无线局域网系统硬件平台的测试

论文总字数：25816字

摘 要

无线局域网是个人通讯的一个重要的组成部分，它具有传统局域网无法比拟的灵活性，在当前的社会生活得到了广泛的应用。

本文首先介绍了无线局域网的基本概念，国内外研究现状，发展历史。接着探讨了无线局域网的相关技术指标，与传统局域网相比较的优势及其广泛的应用领域。在此之后概述了IEEE 802.11协议规范，简明介绍了802.11标准的几个主要版本，着重介绍了IEEE的扩展规范 802.11ac。

接着本文重点研究了IEEE 802.11ac物理层的数据发送过程，和过程中采用的多种MIMO空间技术。并针对AP在进行下行MU-MIMO数据传输时多用户间的干扰问题研究了ZF和MMSE多用户预编码技术。对此通过进行Matlab仿真得到了一定条件下的仿真曲线，得出在信噪比较低条件下，MMSE性能大大优于ZF，而高信噪比条件下，ZF性能接近MMSE的结论。

关键词：无线局域网，IEEE 802.11，物理层，空间技术，迫零预编码，多用户预编码，Matlab

Abstract

WLAN is an important component of personal communications. Compared to traditional LAN, the flexibility of WLAN is unparalleled, so it has been widely used in current society.

First of all, we introduce the basic concept, the research status at home and abroad and the development process of WLAN in this paper. And then, WLAN relevant to technical indicators, the advantage compared with traditional LAN, and its wide range of applications were discussed. After that we give a brief introduction to several major versions of IEEE 802.11 protocol standards, and an in-depth introduction of IEEE 802.11ac.

Then this paper focuses on the physical layer of IEEE 802.11ac data delivery process, and during the process we used a variety of MIMO space technology. At the same time, when AP is in downlink MU-MIMO data transmission, the interference between multiusers will be a problem. To solve it, we did a research about ZF and MMSE multiuser precoding. Under certain conditions, a simulation curve was obtained by Matlab simulation. Through the curve, we made the conclusion that in low SNR conditions, MMSE perform vastly superior to ZF, and under high Signal-to-noise ratio, ZF is close to MMSE.

KEY WORDS: WLAN, IEEE 802.11, physical layer, MIMO, ZF, MMSE, Matlab

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究内容 2

第二章 无线局域网研究 3

2.1 概述 3

2.2 历史 3

2.3 体系结构 4

2.3.1 站 4

2.3.2 基站子系统 4

2.3.3 扩展服务集 4

2.3.4 分配制度 4

2.4 工作模式 4

2.4.1 AP互连工作模式 4

2.4.2 对等网络模式 5

2.5 桥接 6

2.6 无线分布式系统 6

2.7 漫游 6

2.8 应用 7

2.9 性能和吞吐量 7

第三章 IEEE 802.11协议研究 8

3.1 概述 8

3.2 历史 8

3.3 信道和频率 9

3.4 2.4GHz频带上的信道间隔 9

3.5 802.11标准主要版本 10

3.6 IEEE 802.11ac相关技术 13

第四章 IEEE802.11ac物理层性能研究与仿真 14

4.1 引言 14

4.2 物理层帧格式 14

4.3 物理层发送流程 16

4.4 MIMO空间技术 20

4.5 仿真结果与分析 26

第五章 总结 28

5.1 论文总结 28

致谢 29

参考文献 30

第1章 绪论

• 1. 选题意义

几十年来,以太网已经成为主要的支持分布式计算的网络技术。近年来,便携式和笔记本电脑的普及,使得局域网技术被要求支持无线连接。除了提供电脑的移动性,无线局域网更易安装并且节省布线的成本。无线局域网的成功与网络产品的发展密不可分, 它能够实现非常灵活的通信。无线局域网是个人通信的一个重要的组成部分。将在未来的生活中将得到更广泛的应用。我国的无线技术正在快速发展，无线局域网的应用也会一日比一日更加普及，因此对无线局域网进行性能分析十分重要，可以在一定程度上推动无线网络的发展。本文的主要的工作是在一定程度上对IEEE802.11ac协议的性能进行分析研究,为进一步提高网络服务的质量提供一定的理论支持。

1.2 研究现状

无线局域网的性能主要由三个因素决定：拓扑结构的作用是用来衔接各种设备的，介质访问控制措施是用来共享资源，传输介质用来传输数据。无线介质访问控制协议的性能大致由这几个指标反映：终端竞争程度、对带宽的需求、网络连通性、功率消耗、以及信息传送时延等。

无线局域网的设计比有线网络需求更多关注带宽消耗。这是因由于无线网络比有线传送更低的带宽，即1-2兆比特VS10-150兆比特。因为一个无线局域网依托传送介质，故网络站的传播需要受介质访问协议（MAC）协调。

用于局域网的MAC协议大致可以分为随机存取(如CSMA，CSMA/CD)和按需分配(如令牌环)。由于随机访问系统固有的适应性(如随机访问允许移动节点的无约束行为),IEEE 802.11标准委员会决议采纳无线局域网的基于CSMA的随机存取计划。在这个方案没有碰撞检测能力，是因为无线局域网通常只是一个天线既用于发送又用于接收，故在发送时无法监听。

