WLAN系統(tǒng)模型鏈路性能研究和改進(jìn)效果分析

無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks; WLAN）是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency; RF）的技術(shù)，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，達(dá)到「信息隨身化、便利走天下」的理想境界。

無線MIMO技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來高速寬帶無線INTERNET接入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在第三代（3G）及三代以后（B3G）的移動(dòng)通信系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，實(shí)現(xiàn)這一振奮人心的通信目標(biāo)并非易事，常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。即使采用常規(guī)發(fā)射分集或接收分集或智能天線技術(shù)已不足以解決新一代無線通信系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問題。在新一代的移動(dòng)通信中，MIMO技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)的容量隨發(fā)射和接收端的最小天線數(shù)目的增加而線性增加。然而，與常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)相比，MIMO通信系統(tǒng)中多天線的應(yīng)用面臨大量亟待研究的問題。

本文在IEEE 802.11n的MIMO信道模型基礎(chǔ)上，對(duì)WLAN系統(tǒng)模型的SISO模式的鏈路性能進(jìn)行研究，采用了一種利用長(zhǎng)訓(xùn)練序列估計(jì)SNR方法，并提出一種通過估計(jì)SNR動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS方法，在系統(tǒng)仿真中驗(yàn)證了鏈路性能改進(jìn)的效果。

1 時(shí)變信道下WLAN系統(tǒng)鏈路性能及分析

下面通過802.11n MIMO系統(tǒng)模型來研究時(shí)變信道的BER性能，將天線設(shè)置為SISO的配置，主要討論信道場(chǎng)景A和B.在用戶端（UE）和基站（Node B）的天線數(shù)目分別為1,發(fā)射天線之間的歸一化距離為1個(gè)波長(zhǎng)，接收天線之間的歸一化距離為0.5個(gè)波長(zhǎng)，鏈路方向?yàn)橄滦校d波頻率為5.25 GHz,移動(dòng)速度為1.2 km/h,對(duì)模型A和B傳播環(huán)境下的信道進(jìn)行仿真，得到信道矩陣H的時(shí)域衰落特性曲線圖，如圖1所示。其中信道A只有1條徑，信道B有9條徑。

在WLAN應(yīng)用時(shí)，站點(diǎn)及周邊環(huán)境的運(yùn)動(dòng)所造成的信道沖激響應(yīng)變化很慢，信道的相關(guān)時(shí)間較大，可認(rèn)為WLAN的信道屬于慢變信道，在發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)信道矩陣系數(shù)保持不變，連續(xù)數(shù)幀的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)信道矩陣也近似不變或變化很小。

考慮外界噪聲干擾為固定功率，設(shè)信號(hào)功率為1,通過信噪比定義得到的功率即是所加的固定功率，這里信噪比與噪聲功率一一對(duì)應(yīng)，直接用SNRfix來表示所加的噪聲功率。

在信道場(chǎng)景A下，設(shè)置MCS為3和5、噪聲功率SNRfix=12、幀長(zhǎng)500 B時(shí)連續(xù)發(fā)送3 000幀得到的BER隨時(shí)間變化，如圖2.

如圖2所示，在時(shí)間軸上，由于信道矩陣H的時(shí)間衰落特性導(dǎo)致BER會(huì)隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)時(shí)變的特性，在信道矩陣衰落較大的時(shí)間點(diǎn)，BER較高，在信道矩陣衰落不大的地方，BER較低，BER隨時(shí)間變化的規(guī)律曲線與信道矩陣隨時(shí)間變換規(guī)律相一致。在時(shí)變信道下，采用固定MCS方式傳輸數(shù)據(jù)的鏈路性能較差。圖2（a）的MCS較小，中間有大量BER為0的時(shí)間點(diǎn)，可以采用更大的MCS在保證性能的前提下提高數(shù)據(jù)的傳輸率，增加數(shù)據(jù)吞吐率。圖2（b）的MCS較大，BER一直很大，數(shù)據(jù)的傳輸可靠性很低，需要轉(zhuǎn)換為更小的MCS以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

