（电磁场与微波技术专业论文）无线局域网的频谱分析和干扰抑制设计.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：电磁场与微波技术 研究方向：无线通信与电磁兼容 作者：王璐 指导教师：朱洪波教授 题目：无线局域网的频谱分析和干扰抑制设计 l i i ii i ii i iii ii i i ii iiii 、t17 5 5 4 6 7 英文题目：t h ef r e q u e n c ys p e c t r u mc o g n i t i o na n di n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nd e s i g n o fw l a n 主题词：频谱分析；干扰抑制；超宽带；软频谱适应调制；陷波 天线 k e y w o r d s ：s p e c t r u ma n a l y s i s ；i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ；u l t r a - w i d e b a n d ；s o t t - s p e c t r u ma d a p t a t i o nm o d u l a t i o n ；t r a p p e dw a v e a n t e n n a 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 目前，无线局域网以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。但 是由于目前市场上大部分使用的无线网卡以及其他无线接入设备为了降低成本及减少申 请专用频段的麻烦，大部分都是使用公用的i s m 频段，有限的频率带宽导致系统间或者系 统内出现相互干扰，降低了网络性能并造成隐患。 本文首先讨论了无线局域网的基本理论和我国i e e e 8 0 2 1 1 a b g 三种标准的频段分配 策略，指出由于频谱重叠可能会引起干扰，导致通信质量的下降。论文重点进行了干扰分 析，包括无线局域网中的同频邻频干扰、超宽带系统和无线局域网之间的干扰，并进行了 大量的仿真，验证了有关分析结果的正确性。 本文最后针对不同的干扰情况，提出了几种干扰抑制的方法：首先提出了实现超宽带 和无线局域网之间干扰抑制的软频谱适应算法，分析和仿真表明，所提出的新算法能有效t 7 地抑制8 0 2 1 1 a 系统和超宽带通信系统之间的干扰；其次通过优化无线局域网中的有关参 数，如频率间隔和发射功率，达到了干扰抑制的效果；最后设计了一种具有陷波功能的超 宽带天线，降低了无线局域网与其他系统在5 g h z 频段的相互干扰，提高了无线局域网的 干扰抑制能力。 关键词：频谱分析；干扰抑制；超宽带；软频谱适应调制；陷波天线 毫 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t , w l a n 、i 山i t ss u p e r i o rf l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c ep l a y sa ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei nt h en e t w o r ka p p l i c a t i o n h o w e v e r , i nt h em a r k e tm a n yu s e r su s et h ew i r e l e s s n e t w o r kc a r d sa sw e l la so t h e rw i r e l e s s8 屺c e s se q u i p m e n t si no r d e rt or e d u c ec o s t sa n dt or e d u c e t h et r o u b l eo fa p p l y i n gf o rs p e c i a lb a n d m o s to ft h e ma g eu s i n gt h ec o m m u n a li s mb a n d t h e r e f o r e ，t h el i m i t e df r e q u e n c yb a n d w i d t hl e a d st ot h em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e ns y s t e m s a n dw i t h i nt h es y s t e m , t h e nf m a l l yr e d u c e sn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dc a u s e ss a f e t yp r o b l e m s f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r yo fw l a na n dt h es p