Nghiên cứu chuẩn 802 11n và phương pháp nâng cao hiệu suất sử dụng kênh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ PHƯƠNG NAM Lê Phương Nam KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU CHUẨN 802.11N VÀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT SỬ DỤNG KÊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thơng KHỐ 2011 Hà Nội – Năm 2013 Mục lục Các thuật ngữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị 10 Lời nói đầu 12 Chương 1.1 Tổng quan WLAN 13 Tổng quan .13 1.1.1 Khái niệm 13 1.1.2 Môi trường không dây thông tin di động .14 1.1.2.1 Méo biên độ 15 1.1.2.2 Suy hao đường truyền .18 1.1.2.3 Trải trễ tượng đa đường 19 1.1.2.4 Tạp âm trắng Gauss 20 1.1.2.5 Hiện tượng Doppler .20 1.1.3 1.2 Kỹ thuật trải phổ 22 1.1.3.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 22 1.1.3.2 Kỹ thuật điều chế OFDM 22 Đặc điểm chung 802.11 23 1.2.1 Các thành phần kiến trúc chuẩn 802.11 24 1.2.2 Các mơ hình 802.11 26 1.3 1.2.2.1 Mơ hình mạngAD HOC (IBSSs) 26 1.2.2.2 Mơ hình mạng sở (BSSs) 26 1.2.2.3 Mơ hình mạng mở rộng (ESSs) .27 Các chuẩn 802.11 28 1.3.1 Chuẩn 802.11b 28 1.3.2 Chuẩn 802.11a .29 1.3.3 Chuẩn 802.11g 29 1.3.4 Chuẩn 802.11n 29 1.3.5 Bảng tổng hợp đặc điểm kỹ thuật chuẩn 802.11 30 1.4 Những đặc điểm chuẩn 802.11n .30 Chương 2.1 Lớp Vật lý chuẩn 802.11n .32 Tổng quan MIMO - OFDM 32 2.1.1 SISO 32 2.1.2 MIMO .33 2.1.3 MIMO-OFDM .38 2.1.3.1 Bộ phát 38 2.1.3.2 Bộ thu 39 2.1.3.3 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM 39 2.1.3.4 Cấu trúc khung (frame) hệ thống MIMO-OFDM .41 Sự tương thích lớp vật lý với thiết bị chuẩn 802.11 cũ 42 2.2 2.2.1 Cấu trúc gói liệu 802.11a 42 2.2.1.1 Các trường .42 2.2.1.2 Truyền nhận liệu 44 2.2.2 Cấu trúc gói tin chuẩn 802.11n (Mixed Format - MF) 47 2.2.2.1 Non-HT MF Preamble 48 2.2.2.2 Các thành phần HT MF Preamble 48 2.2.2.3 Trường Data 50 2.3 Cải thiện hiệu suất sử dụng kênh 50 2.3.1 Cải thiện thông lượng kênh .50 2.3.2 Chế độ kênh 40MHz .54 2.3.2.1 Thiết kế sóng mang mặt nạ phổ 54 2.3.2.2 Thiết kế kênh 56 2.3.2.3 Mã hóa liệu kênh 40MHz 57 2.3.2.4 Chế độ HT Duplicate (MCS 32) .59 2.3.3 Mã hóa điều chế nâng cao 60 2.3.4 Greenfield (GF) preamble .61 2.3.4.1 Định dạng GF preamble 61 2.3.4.2 Hiệu lớp vật lý .62 2.3.5 Chương 3.1 Giảm khoảng bảo vệ (Short GI) 63 Lớp MAC chuẩn 802.11n 64 Tìm hiểu chung .64 3.1.1 3.1.1.1 SIFS 66 3.1.1.2 Khe thời gian 66 3.1.1.3 PIFS 66 3.1.1.4 DIFS 67 3.1.1.5 Thuật toán thời gian chờ ngẫu nhiên (Random backoff) .67 3.1.2 Các chức quản lý 68 3.1.2.1 Khung Beacon 68 3.1.2.2 Quét tìm thiết bị 69 3.1.2.3 Sự phân mảnh 70 3.1.3 Hiện tượng Hidden node 71 3.1.3.1 Trao đổi khung RTS/CTS .72 3.1.3.2 EIFS .73 3.1.4 3.2 Truy nhập kênh phân tán 65 Truy nhập kênh phân tán nâng cao (EDCA) 74 