在信道場(chǎng)景B下，設(shè)置MCS為3和5、噪聲功率（SNRfix=16）、幀長(zhǎng)為500 B時(shí)連續(xù)發(fā)送3 000幀得到的BER隨時(shí)間變化如圖3,可以得到類似的結(jié)論。

2 基于長(zhǎng)訓(xùn)練序列的SNR估計(jì)

信噪比是音箱回放的正常聲音信號(hào)與無信號(hào)時(shí)噪聲信號(hào)（功率）的比值。用dB表示。例如，某音箱的信噪比為80dB,即輸出信號(hào)功率比噪音功率大80dB.信噪比數(shù)值越高，噪音越小。"噪聲"的簡(jiǎn)單定義就是："在處理過程中設(shè)備自行產(chǎn)生的信號(hào)",這些信號(hào)與輸入信號(hào)無關(guān)。對(duì)于MP3播放器來說，信噪比都是一個(gè)比較重要的參數(shù)，它指音源產(chǎn)生最大不失真聲音信號(hào)強(qiáng)度與同時(shí)發(fā)出噪音強(qiáng)度之間的比率稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比（Signal/Noise），通常以S/N表示，單位為分貝（dB）。對(duì)于播放器來說，該值當(dāng)然越大越好。它也指在規(guī)定輸入電壓下的輸出信號(hào)電壓與輸入電壓切斷時(shí)，輸出所殘留之雜音電壓之比，也可看成是最大不失真聲音信號(hào)強(qiáng)度與同時(shí)發(fā)出的噪音強(qiáng)度之間的比率，通常以S/N表示。一般用分貝（dB）為單位，信噪比越高表示音頻產(chǎn)品越好，常見產(chǎn)品都選擇60dB以上。

通過以上的仿真可知，在WLAN時(shí)變信道中，由于信道矩陣H的時(shí)變特性，會(huì)引起B(yǎng)ER時(shí)間上相一致的變化特性。本文通過長(zhǎng)訓(xùn)練序列相關(guān)運(yùn)算估計(jì)的SNR值來表征信道質(zhì)量變化，其方法可參照文獻(xiàn)[8].

圖4中是采用WLAN長(zhǎng)訓(xùn)練序列SNR估計(jì)性能，取的長(zhǎng)訓(xùn)練序列是10組。圖4（a）中是SNR估計(jì)的均方誤差，圖4（b）中是SNR估計(jì)的平均值，可見，當(dāng)參與運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，可以很準(zhǔn)確估計(jì)SNR值。多普勒頻移造成信道矩陣的時(shí)變特性在圖4中很好的體現(xiàn)出來。

圖5是采用長(zhǎng)訓(xùn)練序列估計(jì)SNR方法在時(shí)變信道下得到的SNR隨時(shí)間變化圖。圖5（a）和（b）分別是在信道場(chǎng)景A時(shí)MCS為4和5得到的SNR估計(jì)值隨時(shí)間的變化圖，在信道矩陣衰落較大的時(shí)間點(diǎn)得到的SNR估計(jì)值較大；在信道矩陣系數(shù)衰落較小的時(shí)間點(diǎn)得到的SNR估計(jì)值較小。通過SNR值可以衡量信道質(zhì)量的好壞。

3 基于SNR的動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS方法及驗(yàn)證

3.1 基于SNR的動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS方法

為了提高時(shí)變信道下鏈路的性能，在實(shí)際中需要選擇適宜的MCS以達(dá)到數(shù)據(jù)吞吐率和可靠性之間的折衷。調(diào)整MCS要解決兩個(gè)問題：MCS大小和調(diào)整時(shí)機(jī)。