e c t r u ma l l o c a t i o n s t r a t e g yo ft h r e es t a n d a r d si e e e 8 0 2 1l a b gi nc h i n a d u et os p e c t r a lo v e r l a p ，i tl e a d st o i n t e r f e r e n c ea n dd e g r a d e sc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y n e x t , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es a m e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n da d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，a sw e l la si n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e u w ba n dw l a n ，a n df m a l l ys u b s t a n t i a l l ys i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oc o n f mt h e r e s u l t s a tl a s t , s e v e r a li n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e df o rs u p p r e s s i n gd i f f e r e n t i n t e r f e r e n c e f i r s t , s o f ts p e c t r u ma d a p t a t i o n ( s s a ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oa c h i e v ei n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nb e t w e e nu w ba n dw l a n ，w h i c hc a l le f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n t h e8 0 2 1l as y s t e ma n du w b n e x t , b yo p t i m i z i n gw l a n sp a r a m e t e rl i k ef r e q u e n c yi n t e r v a l a n dt h ee m i s s i v ep o w e r , i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni s f u l f i l l e d f i n a l l y , au w ba n t e n n aw i t l l t r a p p e dw a v ef u n c t i o ni sd e s i g n e dt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nw l a na n do t h e rs y s t e m s i n5 g h z f r e q u e n c yb a n d , a n dw l a ns e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ei m p r o v e d k e yw o r d s ： s p e c t r u ma n a l y s i s ；i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ；u l t r a - w i d eb a n d ；s o f t - s p e c t n u n a d a p t a t i o nm o d u l a t i o n ；t r a p p e dw a v ea n t e n n a 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录】匝i 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 研究现状2 1 3 主要研究内容与结构。3 第二章无线局域网的频谱分析5 2 1 无线局域网简介5 2 28 0 2 1l b g 的频谱分析8 2 38 0 2 1 l a 的频谱分析9 2 4 无线局域网信道间频谱重叠分析1 0 2 5 本章小结1 3 第三章无线局域网的干扰分析1 4 3 1 无线局域网中的干扰1 4 3 2 无线局域网同邻频干扰仿真测试1 5 3 2 1 仿真模型设计1 5 3 2 2 同邻频干扰仿真1 6 3 3 无线局域网和超宽带之间的干扰分析2 0 3 3 1 干扰模型建立2 0 3 3 2 干扰仿真2 2 3 4 本章小结2 7 第四章无线局域网的干扰抑制设计2 8 4 1 基于s s h 的u w b 与8 0 2 1l a 的干扰抑制设计2 8 4 1 1 基于s s a 的u w b 的系统设计2 8 4 1 2 仿真结果。