论文总字数：36101字

摘 要

随着人们对无线业务数据的需求愈加旺盛，无线通信系统对数据传输速率的要求也越来越高。超高速无线通信系统应运而生，作为其通信标准的IEEE 802.11 ac也出现在了人们的视野当中。

本文主要实现了对超高速无线通信系统物理层仿真。本文通过研究和分析超高速无线通信系统协议IEEE 802.11ac，对协议标准规定下的物理层关键技术进行仿真实现。并在老师的指导下，搭建并完善了MATLAB系统级软件仿真平台，并对仿真平台进行了完善，增强了仿真过程的灵活性和交互性。主要工作如下：

（1）针对IEEE802.11ac无线信道的衰落特性，研究了能够正确描述信道特性的信道脉冲响应模型、信道路径损失模型、信道相关矩阵模型、以及多普勒模型。通过仿真，给出了信道模型B的功率延迟曲线、空间相关性曲线和信道衰落系数的累积分布曲线。

（2）详细分析了IEEE802.11ac 物理层帧结构，主要讨论了VHT-SIG-A字段和VHT-SIG-B字段的格式和定义；讨论了单用户和多用户VHT PPDU的数据发送流程，对发送流程的每个环节进行了详细分析和介绍，并对不同调制方式下的星座图和误码性能进行了仿真对比。

（3）讨论了IEEE 802.11ac标准中的3种基本MIMO技术，包括空间扩展、空时块码和波束成型。然后着重讨论了MIMO预编码技术，包括ZF预编码、MMSE预编码两种方法。在此基础上，给出了IEEE 802.11ac信道模型中，不同预编码方式的性能对比图。并根据图像对仿真结果进行了分析。

关键词：超高速无线通信，IEEE 802.11ac，MIMO

Abstract

As people need more and more high data rate, the requirements of data transmission rate are also getting higher and higher. in wireless communication systems. So, Ultra-high speed wireless communication system emerged. And its communications standard-IEEE 802.11 ac also appears in people's eyes.

The main work of this paper is the simulation of physical layer in ultra-high speed wireless communication system. This paper has finished the simulation of the key technology on physical layer of IEEE 802.11ac through research and analysis. Under the guidance of my teacher, A system-level software simulation platform was set up, and the simulation platform was then perfected, enhancing the flexibility and interactivity of the simulation process. The main work is as follows:

1. In view of the fading characteristics of the IEEE802.11ac wireless channel, a mathematical model is studied. It can correctly describe the channel time-frequency attenuation characteristics, spatial correlation characteristics, path loss in large-scale fading and shadow fading. Through simulation, we get the curves of power delay, spatial correlation and channel coefficients of channel model B.
2. The physical layer frame structure of IEEE802.11ac is analyzed in detail. The format and definition of VHT-SIG-A field and VHT-SIG-B field are mainly discussed. The data transmission flow of SU and MU VHT PPDU is discussed. Each link was analyzed and introduced in detail. The constellation diagram and error performance under different modulation methods were simulated and compared.
3. Three basic MIMO technologies in the IEEE 802.11ac standard are discussed, including spatial spreading, space-time block codes and beamforming. Then it focuses on MU MIMO precoding techniques, including ZF precoding and MMSE precoding. Based on this, the performance comparison chart of different precoding methods in the IEEE 802.11ac channel model is given. And I have analyzed the simulation results based on the image.