3.1.4.1 Khoảng thời gian truyền dẫn TXOP (Transmit opportunity) 75 3.1.4.2 Thời gian truy nhập kênh truyền với EDCA 76 Cải thiện thông lượng lớp MAC 77 3.2.1 Sự kết hợp khung 77 3.2.1.1 A-MSDU 77 3.2.1.2 A-MPDU 78 3.2.2 Giảm khoảng cách liên khung RIFS .81 3.2.3 Báo nhận theo khối (Block Acknowledgement) .82 3.3 Quản lý điện (Power Save) .84 3.3.1 Chế độ SMPS 85 3.3.2 Chế độ PSMP 86 3.4 Sự tương tác tồn (Interoperability Coexistence) 87 3.4.1 Điều khiển hoạt động trạm 88 3.4.2 Chế độ hoạt động 20 MHZ 20/40 MHz .89 3.4.2.1 Chế độ hoạt động 20 MHz 89 3.4.2.2 Chế độ hoạt động 20/40 MHz 89 3.4.3 Chế độ PCO 91 3.4.4 Cơ chế bảo vệ 93 3.4.4.1 Cơ chế bảo vệ định dạng Greenfield .93 3.4.4.2 Cơ chế bảo vệ RTS/CTS 93 3.4.4.3 Cơ chế bảo vệ CTS-to-Self .94 3.5 Định dạng khung MAC 95 Chương Mô Phỏng 96 4.1 Giới thiệu nội dung mô 96 4.2 Các thông số mô 96 4.2.1 Hệ thống OFDM 96 4.2.2 Hệ thống MIMO-OFDM 97 4.3 Lưu đồ sơ đồ thuật tốn chương trình mô 98 4.3.1 Truyền tín hiệu 98 4.3.2 Kênh truyền .98 4.3.3 Nhận tín hiệu 99 4.3.4 Thuật tốn tính BER 100 4.4 Kết mô đánh giá 101 4.4.1 Trường hợp mã hóa 4-QAM FFT = 256 101 4.4.2 Trường hợp mã hóa 16-QAM FFT = 512 102 4.4.3 Nhận xét 102 4.5 Chương Kết luận 103 Kết luận đề xuất hướng nghiên cứu 104 5.1 Những kết luận luận văn .104 5.2 Hướng nghiên cứu 104 Tài liệu tham khảo .106 Các thuật ngữ viết tắt AC Access Category ACK Acknowledgement ADDBA Add Block Acknowledgement AGC Automatic Gain Control AIFS Arbitration Inter-Frame Space A-MPDU Aggregate MAC Protocol Data Unit A-MSDU Aggregate MAC Service Data Unit AP Access Point BA Block Acknowledgement BPSK Binary phase shift keying BSS Basic Service Set BSSID BSS Identifier CCA Clear Channel Assessment CP Contention Period CRC Cyclic Redundancy Code CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance CTS Clear To Send CW Contention Window DCF Distributed Coordination Function DELBA Delete Block Acknowledgement DIFS DCF Inter-Frame Space DSSS Direct Sequence Spread Spectrum EDCA Enhanced Distributed Channel Access EIFS Extended Inter-Frame Space ERP Enhanced Rate PHY ESS Extended Service Set FCC Federal Communications Commission FCS Frame Check Sequence FHSS Frequency Hopped Spread Spectrum GF Greenfield GI Guard Interval HC Hybrid Coordinator HT High Throughput HT-DATA High Throughput Data field HT-LTF High Throughput Long Training field HT-SIG High Throughput Signal field HT-STF High Throughput Short Training field IBSS Independent Basic Service Set IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IFS Inter-Frame Space ISI Inter-Symbol Interference LLC Logical Link Control L-LTF Legacy (Non-HT) Long Training field L-SIG Legacy (Non-HT) Signal field L-STF Legacy (Non-HT) Short Training field MAC