3 0 4 2 基于无线局域网参数优化的干扰抑制设计3 3 4 2 1 模型设计3 3 4 2 2 仿真结果3 5 4 3 基于陷波天线的无线局域网干扰抑制设计4 0 4 3 1 陷波缝隙天线的设计4 0 4 3 2 性能仿真4 l 4 4 本章小结4 8 第五章结束语4 9 5 1 全文总结4 9 5 2 下一步工作建议。4 9 i i i 童室坚皇盔竺堡主婴塞生堂垡迨塞 旦茎 致谢5 0 参考文献5 1 攻读硕士期间发表论文5 4 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着无线通信技术的广泛应用，传统局域网已经越来越难以满足人们的需求，于是无 线局域网应运而生。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络，但近年来无线局域 网的产品逐渐走向成熟，正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作 用。 无线局域网的简称w l a n 是w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 的缩写，它是利用无线通信 射频技术将计算机设备互联起来，实现资源共享的网络体系。从专业角度讲，无线局域网 就是通过无线信道来实现网络设备之间的通道，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。 通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网的互联功能。 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个i s m 频 段，允许在低发射功率条件下无执照使用这些频段。只要无线局域网适配器或网卡的发射 功率及带外辐射满足f c c 的相关规定，用户提出申请即可使用这些产品。此外，欧洲无线 电委员会( e i 配) 于1 9 9 1 年公布了建议无线局域网使用的一组频段，这些频段分别为2 4 g h z i s m 频段，5 8 g h zi s m 频段，1 7 1 g h zi s m 频段，2 4 g h zi s m 频段和6 0 1 g i - l zi s m 频段。 1 9 9 0 年，i e e e s 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网( w l a n ) 标准工作组。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组的任务为研究1 m b i t s 和2 m b i t s 数据速率、工作在 2 4 g i - i z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月公布了该标准，它 是第一代无线局域网标准之一 无线局域网由于组网方式方便灵活而且成本也不高，目前应用相当广泛，但是由于目 前市场上大部分使用的无线网卡以及其他无线接入设备为了降低成本及减少申请专用频 段的麻烦，大部分都是采用i e e e 8 0 2 1 l b 协议或者是蓝牙协议，这两者都是使用公用的i s m 频段，目前该频段已经十分拥挤导致设备之间非常容易相互干扰。干扰的存在，大大降低 了无线局域网系统的性能，于是很有必要了解不同用户在现有分配现状下的频谱资源占用 情况，对系统内和系统外的干扰情况进行分析，最后进行干扰抑制降低干扰，提高无线局 域网的性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 研究现状 国内外对无线局域网系统内或与其他系统干扰情况的研究主要分以下几个方面： ( 1 )无线局域网系统内的干扰分析。在同一无线局域网系统内，由于它只有三个互不 重叠的信道，频带资源非常有限，而许多应用场景都需要三个以上的信道，它们同时通 信时会产生频谱的重叠并产生干扰。所以对8 0 2 1 l b 协议重叠的信道的分析，重叠信道间 相互干扰的分析是现在8 0 2 1l b 的一个主要课题。 ( 2 )无线局域网与其他系统之间的干扰分析。i s m 频段存在大量无线设备，每个系统 都可能承受来自其它系统的干扰。目前有很多关于无线局域网与超宽带、微波炉、无绳 电话、微波基站以及蓝牙网络设备之间的干扰分析。 文献【l 】分析了8 0 2 1 l b 重叠信道之间的干扰，指出要提高无线局域网性能，必须合理 规划频率资源；文献 2 】分析了微波炉加热设备对无线局域网的影响；文献【3 】分析了蓝牙对 无线局域网的干扰；文献 4 】分析了无线局域网中的同频干扰和临频干扰。 目前国内外对无线局域网干扰抑制研究主要分为以下几个大的方面： ( 1 )分析潜在的射频干扰，阻止干扰源工作。