KEY WORDS: Ultra-high speed wireless communication, IEEE 802.11ac, MIMO

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 WLAN基本结构 1

1.2 IEEE 802.11标准的发展 4

1.3 MIMO-OFDM简介 7

1.4 论文工作及结构安排 8

第二章 IEEE 802.11ac协议信道模型 9

2.1 引言 9

2.2 IEEE 802.11n信道模型 9

2.2.1 信道脉冲响应模型 10

2.2.2 路径损失模型 11

2.2.3 MIMO信道相关矩阵模型 12

2.2.4 多普勒模型 14

2.3 IEEE 802.11ac信道建模 16

2.3.1 TGac信道模型的改进 16

2.3.2 信道实现仿真 17

2.4 本章小结 19

第三章 IEEE 802.11ac 协议物理层规范 20

3.1 引言 20

3.2 IEEE802.11ac 物理层帧结构 20

3.2.1 VHT-SIG-A 21

3.2.2 VHT-SIG-B 23

3.3 IEEE802.11ac 物理层发送流程 24

3.3.1 单用户VHT PPDU的数据发送流程 24

3.3.2 多用户VHT PPDU的数据发送流程 28

3.3.3 不同调制技术下星座图对比及误码性能仿真 29

3.4 本章小结 32

第四章 IEEE 802.11ac 协议中的MIMO-OFDM技术 33

4.1引言 33

4.2 MIMO原理 33

4.2.1 MIMO系统模型 33

4.2.2 MIMO信道容量 34

4.3 MIMO空间技术 35

4.3.1 空间扩展技术（SE） 35

4.3.2 空时码块技术（STBC） 36

4.3.3 发送波束成型技术 38

4.4 多用户MIMO预编码技术 39

4.4.1 基于ZF的多用户MIMO预编码 40

4.4.2 基于MMSE的多用户MIMO预编码 41

4.4.3 不同预编码技术性能仿真比较 41

4.5 本章小结 44

第五章 总结和展望 45

5.1 本文工作总结 45

5.2 未来工作展望 45

致谢 46

参考文献 47

绪论

1.1 WLAN基本结构

无线局域网也称为WLAN，就是不同用户通过无线介质在相对有限的区域内进行通信所组成的网络。WLAN主要由四部分组成，包括多个相互通信的站点STA、传输信息的媒介无线介质、起到中心枢纽作用的接入点AP和与骨干网相连的分布式系统DS。

WLAN中的无线介质指的是是无线通信多方之间的传输介质，它的基本属性在WLAN物理层标准中具有相关规定。站点通常也被称为主机（Host）或终端（Terminal）,是在无线网络中进行相互通信的设备。站点在WLAN中扮演的是用户角色，它能通过无线网络接口接入到网络中达到通信的目的。生活中我们所使用的的笔记本电脑、台式电脑和智能手机等都可以被称为站点。站点的分类方式有很多种，本文从站的移动特性出发将其分为固定站、半移动站和移动站三种。固定站不会发生移动，因此它的位置不会发生变化；半移动站和移动站都是物理位置经常变化的站点。二者的区别在于，后者要求在任何时刻（运动和静止状态）都能保持与网络的通信，而前者只在静止状态下有此要求。作为WLAN的最基本组成单元，站点之间的通信方式有多种。两个站点之间可以直接传递数据信息，进行直接通信。初始站点还可以先将数据发送到基站或者接入点，然后再转发到目的站点，进行间接通信。但是由于外部环境和自身发射条件的影响，站点的通信距离常常会受到限制，所以一个WLAN能够覆盖的区域也是有限的。我们将WLAN中移动站所能覆盖的最大范围称为基本服务区（Basic Service Area, BSA）。在无线通信中，这个范围也常称为小区（Cell），而WLAN就是由一个个小区构成的。一个小区内包含很多站点，这些站点能够以直接或间接的方式进行通信，它们一起组成了一个基本服务集（Basic Service Set，BSS），它是WLAN的基本构成单元。无线接入点AP的主要功能是实现无线网络与计算机站点之间的互联互通。在一个BSA中，处于中心的设备通常是AP。它不具备移动性，负责连接骨干网和数据转发，是WLAN的核心组成单元。此外，无线接入点也可以作为普通站点使用，这时被称为AP Client。一个BSA所覆盖的区域有限，常常不满足大范围通信的需求。为了能够在更大的范围内组建WLAN，就需要利用分布式系统DS。多个相互独立的BSA连接到一个相同的DS上，就组成了扩展服务区（Extended Service Area, ESA）。ESA中的所有主机组构成了一个扩展服务集（Extended Service Set, ESS），如下图1-1所示。ESS通过接入控制器可以与英特网（Internet）互联，从而使站点可以与任何一个连接到Internet骨干网上的终端相互通信。

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