无线信道的持续和非持续的CSMA协议在文献[1]和文献[2]进行深度研究。IEEE 802.11协议在补退避算法的实现上不同于这些协议。具体来说,IEEE 802.11协议使用一组slotted window进行退避,每次碰撞后的大小会变为原先的两倍。退避计数器仅当信道空闲的时候才会减少。文献[4]中已经证明一个适当调谐的IEEE 802.11退避算法可以显著提高协议的容量，在2中，作者提出根据活动站的数量调整退避窗口的大小，这个数字通过观察通道状态来进行估计。Weinmiller等人在IEEE 802.11网络中降低了碰撞概率，这是通过修改退避分布使信道访问在竞争窗口上均匀传播。这两项研究使用仿真分析来表明协议容量的显著改进可以通过修改退避算法来实现。在[4]中对协议的能力的研究中,定义了一个持续IEEE 802.11协议。这个协议仅仅在退避间隔的选择上不同于标准协议。持续IEEE 802.11协议的退避间隔采样服从参数为p的几何分布，而不是标准中使用的二进制指数退避。此外,在[4]中表明一个持续IEEE 802.11协议非常接近标准协议，即具有相同的平均退避窗口大小。通过给持久IEEE 802.11协议开发一个分析模型,在[4]中派生了与理论上界有关的p值,例如p值（最优值）,最大化了持续协议IEEE 802.11协议的容量。从标准协议和持久协议的关系来看(从容量的角度),理论上界也构成了调整IEEE 802.11协议的吞吐率的极限。Cali F.Conti M.Gregori E在[3]中展示和深度分析了分布式算法来优化在运行时退避窗口的大小。论文中分析的退避优化算法是由每个站独立执行。通过观察信道的状态,一个站能得到网络流量的估计值并且用这个估计优化退避窗口大小。即利用IEEE 802.11 MAC协议的容量的分析模型来确定在每一个网络和负载条件下,最优的优化退避算法。

在随机访问协议中采用通道状态的反馈来优化退避算法的想法在文献[5]中都有所表述。

1.3 研究内容

本论文的研究内容主要包含以下几个方面：

• 第一部分主要介绍无线局域网性能研究的选题意义及研究现状。
• 第二部分主要研究无线局域网的概念，历史，结构，与传统网相比较的优势及其应用。
• 第三部分主要介绍IEEE 802.11协议规范及主要的几个规范版本。
• 第四部分主要介绍IEEE 802.11ac的工作原理和技术特点。
• 第五部分主要介绍IEEE802.11ac的物理层及其性能仿真的实现。实验环境为Matlab。

第2章 无线局域网研究

2.1 概述

IEEE 802.11有两种基本的操作模式：AP互连工作模式和ad hoc工作模式^[6]。在ad hoc工作模式中，移动单元传送直接的对等网络。在基础设施模式中，移动单元通过充当桥梁的接入点（如因特网或局域网）与其他网络进行通信。

由于无线通信相比有线网采用了更加开放的媒介进行传播，802.11设计师还加入了加密机制的设计：有线等效保密（WEP，现在不安全），Wi-Fi保护访问（WPA，WPA2），以保护无线计算机网络^[7]。许多接入点也将提供Wi-Fi保护设置，通过加入一个新的设备来加密网络的快速方法（但现在不安全）。

2.2 历史

诺曼·艾布拉姆森，夏威夷大学的教授，开发了世界上第一个无线计算机通信网络，称为ALOHANET（运营于1971年），使用低成本的收音机。该系统包括了七台计算机，分别部署在四个岛屿，无需使用电话线，中央计算机设置在欧胡岛进行通信。

WLAN（无线局域网）硬件初始成本很高，以至于它只作为布线是困难或不可能布线的有线局域网的替代。早期发展包括特定行业的解决方案和专有协议^[8]，但在20世纪90年代末，这些被标准（使用Wi-Fi的品牌的产品）所取代，主要是各种版本的IEEE 802.11。另一种类似ATM的5GHz的标准化的技术，HiperLAN / 2，到目前为止还没有在市场上成功，尤其是与更快的54兆比特/秒的802.11a的（5千兆赫）和802.11g（2.4千兆赫）的标准的发行相比。

在2009年，802.11n标准加入到802.11规范中。它可以工作在2.4GHz和5GHz频段，有着600兆比特/秒的最大数据传输速率。大多数较新的路由器能够利用两个无线频段，被称为双频。这使得数据通信避免拥挤在2.4GHz的频带，蓝牙设备和微波炉共享了这个特性。 5GHz频带也比2.4GHz频带具有更多的通道，允许更大数量的设备来共享的空间。不是所有的通道都适用于所有地区。

2.3 体系结构

2.3.1 站

所有可以连接到网络中的无线介质的成分都被称为站。所有站都配备有无线网络接口控制器（WNICs）。无线电台分为两类：无线接入点和客户端。接入点（AP），指的是通常的无线路由器，是无线网络的基站。它们为支持无线功能的设备通过发送和接收无线电频率来进行通信。无线客户端可以是移动设备，例如笔记本电脑，智能电话，或固定设备，例如配备了无线网络接口的台式机和工作站。

2.3.1 基站子系统

基站子系统（BSS）是一组可以与其他每个站相互通信的站。每个BSS都具有身份（ID），称为BSSID，它是为BSS提供服务的接入点的MAC地址^[9]。

有两种类型的BSS：独立型BSS（也被称为IBSS），和中控型BSS。一个独立的BSS（IBSS）一个ad hoc网络，不包含接入点，这意味着它们不能连接到其他任何的基站子系统。

2.3.2扩展服务集

扩展服务集（ESS）是一组连接的BSS。在ESS的接入点是由配电系统连接。每个ESS有一个称为其是32字节（最大）字符串的SSID的ID。

2.3.4 分配制度

一个分配系统（DS）在一个扩展服务集中连接了接入点。DS的概念可用于通过小区之间的漫游来增加网络的覆盖范围。

DS可以是有线或无线的。当前的无线分布系统大多基于WDS或网状协议，尽管其他系统也在投入使用。

2.4 工作模式

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