ошибок сигналов на различных скоростях передачи.
Канал Гаусса – это канал с аддитивным белым гауссовским шумом. Данный канал является идеальным каналом без замираний и многолучевого распространения. Этот канал будет служить мерой оценки качества реализованного алгоритма приема сигналов, оценка будет производиться по характеристике вероятности ошибок на бит информации (BER).
Расчетную характеристику BER можно вычислить по следующим формулам:
для DBPSK сигналов
(1)для DQPSK сигналов
где Q_1 (a,b) это Марковская Q-функция и I_0 (ab) – функция Бесселя первого рода с параметрами a и b:
(2)BER для CCK кодированных сигналов определен, как:
, (3)В каналах Релея и Райса помимо аддитивной составляющей шума присутствуют мультипликативные шумы, вызванные переотражениями и движениями объектов в среде. Прохождение сигнала через канал можно представить следующим образом:
Аддитивный канал Гаусса:
(Прямая видимость, нет отраженных сигналов).Канал Райса:
(Прямая видимость, есть отраженные сигналы).Канал Релея:
(Нет прямой видимости, прием только отраженных сигналов). Формирование сигнала выполнено по стандарту IEEE 802.11b, в качестве формирующего и согласованного фильтров выбран фильтр «корень из приподнятого косинуса». Фильтры используются для устранения межсимвольной интерференции (рис. 4 и рис. 5). Прием сигнала выполнен по собственному алгоритму. Все алгоритмы выполнены на языке MATLAB R.
Рис.4 сигнальное созвездие после прохождения канала
Рис. 5 сигнальное созвездие после согласованного фильтра
Для формирования моделей каналов в среде Matlab необходимо использовать следующие функции: awgn – для аддитивного канала Гаусса, ricianchan и rayleighchan – для каналов Райса и Релея соответственно.
Канал Райса характеризуется следующим набором дополнительных параметров: замирания, частота доплеровского смещения, коэффициент Райса отношения мощностей в лучах, а так же затуханиями. Для канала Релея характерны те же эффекты, что и в канале Райса, но отличием этих каналов является отсутствие прямого луча от передатчика к приемнику.
Эффект Доплера возникает при относительном перемещении приемника и передатчика или при перемещении объектов на пути распространения сигнала. Поскольку рассматриваемый стандарт предназначен для передачи сигналов внутри помещения, в канале Райса частоту доплеровского смещения можно задать f_d=11Гц, что соответствует скорости приемника 5км/ч на несущей частоте 2.4ГГц. При ненулевом значении частоты доплеровского смещения будет происходить смазывание сигнальных созвездий (рис. 5).
Значения величин ослабления и задержки при распространении сигналов в многолучевых каналах были взяты из работы [6], исследованных специально для сигналов стандарта IEEE 802.11. В данной работе приведены значения трех различных моделей:
Модель A – типичное офисное пространство с условием отсутствия прямой видимости, среднеквадратическая задержка распространения 50 нс.
Модель B – открытое пространство или большое офисное пространство, отсутствие прямой видимости, среднеквадратическая задержка 100 нс.
Модель C – большие пространства (как для помещений, так и для улиц), отсутствие прямой видимости, среднеквадратическая задержка 150 нс.
В данной работе используется модель B, для которой характерны следующие параметры:
Для канала Райса:
f_d=11 Гц; K=20;
τ_i=[0 10 20 30 40] (нс); α_i=[0 -5.4 -10.8 -16.2 -21.7] (Дб)
Для канала Релея:
f_d=11 Гц;
τ_i=[10 20 30 40] (нс); α_i=[-5.4 -10.8 -16.2 -21.7] (Дб)
В канале Релея нулевые компоненты отсутствуют из-за отсутствия прямого луча.
После прохождения по каналу, сигнал поступает на вход приемника.
Алгоритм приема при необходимости могу привести.
Результаты моделирования
При расчёте характеристик помехоустойчивости передавалось 50000 бит информации, кодируемые DSSS (1 и 2 Мб/с) и CCK (5.5 и 11 Мб/с). Для расчета характеристик сигнал был приведен к мощности 1 Ватт. Были получены характеристики помехоустойчивости для трех каналов: канала Гаусса, канала Райса и канала Релея (рис. 6-8), выбор параметров для каждого из каналов указан выше.
Рис. 6 Характеристика помехоустойчивости для канала Гаусса.
Рис. 7 Характеристика помехоустойчивости для канала Райса.
Рис. 8 Характеристика помехоустойчивости для канала Релея.
На рис. 6-8 отношение сигнал/шум приведено в децибелах (ось абсцисс). Данные результаты иллюстрируют помехоустойчивость сигнала стандарта 802.11b в многолучевых каналах для больших помещений или открытых пространств. Частота доплеровского смещения в пределах 120Гц не имеет большого влияния на характеристику BER.
Различие характеристик каналов Райса и Релея обусловлено отсутствием прямого луча в канале Релея от передатчика к приемнику.
Характеристика помехоустойчивости в зависимости от коэффициента K (коэффициент Райса) для канала Райса: (рис. 9).
Рис. 9 Зависимость характеристики BER от коэффициента K в канале Райса.
Из данной характеристики видно, что при увеличении отношения мощности основного к мощности отраженных лучей характеристика улучшается. При K=0 прямого луча не существует, принимаются только отраженные лучи, что соответствует характеристике канала Релея.
Список литературы
1. IEEE 802.11-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999 ) NY 10016-5997, USA
2. “Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11”, Педжман Рошан, Джонатан Лиэри, Изд. Cisco Press 2004 г.
3. «Современные технологии беспроводной связи» Шахнович И.В., 2 Изд. “Техносфера” 2006 г, 288 с.
4. «Широкополосные беспроводные сети передачи информации» В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович, Изд. “Техносфера” 2005 г, 591 с.
5. “Основы локальных сетей” Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Интернет-университет информационных технологий — 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
Это часть моей дипломной работы на тему «Разработка имитационной модели трактов формирования, распространения и приема сигналов сетей IEEE 802.11b», поскольку работа большая, я не стал публиковать все, а опубликовал, по сути, только выводы.
Постараюсь ответить на все ваши вопросы. Могу помочь и выложить исходники на Matlab, если кому нужно.