一旦知道潜在的射频干扰的来源，可以 关闭这些设备消除干扰，比如关闭无线局域网用户所在位置附近的蓝牙设备、微波炉或 者减少无绳电话的使用，这是抑制射频干扰的最佳方法。然而，这种做法并不总是可行 的，还要从其他方面抑制干扰。 ( 2 )提供充分的无线局域网覆盖率。减少射频干扰的一个好的做法是保证无线局域网； 在用户所处的区域有很强的信号。如果信号减弱，干扰信号就很难处理，这就意味着要 进行全面的射频站点调查，以确定接入点最有效的数量和位置。 ( 3 )合适地设定配置无线局域网参数。在部署无线局域网时，要调整接入点频率，避 开潜在的干扰信号可能使用的频率。例如，微波炉一般是干扰2 4 9 h z 频段的上面部分。 因此，你把微波炉附近的接入点的频率调整到1 频道或者6 频道，而不采用1 l 频道，就 可以避开微波炉的干扰。 ( 4 )采用5 g i - i z 无线局域网。目前大多数潜在的射频干扰都在2 4 g h z 频段。如果发现 其它避开干扰的技术的作用不够好，那么可以考虑使用8 0 2 1 l a 或者8 0 2 1 l n 网络，除了避 开射频干扰之外，还能获得更高的数据吞吐量。 现在已有许多无线局域网干扰抑制的具体研究，如文献【5 】中提到的利用自适应跳频技 术抑制与蓝牙共存时的干扰问题，这种技术是在许多信道中进行传输信号的快速转换载 波，它使用的是发射器和接收器的虚假序列，通常应用于无线局域网的物理层。采用这种 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 跳频技术，当蓝牙和无线局域网信号频率发生重叠时会自动跳过重叠频率，避免相互干扰： 文献【6 】提出了时分多路复用技术，当2 4g h z 频段内有8 0 2 1 lb g 无线电工作时，除 了那些高优先级的蓝牙传输之外，其余的蓝牙传输都会被关闭，如果8 0 2 1 1b g 闲置，则 链路维护通信仅可能造成带宽下降2 0 0 - 3 ，一般不可能察觉到这个细微的变化； 文献阴提出了用分布式动态干扰检测技术避免无线局域网干扰的新方法，这种方法能 将干扰的影响局限在一个很小的范围。特别适用于接入点密集，严重干扰的情况； 文献 8 】中介绍了软频谱自适应( s o f t - s p e c t r u m a d a p t a t i o n , s s a ) 技术的思想和概念，通过 设计合适的脉冲波形来解决无线局域网系统与超宽带系统间的相互干扰问题： 文献【9 】提出采用陷波设计来规避系统间干扰的问题。 1 3 主要研究内容与结构 本文首先分析无线局域网的三种标准i e e e s 0 2 1l a b g 的频谱分配情况，指出由于频谱 重叠可能会引起干扰，导致通信质量的下降。 接下来进行了干扰的分析，包括无线局域网中同频邻频干扰、超宽带系统和无线局域 网之间的干扰，并进行了大量的仿真，验证了有关分析结果的正确性。 最后针对不同的干扰情况，提出了几种干扰抑制的方法：首先提出了实现超宽带和无 线局域网干扰抑制的软频谱适应算法，从仿真结果可以看到，它能有效的抑制8 0 2 1 1 a 系 ， 统和超宽带之间的干扰；其次通过优化无线局域网中的干扰源参数如频率间隔和发射功。一 率，达到干扰抑制的效果；最后设计了一种具有陷波功能的超宽带天线来降低无线局域网 与其他系统在5 g h z 频段的相互干扰，提高了无线局域网的性能。 根据上述内容，本论文的章节安排如下： 第一章：绪论，介绍了论文的研究背景，国内外的研究现状，和论文的主要研究内容 以及结构： 第二章：分析了无线局域网的标准，对8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l a 的频段分配做了简 要介绍并分析了8 0 2 1l b 信道间频谱重叠情况； 第三章：本章首先介绍了无线局域网中存在的干扰，然后用l x c h a r i o t 对同邻频干扰进 行了建模和仿真，用m a t l a b 软件对超宽带和无线局域网之间的干扰做了建模和仿真。为接 下来的干扰抑制设计做好理论准备： 第四章：本文最后针对不同的干扰情况，提出了几种干扰抑制的方法：首先提出了实 现超宽带和无线局域网干扰抑制的软频谱适应算法，从仿真结果可以看到，它能有效的抑 3 蜜室坚皇盔堂堡主堑塞生堂垡笙銮 蔓= 童缝迨 制8 0 2 11 a 系统和超宽带之间的干扰；其次通过优化无线局域网中的参数如频率间隔和发 射功率，达到干扰抑制的效果；最后设计了一种具有陷波功能的超宽带天线来降低无线局 域网与其他系统在5 g h z 频段的相互干扰，提高了无线局域网的性能； 第五章：对全文进行总结，并展望了未来的工作。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的频谱分析 第二章无线局域网的频谱分析 2 1 无线局域网简介 无线局域网的简称w l a n 是w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 的缩写，它是利用无线通信射 频技术将计算机设备互联起来，实现资源共享的网络体系。