基于NS2的802.11n D信道模型實(shí)現(xiàn)

1、計(jì) 算 機(jī) 工 程 第37卷 第3期Computer Engineering V ol.37 No.3文章編號：10003428(201103009903·網(wǎng)絡(luò)與通信·2011年2月February 2011文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A中圖分類號：TP393基于NS2的802.11n D信道模型實(shí)現(xiàn)尹春雷，文光俊，馮正勇(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，成都 611731摘 要：分析馬爾科夫隨機(jī)過程信道建模機(jī)制，研究802.11n 信道建模方案，基于查找信道容量、誤包率、信噪比三者之間對應(yīng)關(guān)系表格的方法，在NS2軟件中實(shí)現(xiàn)802.11n D信道模型仿真模塊。通過比較NS2仿真結(jié)果和TGn

2、 參考模型驗(yàn)證該模塊的準(zhǔn)確性，為后續(xù)相關(guān)802.11n 協(xié)議的研究與改進(jìn)提供有效的物理層信道仿真基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：802.11n D信道模型；馬爾科夫鏈；信道容量；誤包率Implementation of 802.11n D Channel Model Based on NS2YIN Chun-lei, WEN Guang-jun, FENG Zheng-yong(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu

3、 611731, China 【Abstract 】By analyzing channel model mechanism of Markov stochastic process, the channel modeling scheme of 802.11n is studied and the simulation module of 802.11n channel model D is implemented in NS2 software environment based on corresponding Look Up Table(LUT which includes Chann

4、el Capacity(CC, Packet Error Rate(PER and Signal to Noise Ratio(SNR. It verifies the accuracy of this module through comparing simulation results with TGn standard model. The module provides efficient physical layer channel simulation foundation for the research and improvement of the 802.11n protoc

5、ol.【Key words】802.11n D channel model; Markov chain; Channel Capacity(CC; Packet Error Rate(PER DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.03.0351 概述無線局域網(wǎng)(WLAN技術(shù)發(fā)展迅速，但傳輸速度始終是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN 服務(wù)，IEEE 802.11n應(yīng)運(yùn)而生。研究表明，MIMO-OFDM 系統(tǒng)對比于傳統(tǒng)的單輸入/單輸出系統(tǒng)，能獲得更高的數(shù)據(jù)率和更好的傳輸質(zhì)量1。802.11n 正是引入了這項(xiàng)技術(shù)，可以將WLAN 的理論峰值傳輸速

6、率由目前802.1la 及802.11g 提供的54 Mb/s提高到300 Mb/s，甚至高達(dá)600 Mb/s，并可以抑制多徑效應(yīng)和其他信號的干擾，提高了無線通信系統(tǒng)的傳輸性能。為模擬802.11n 物理層傳802.11n 任務(wù)組考慮并采納了多種信道輸技術(shù)帶來的新特性，模型以反映新的傳輸特性。目前主要有3種網(wǎng)絡(luò)性能分析方法：(1利用現(xiàn)有設(shè)備搭建真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；(2數(shù)學(xué)建模分析；(3虛擬環(huán)境下利用軟件(NS2、Opnet 等 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真。利用現(xiàn)有設(shè)備搭建真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境代價(jià)太昂貴，采用數(shù)學(xué)建模分析方法又過于復(fù)雜，而使用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真法由于其經(jīng)濟(jì)性，并能完整地模擬整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此被研究者們廣泛使

7、用。然而在NS2軟件中并未包含一些特殊的物理層信道模型，如802.11n 信道模型，而實(shí)現(xiàn)802.11n 物理層信道的仿真，對802.11n 協(xié)議的研究與改進(jìn)有著極其重要的意義。因此，本文基于NS2軟件與TGn 提出的信道模型，詳細(xì)介紹了802.11n 信道模型的設(shè)計(jì)方法及原理，并將該模型作為一個(gè)模塊添加到NS2仿真軟件中。質(zhì)訪問控制層進(jìn)行改進(jìn)，從而在介質(zhì)訪問控制層服務(wù)訪問點(diǎn)提供至少100 Mb/s的速率。MIMO 技術(shù)利用多天線抑制信道衰落，其關(guān)鍵是能將傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的不利的多徑因素變成對用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素。在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，提高信道的可靠性

8、，降低誤碼率。OFDM 技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)的核心是將信道分成許多窄頻調(diào)制的正交子信道，并使每個(gè)子信道上的信號頻寬小于信道的相關(guān)頻寬，以減少各個(gè)載波之間的相互干擾，同時(shí)提高頻譜的利用率2。802.11n 將MIMO 與OFDM 技術(shù)結(jié)合在一起，能夠大幅度地提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，并有效地抵抗多徑衰落、抑制干擾和噪聲，是下一代無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。無線通信環(huán)境存在多徑衰落、多普勒頻移和信道快速時(shí)變等許多不利因素，在室內(nèi)這個(gè)較為復(fù)雜的電磁環(huán)境中，多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使得實(shí)現(xiàn)無線信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道中困難。針對不同的應(yīng)用場合，TGn 基