設(shè)定BER性能的閾值，系統(tǒng)需要滿足BER≤BERth,同時(shí)設(shè)定另外兩個(gè)數(shù)值：NUM_HIGH_BER和NUM_LOW_BER,分別表示BER連續(xù)高于和低于的次數(shù)。當(dāng)BER連續(xù)高于BERth的系數(shù)達(dá)到NUM_HIGH_BER,表明需要調(diào)整MCS到更小，以提高傳輸數(shù)據(jù)可靠性，當(dāng)BER連續(xù)低于BERth的系數(shù)達(dá)到NUM_LOW_BER,表明要調(diào)整MCS到大，以在保證可靠性下提高數(shù)據(jù)傳輸率，NUM_HIGH_BER和NUM_LOW_BER將影響MCS調(diào)整的快慢，若太小則MCS調(diào)整會(huì)頻繁操作，若太大則會(huì)降低信道傳輸?shù)挠行裕枰侠淼剡x擇這兩個(gè)數(shù)值的大小。

當(dāng)決定需要調(diào)整MCS大小時(shí)，也即BER連續(xù)高于BERth的次數(shù)達(dá)到NUM_HIGH_BER或BER連續(xù)低于BERth的次數(shù)達(dá)到NUM_LOW_BER,此時(shí)需要進(jìn)行MCS選擇時(shí)，利用上一幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的SNR估計(jì)值來選取MCS大小，選取BER≤BERth并具有最高數(shù)據(jù)率的MCS方案。MCS1,…，MCSN表示以數(shù)據(jù)率遞增的速率方案，θ1,…，θN表示在BER（MCSi）≤BERth下對(duì)應(yīng)的SNR值，按照如下的方式進(jìn)行速率方案的選擇。

MCS1 如果SNR<θ1

MCSi 如果θi≤SNR<θ+1, i=1,…，N-1

MCSN 其他

3.2 仿真驗(yàn)證

圖6和圖7是采用基于SNR動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS方法對(duì)鏈路性能的仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如下，BERth=5E-3,NUM_HIGH_BER=3,NUM_LOW_BER=5,幀長(zhǎng)為500 B,仿真數(shù)目為3 000幀，信道場(chǎng)景A的SNRfix=12,信道場(chǎng)景B的SNRfix=16,初始選擇的MCS均為1（BPSK,1/2碼率），選擇NUM_HIGH_BER為較小值3可以及時(shí)的調(diào)整MCS以提高傳輸可靠性，避免重傳造成信道資源的浪費(fèi)和吞吐率下降，選擇NUM_LOW_BER為較大值5可以避免頻繁的MCS轉(zhuǎn)換。

圖6是在信道場(chǎng)景A下采用基于SNR動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS的仿真圖，由于采用了根據(jù)估計(jì)的SNR值來表征信道的時(shí)變性，在信道衰落較大的時(shí)間點(diǎn)，通過BER超過閾值BERth的次數(shù)達(dá)到NUM_HIGH_BER時(shí)，說明以當(dāng)前MCS傳輸數(shù)據(jù)的可靠性不高，通過信道質(zhì)量的表征量SNR來調(diào)整MCS以避免傳輸可靠性低導(dǎo)致的幀重傳，提高數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，在信道狀況較好的時(shí)間點(diǎn)，通過BER達(dá)到低于閾值的次數(shù)時(shí)，說明可以采用更大的MCS在保證傳輸可靠性的前提下提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率。圖7是在信道場(chǎng)景B中采用此方法的仿真圖，在鏈路性能上得到的類似的改進(jìn)。表1為單位時(shí)間內(nèi)吞吐率的比較，可見采用方法在鏈路性能上得到了很大的提高，比采用固定MCS更有優(yōu)勢(shì)。

在建立WLAN MIMO信道模型的基礎(chǔ)上，通過IEEE 802.11n系統(tǒng)模型研究時(shí)變信道下BER性能，提出了一種基于SNR的動(dòng)態(tài)調(diào)整MCS方法來改進(jìn)鏈路的性能。這種方法通過SNR大小來衡量與閾值。通過仿真驗(yàn)證，鏈路在數(shù)據(jù)吞吐率和BER性能得到了很好的平衡，可在保證BER性能的前提下提高數(shù)據(jù)的吞吐率，提高了有限帶寬的使用有效性。