从专业角度讲，无线局域网就是 通过无线信道来实现网络设备之间的通道，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗 地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网的互联功能。 无线局域网标准的逻辑机构如图2 1 所示。每个站点所应用的结构包括一个单一m a c 层和多个p h y 层中的一个。 无争用服务 1 l 点协调功能p c f争用服务 ( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 上 m a c 层 分布协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ( c s n 眦a ) 2 4 g h z2 4 g h zi r5 g h z2 4 g h z f h s sd s s s1 m b so f d md s s s 1 m b si m b s2 m b s 6 ，9 ，1 2 ，1 8 2 4 ， 5 5 m b s 2 舭2 m b s 3 6 ，4 8 ，5 4 m b s l i m b s - - - - - - - - - 1 _ - - - - - - - i e e e 8 0 2 1 l 8 0 2 1 l a8 0 2 1 l b 图2 1i e e e s 0 2 1 1 逻辑结构 无线局域网技术的进一步发展和普及首先要求解决不同生产商的无线局域网产品之 间的互通性问题。所以有关部门和国际标准化组织先后开始了无线局域网的标准化工作。 无线局域网技术标准是在上世纪8 0 年代末期由i e e e s 0 2 1 l 工作组开始制定，1 9 9 7 年6 月2 6 日，i e e e 8 0 2 1 l 标准制定完成，1 9 9 7 年1 1 月2 6 日正式发布。 目前常见的协议有：i e e e8 0 2 1i b 、i e e e8 0 2 1l g 、i e e e8 0 2 1 1 a 。 ( 1 ) 正e e8 0 2 1 l s 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第二荦无线局域嘲的频谱分析 i e e e8 0 2 1 1 ，别名w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 无线保真，是在1 9 9 7 年6 月由大量的局域 网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义了物理层和媒体访问控制( 眦) 规范。物 理层定义了数据传输的信号特征和调制，定义了两个r f 传输方法和一个红外线传输方法， r f 传输标准是跳频扩频和直接序列扩频，工作在2 4 0 0 0 - - - - 2 4 8 3 5 g h z 频段。 i e e e8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和 校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2 m b p s 。 由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以i e e e8 0 2 1 1 标准被i e e e8 0 2 1 1 b 所取代了。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 l b 19 9 9 年9 月i e e e8 0 2 1l b 被正式批准，该标准规定w l a n 工作频段在2 4 2 4 8 3 5g h z ， 数据传输速率达到l1 m b p s ，传输距离控制在5 0 15 0 英尺。该标准是对i e e e8 0 2 1 1 的一个 补充，采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传 输速率方面可以根据实际情况在1 1m b p s 、5 5m b p s 、2m b p s 、1m b p s 等不同速率间自动 切换，它改变了w l a n 设计状况，扩大了w l a n 的应用领域。 i e e e8 0 2 1 l b 已成为主流的w l a n 标准，被多数厂商所采用，所推出的产品广泛应用 于办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场合，由于许多w l a n 新标准的出现，i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 9 更是倍受业界关注。 ( 3 ) 正e e8 0 2 1 l a 1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 l a 标准制定完成，该标准规定w l a n 工作频段在5 7 2 5 5 8 5 0g i - i z ， 数据传输速率达到5 4 m b p s 7 2 m b p s ( t u r b o ) ，传输距离控制在1 0 1 0 0 米。