9、于MIMO-OFDM 技術(shù)提出了6種(AF信道模型3，其應(yīng)用范圍很寬，可以在家庭、辦公室、展覽大廳和工業(yè)建筑等環(huán)境中使用。信道模型參數(shù)和對應(yīng)環(huán)境的關(guān)系如表1所示?；痦?xiàng)目：廣東省科學(xué)技術(shù)廳工業(yè)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2008A010100003作者簡介：尹春雷(1984 ，男，碩士研究生，主研方向：基于IP 的流媒體數(shù)據(jù)傳輸；文光俊，教授、博士生導(dǎo)師；馮正勇，博士研究生收稿日期：2010-07-25 E-mail ：yinchunlei72 TGn信道模型由于市場對性能更高的WLAN 的需求越來越大，IEEE-SA 在2003年下半年成立IEEE 802.11n任務(wù)組(802.11 TGn ，TGn

10、 將MIMO 與OFDM 技術(shù)相結(jié)合，在物理層和介100 計(jì) 算 機(jī) 工 程 2011年2月5日表1 模型參數(shù)信道模型傳播路徑萊斯因子K時(shí)延/ns tap數(shù)A LOS/NLOS 0/ - 0 1 B LOS/NLOS 0/ - 15 2 C LOS/NLOS 0/ - 30 2 D E FLOS/NLOS LOS/NLOS LOS/NLOS3 / - 50 3 6 / - 100 4 6 / - 150 63.1.2 信道容量隨機(jī)過程信道的容量變化既有隨機(jī)性，同時(shí)又有連續(xù)性(連續(xù)性是指信道容量不會在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈突變 。為了模擬信道容量的變化特性，Markov 生滅隨機(jī)過程被認(rèn)為是一個(gè)較

11、好的模擬信道容量變化的仿真方法，文獻(xiàn)4 也推薦采用這種 方法。圖1給出了一個(gè)信道容量的馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈，每個(gè)前幾個(gè)模型的時(shí)延較小，適合辦公室、家庭等小范圍的WLAN ，后幾個(gè)模型具有較大的時(shí)延，適合機(jī)場、商場等較大范圍的WLAN 。模型B模型F 分別分配2個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、6個(gè)tap(散射團(tuán)數(shù) 。模型A 采用單徑；萊斯因子K ，在LOS(Line Of Sight時(shí)只對第1個(gè)tap 取有限值，其他taps 時(shí)K = - dB。與小范圍的應(yīng)用場所相比大范圍的應(yīng)用場所的K 值較大。路徑損耗表達(dá)式如下式： L (d =L FS (d , d d BPL (d =L FS (d BP +3.5l

12、g(d /d BP , d >d BP (1 各種信道模型傳輸損耗參數(shù)如表2所示。表2 路徑損耗模型參數(shù)模型 d d BP 前的d BP 后的d BP 前的陰影d BP 后的陰影BP /m斜率斜率衰落/dB衰落/dBA 5 2 3.5 3 4 B 5 2 3.5 3 4 C 5 2 3.5 3 5 D 10 2 3.5 3 5 E 20 2 3.5 3 6 F 30 23.536其中，d BP 是斷點(diǎn)距離，用于判斷收發(fā)機(jī)路徑之間是否存在直射分量LOS ；L FS 為自由空間路徑損耗。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的信道模型與參數(shù)模擬無線信道傳輸性能，以提高仿真的有效性

13、。因此，針對當(dāng)前的仿真場景，如何恰到好處地選擇信道模型顯得尤為重要。3 基于馬爾科夫鏈802.11n D信道模型設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)原理信道容量是評價(jià)信道性能的綜合性指標(biāo)，是各態(tài)歷經(jīng)的隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程。在某一時(shí)刻，通過信道容量(Channel Capacity, CC的值，可以估計(jì)物理層的誤包率(Packet Error Rate, PER，建立PER 與CC 之間的關(guān)系，為MAC 層是否丟包提供決策依據(jù)4。3.1.1 信道容量與誤包率信道容量描述的是在給定的信噪比和信道帶寬條件下，信道無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。物理層影響MAC 層誤包率這一指標(biāo)的因素有很多，如噪聲、衰落、多徑效應(yīng)等。物理層的這些

14、因素制約了通信系統(tǒng)的信道容量。文獻(xiàn)4指出信道容量是估計(jì)物理層性能的一個(gè)合適的指標(biāo)，如果能建立PER 與CC 之間的關(guān)系，產(chǎn)生CC 隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程，則可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻CC 的值估計(jì)此時(shí)刻信道的PER 。文獻(xiàn)4沒有給出誤包率與信道容量關(guān)系的解析表達(dá)式，而是通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)兩者間的關(guān)系，并給出了一些典型值。因此，在基于NS2的網(wǎng)絡(luò)仿真中，無法直接利用信噪比等物理信道參數(shù)直接推出誤包率供MAC 層決策。而是通過物理層抽象出信道模型的參數(shù)，建立查找表(Look Up Table, LUT的方法實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)信道容量值，連續(xù)狀態(tài)的信道容量值間隔為 C b/s/Hz，信道容量變化過程近似于一個(gè)步進(jìn)過