该标准也是i e e e 8 0 2 1 1 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术。 i e e e8 0 2 1 1 a 标准是i e e e8 0 2 1 1 b 的后续标准，其设计初衷是取代8 0 2 1 i b 标准，然 而，工作于2 4 g h z 频带是不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用频段，是 公开的，而工作于5 7 2 5 5 8 5 0g i - i z 频带需要执照的，而且i e e e 8 0 2 1 l a 昂贵的卡片价格大 大限制了该技术的发展，一些公司更加看好当时最新混合标准也e e 8 0 2 1l g 。 ( 4 ) m e e 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b 两个标准都存在着缺陷，8 0 2 1 l b 的优势在于价格低廉，但速率较低 ( 最高1 1 m b p s ) , 而8 0 2 1 l a 优势在于传输速率快( 最高5 4 m b p s ) 且受干扰少，但价格相 对较高。 目前最流行的i e e e8 0 2 1l g 认证标准，该标准提出拥有i e e e8 0 2 1l a 的传输速率，安全 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的频谱分析 性较i e e e8 0 2 1 l b 好，采用2 种调制方式，含8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与i e e e 8 0 2 1 1 b 中采用的c c k ，做到与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1i b 兼容。 i e e e s 0 2 1 l g 标准的诞生到流行，无论对用户还是对整个业界都是一个推动，它将把 无线局域网的性能提升到一个新的高度，同时降低构建网络的成本。 ( 5 ) i e e e8 0 2 1 1 n ，为了实现高带宽、高质量的a n 服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，8 0 2 1 l n 应运而生。 在传输速率方面，8 0 2 11 n 可以将w l a n 的传输速率由目前8 0 2 1 l a 及8 0 2 1 l g 提供的 5 4 m b p s 提高到1 0 8 m b p s ，甚至高达5 0 0 m b p s 。这得益于将m i m o ( 多入多出) 与o f d m ( i e 交频分复用) 技术相结合而应用的m i m oo f d m 技术，这个技术不但提高了无线传输质量， 也使传输速率得到极大提升。 在覆盖范围方面，8 0 2 1 l n 采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可 以动态调整波束，保证让w l a n 用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。 因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使w l a n 移动性极大提高r i o 。如表2 1 为 “ w l a n 标准比较。 表2 1 l a n 标准比较 标准8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 l a 网络拓扑 a dh o e ，i n f r a s t r u c t u r e l l c 协议 8 0 2 2l l c m a c 协议 8 0 2 11m a c ：c s m a c a ( d c f 和p c f ( 可选) ，r t s c t s ) 安全机制 i e e e8 0 2 1 1w e p 协议、w p a 、w p a 2 5g h z ，u n 频段 工作频段2 4 g h z ，i s m 频段( 8 3 5 m h z ) ( 3 0 0 m h z ) f h s sd s s s 信道带宽 7 5 个信1 4 个信道， 1 4 个信道，每个2 0 m h z , 道，每个每个 2 0 舭 16 6 m h z ( - 3 d b ) l z2 2 m z b p s k b p s k , q p s k , 16 q a m b p s k , q p s k , 调制方式g f s k q p s k，6 4 - q a m 16 - q a m ，4 q a m 1 , 2 ，5 ，111 , 2 ，5 ，1 11 , 2 ，5 , 11 m b p s 6 ，9 ，1 2 ，16 ，9 ，12 ，18 ，2 4 ，3 6 ，4 8 数据速率 m b p sm b p s 8 , 2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4m b p s和5 4m b p s 编码 c c i t tc r c 1 6 卷积码，码率1 2 ，2 3 ，3 4k = 7 卷积码， 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的频谱分析 码率1 2 ，2 3 ，3 4 发射功率2 0 士2 d b m 1 8 + 2 d b m 室内：5 0 m 室外： 覆盖范围室内：1 5 0 m ：室外：3 0 0 m 1 5 0 m 2 28 0 2 1 1 b g 的频谱分析 8 0 2 1 l b gt 作的2 4 g h z i s m 频段为国际上通用的免许可证频段。2 0 0 1 年我国信息产 业部明确了在2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5 m h z 这8 3 5 m h z 频段内，室内w l a n 可以无需审批地使用。 在可用的8 3 5 m h z 的射频带宽内，共有1 3 个可用信道，每个信道的带宽为2 2 m h z ， 相邻两个信道的中心频率间隔为5 m h z ，这样相邻信道处于重叠状态。表2 2 是我国2 4 g h z 频段w l a n 信道配置表。 图2 2 为2 4 g h z 频段w l a n 信道分配方式示意图。为保证频道之间不互相干扰，要 求两个频道的中心频率间隔不能低于2 5m h z 。因此在同一热点，可以选用1 6 1 1 信道复 用，或2 7 1 2 信道复用，或3 8 1 3 信道复用，考虑参照北美标准设计的许多w l a n 设备二一 和终端( 比如网卡) 不能使用1 2 、1 3 信道作为用户信道，建议选用1 6 1 1 信道。 表2 22 4 g h z 频段w i ，a n 信道配置表 信道中心频率( m h z )信道低端高端频率( m h z ) l2 4 1 22 4 0l 2 4 2 3 22 4 1 72 4 0 6 2 4 2 8 32 4 2 22 4 11 2 4 3 3 4 2 4 2 72 4 1 6 2 4 3 8 52 4 3 22 4 2 1 2 4 4 3 62 4 3 72 4 2 6 ，2 4 4 8 72 4 4 22 4 31 2 4 5 3 82 4 4 72 4 3 6 2 4 5 8 92 4 5 22 4 41 2 4 6 3 1 0 2 4 5 72 4 4 6 2 4 6 8 l l2 4 6 22 4 51 2 4 7 3 1 22 4 6 72 4 5 眈4 7 8 1 3 2 4 7 22 4 6 1 2 4 8 3 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线局域网的频谱分析 ：；2 a 1 2，2 a 2 2 2 a 3 2 。：2 a 4 2 ，。2 a 5 2 ， 2 a 6 2 2 4 7 2 2 , 4 8 4 图2 22 4 g i - i z 频段w l a n 信道分配图 2 38 0 2 1 1 a 的频谱分析 8 0 2 1 l a 工作的5 g t - i z 频段在美国为u - n i i 频段，也是免许可证频段。在我国情况有所 不同。2 0 0 2 年7 月信息产业部明确在5 7 2 5 5 8 5 0 m h z 这1 2 5 m h z 频段内，高速无线局域 网与点对点或点对多点扩频通信系统、宽带无线接入系统、蓝牙技术设备及车辆无线自动 识别系统等无线电台站共用这一频段。设置使用5 8 g h z 频段无线电发射台站，必须报所 在省、自治区、直辖市无线电管理机构批准。室外设置的无线局域网须领取电台执照。 5 7 2 5 5 8 5 0 m h z 这一频段原则上用于公众网无线接入通信，运营企业须取得相应的基础电 信业务经营许可。 可用的1 2 5 m h z 带宽划分为5 个信道，每个信道带宽为2 0 m h z ，相邻两个信道的中心 频率间隔为2 0 m h z ，这样相邻信道之间没有相互重叠，具体信道配置方案如表2 3 所示。 图2 3 为8 0 2 1 l a 频点分配方式示意图： 表2 35 8 g h z 频段w i , a n 信道配置表 信道中心频率( m h z )信道低端高端频率( m l - l z ) l5 7 4 5 5 7 3 5 5 7 5 5 25 7 6 55 7 5 5 5 7 7 5 35 7 8 55 7 7 5 5 7 9 5 45 8 0 5 5 7 9 5 5 8 1 5 55 8 2 55 8 1 5 5 8 3 5 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的频谱分析 图2 38 0 2 1 l a 频点分配方式示意图 在同样是5 4 m b s 的传输速率的8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 标准中，8 0 2 1 l a 在信道可用性方面 更具优势。这是因为8 0 2 1 l a 工作在更加宽松的5 g h z 频段，相邻信道之间没有重叠，因 此它能有效降低信道之间的冲突。 但事物的两面性在i e e e 8 0 2 1 1 a 上表现无遗，8 0 2 1 l a 也正因为工作频段较高，使得 8 0 2 1 l a 的传输距离大打折扣，其无线a p 的覆盖范围只有8 0 2 1 l b g 的一半左右或更低。 