15、程。 圖1中的馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的轉(zhuǎn)移概率矩陣見式(2：1,11,200=2,12,22,30. (2 0.00N 1, NN , N i , i +1(i -1 描述的是系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到前一個(gè)或后一個(gè)狀態(tài)的概率，當(dāng)用于仿真信道容量的變化時(shí)，其意義是信道容量增加或者減少C b/s/Hz的可能性。這一狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可以根據(jù)簡單的統(tǒng)計(jì)分析，由相應(yīng)的CC 值的等效馬爾科夫生滅過程產(chǎn)生，也可以根據(jù)信噪比、傳輸距離等參數(shù)由合理的信道模型算出3。 3.2 算法實(shí)現(xiàn)在NS2中的物理層進(jìn)行誤包仿真分為2步：(1為每一個(gè)無線鏈路建立馬爾科夫鏈，仿真其信道容量；(2查誤包率、信噪比、信道容量關(guān)系表，得到誤包率，

16、再按此概率進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，確定接收到的包是否錯(cuò)誤。這一過程如圖2所示。 圖2 MAC仿真器物理層誤包仿真方法圖2說明了物理層仿真的過程。首先根據(jù)傳播距離、陰影傳播模型及收發(fā)天線數(shù)等參數(shù)推出平均信噪比；然后由信噪比查找馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率表，根據(jù)表中的轉(zhuǎn)移概率生成馬爾科夫鏈，該馬爾科夫鏈的狀態(tài)值代表信道容量，該容量是一個(gè)滿足馬爾科夫生滅過程的隨機(jī)變量；最后判斷該容量與物理層的頻譜效率之間的大小關(guān)系，由此關(guān)系確定現(xiàn)在收到的包是否錯(cuò)誤。4 仿真驗(yàn)證基于上文介紹的算法，在NS2軟件物理層實(shí)體處添加了802.11n D信道模型模塊，模擬該無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中可能發(fā)生的包錯(cuò)誤。仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。其

17、中，有線節(jié)點(diǎn)0與基站1之間為有線連接，節(jié)點(diǎn)0發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)過基站1傳送至無線節(jié)點(diǎn)2(無錯(cuò)誤重傳機(jī)制 。在基站1和無線節(jié)點(diǎn)2之間采用802.11n D信道模型模擬包的傳輸錯(cuò)誤。第37卷 第3期 尹春雷，文光俊，馮正勇：基于NS2的802.11n D信道模型實(shí)現(xiàn) 101 其信道模型收發(fā)天線數(shù)為4×4，天線間隔為0.5 ，載波頻率為5.25 GHz；時(shí)隙t =1 ms，信道容量步長為1 b/s/Hz。 圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無直視(NLOS的環(huán)境下，基于圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，進(jìn)行大數(shù)量級(108 數(shù)據(jù)包傳輸仿真實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)信道內(nèi)部特性數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如下所示。(1信道容量概率密度函數(shù)在仿真過程中，

18、在不同的信噪比(SNR 下，統(tǒng)計(jì)信道容量狀態(tài)值出現(xiàn)的次數(shù)，從而得到了信道容量出現(xiàn)的概率，仿真結(jié)果如圖4 所示。 圖4 仿真測得的信道容量概率密度曲線在圖4中，f (C 表示分別在不同的SNR (單位：dB 下，信道容量為各個(gè)狀態(tài)值的概率。(2信道容量累積分布函數(shù)在不同的SNR 下，由信道容量的概率密度函數(shù)統(tǒng)計(jì)其累積分布函數(shù)。P 表示在SNR (單位：dB 分別為 8、 10 、 12、14、16、18時(shí)信道容量的累積分布概率。結(jié)果如圖5所示。 圖5 仿真測得的累積分布函數(shù)曲線(3信道容量轉(zhuǎn)移特性隨著時(shí)間變量的變化，信道容量的值也在不斷地變化。仿真過程中記錄了在不同的時(shí)刻下信道容量的狀態(tài)值，得到了信道容量轉(zhuǎn)移特性曲線。仿真結(jié)果如圖6所示。14 131211 10 92.02.22.42.62.83.03.23.43.6 3.84.0時(shí)間 /s圖6 仿真測得的信道容量轉(zhuǎn)移曲線 (4誤包率(PER統(tǒng)計(jì) 在不同的頻譜效率seff (單位： b/s/Hz下，統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)包通過此信道傳輸?shù)陌e(cuò)誤概率 PER ，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 7所示。 圖7 仿真測得的誤包率曲線仿真實(shí)驗(yàn)測得了反映信道內(nèi)部特性的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：不同SN