以实际情况来说，如果一个8 0 2 1 l b 的无线a p 的室内覆盖可达8 0 米，那么8 0 2 1 l a 就只 能达到3 0 米左右。此外，由于设计复杂，基于8 0 2 1 1 a 标准的无线产品的成本要比8 0 2 1 l b 卜 高的多，使它在市场上的扩展大受限制n 1 1 。 2 4 无线局域网信道间频谱重叠分析 本文以8 0 2 1 l b 为例，对无线局域网信道间的频谱重叠情况进行分析。已知8 0 2 1 l b ? 的频点分配状况，首先对重叠信道的频谱进行分析，算出相邻信道频率重叠区间的功率相 对于信道功率的归一化值，即功率重叠因子，以此来表征相邻信道间的干扰大小。 8 0 2 1l b 使用直接序列扩频技术( d s s s ) ，速率为5 5 m b p s 和ll m b p s ，采用补码键 控( c c k ) 调制方式，其频谱为： f ls i n ( 2 n w ) l s p e c ( w ) = l 2 # w l ，w 0 ( 2 1 ) 、【1 , w = 0 考虑到接收端和发送端的无线网卡都有中频率滤波器，可以有效的衰减功率谱的边 带。虽然网卡中的滤波器因生产商而异，但其主要的功能都是一样的，在这里并不影响推 导过程。用p r i s m 芯片组的无线网卡为例，其中频率滤波器特性： m = 高 q 彩 i o 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线局域网的频谱分析 d s s s 调制方式经过该滤波器后频谱如下图2 4 所示： 笸 、 l ： i l 。 ； i1 ，a 腻 | 频率( m 量坳 图2 4 滤波后的频谱示意图 定义一个重叠函数，它表示信道i ，_ ，的频谱在频率厂处的重叠情况： o v e r l a p ( i ，j ，厂) = s p e c ( c h ( i ，厂) ) f i l t ( c h ( i ，厂) ) s p e c ( c h ( j ，厂) ) f i t t c c h ( j ，厂) ) ( 2 - 3 ) 这里c h ( i ，厂) - 上鼍业 ( 2 4 ) 功率重叠因子可以通过在信道频率重叠的区间上对重叠函数进行积分获得： 、 哌，= 去。咖o 皿 ( 2 - 5 ) 上式对功率重叠因子进行了归一化，其中d 甄是信道和其自身的功率重叠因子，即： 2 5 挈 d 毵= io v e r l a p ( i , i ，x ) a x ( 2 - 6 ) 西。 由上述公式算出了8 0 2 1 l b 中各信道的功率重叠因子，如表2 4 所示n 幻。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线局域网的频谱分析 表2 48 0 2 1l b 中各信道的功率重叠因子 信道间隔( 信道之差)干扰因子 o1 l0 7 2 6 9 20 2 7 0 8 30 0 3 7 0 4 0 0 0 5 4 50 0 0 0 8 6 0 0 0 0 2 70 8 0 由表2 4 可以得出： 1 当信道间隔为l 和2 时，相邻信道间的功率重叠还是比较多的，干扰也比较大。 2 当信道间隔达到3 以上，信道间的功率重叠就比较少了，干扰较小。 3 当信道间隔达到5 ，如信道l 和信道6 之间，功率重叠极小，互相基本没有干扰了。、 然而，当信道间隔为0 时，即两个信道完全重合，干扰最大，但带宽却并不是最小的； 当信道间隔为1 和2 时，带宽却小于两信道相同的情况，这与8 0 2 1 1 的c s m a c a 机制有t t 关。 当两相同信道同时工作时，8 0 2 1 1 b 的c s m a c a 机制可以有效地检测信道的忙闲状 态，进行退避，控制各节点对信道的竞争，防止数据包的冲突，保证了通信的质量。而当 信道l 和信道2 共存时，由于频率不同，各站点无法获得信道忙状态持续时间，站点之 间处于相对隔绝的状态，盲目的发送数据，而由前面分析可知，两信道在彼此频率范围内 的能量仍然是很大的，同时发送数据必然导致错误和重传，各站点也会降低发送速率 ( 1 m b p s 或2 m b p s ) ，导致通信质量的急剧下降。 从本节的分析表明，当信道间隔小于等于2 时，通信质量较差，网络带宽低于相同信 道并存的情况；当信道间隔大于2 时，虽然存在信道间干扰，但由于相邻信道在彼此频率 范围上的功率较小，带宽将高于相同信道并存的情况。在需要信道数较多的场景中，可以 根据网络带宽需求有选择的使用相互重叠的信道，并配合无线资源管理技术，更好的发挥 8 0 2 1 1 b 的网络性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的频谱分析 2 5 本章小结 本章首先描述了无线局域网的几种标准，然后对8 0 2 11 怕儋三种标准的频谱进行了分 析，分析不同用户在此分配策略下的频谱资源占用情况，指出由于频谱重叠引起了干扰问 题，导致通信质量的下降。为第三章、第四章介绍无线局域网的干扰分析和干扰抑制做准 备。 1 3 有序的电磁环境，需要对无线局域网中的干扰有正确的了解。 无线局域网中的干扰按产生机理分为以下