Medium Access Control MCS Modulation and Coding Scheme MF Mixed Format MIMO Multiple-Input Multiple-Output MMPDU MAC Management Protocol Data Unit MPDU MAC Protocol Data Unit MSDU MAC Service Data Unit NAV Network Allocation Vector OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PCF Point Coordination Function PCO Phased Coexistence Operation PDU Protocol Data Unit PHY Physical Layer PIFS PCF Inter-Frame Space PLCP Physical Layer Convergence Procedure PPDU PLCP Protocol Data Unit PSDU PLCP Service Data Unit PSMP Power-Save Multi-Poll PSMP-DTT Downlink Transmission Time PSMP-UTT PSMP Uplink Transmission Time QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RIFS Reduced Inter-Frame Space RTS Request To Send SD Spatial Diversity SDM Spatial Sivision Multiplexing SDU Service Data Unit SIFS Short Inter-Frame Space SISO Single-Input, Single-Output SNR Signal-to-Noise Ratio SSID Service Set Identifier SSN Starting Sequence Number TC Traffic Category TGn Task Group n TID Traffic Identifier TXOP Transmit Opportunity VoIP Voice over IP WLAN Wireless Local Area Network Danh mục bảng Bảng 1.1 Đặc điểm kỹ thuật chuẩn 802.11 .30 Bảng 2.1 Thông tin tốc độ trường rate 44 Bảng 2.2 Các thông số MCS 802.11n 60 Bảng 2.3 Chiều dài Preamble 62 Bảng 3.1 Mức độ ưu tiên kiểu truy nhập 74 Bảng 3.2 Các tham số truy nhập EDCA 76 Chương Lớp MAC chuẩn 802.11n chế độ Mixed cho phép chế độ 20/40 MHz hoạt động chế độ Mixed, có chế độ kênh 20 MHz hoạt động Hình 3.18 Cơ chế PCO Trong hình trên, 802.11a/b/g hoạt động tương thích với thành phần kênh 20 MHz client chuẩn 802.11n hoạt động chế độ kênh 40 MHz Để trì trật tự cung cấp thơng lượng tốt nhất, cần thực hai chế Thứ nhất, client 802.11n, AP sẻ quảng bá chuyển đổi diễn hoạt động nó, cho phép client tiếp tục trao đổi tất lát thời gian (time slices), cho dù 20 MHz hay 40 MHz Rõ ràng, thông lượng thấp lát thời gian 20 MHz, nhiên, việc truyền dẫn hai chiều AP client không bị gián đoạn Trong sơ đồ thấy tất lát thời gian để đơn giản, AP lựa chọn số khoảng thời gian quy định cho lát thời gian Đối với client chuẩn cũ, có ba chế độ hoạt động (40 MHz, upper 20 MHz, Lower 20 MHz) thời điểm, client hoạt động 92 Chương Lớp MAC chuẩn 802.11n kênh 20 MHz Trong lát thời gian AP hoạt động hai chế độ lại, AP gửi khung CTS thông báo client truyền liệu, client thiết lập NAV 3.4.4 Cơ chế bảo vệ Việc bảo vệ định dạng khung chế 802.11 Trong chuẩn 802.11g bổ sung đưa khái niệm tốc độ lớp vật lý nâng cao ERP (enhanced rate PHY) cho hoạt động OFDM băng tần 2.4 GHz, yêu cầu phải có chế bảo vệ chống lại phổ biến thiết bị 802.11b (DSSS) vào thời điểm Để kích hoạt chế AP thiết lập bít Use_Protection ERP Information Element có khung Beacon Proble Phúc đáp 802.11n chuẩn mới, nên cần sử dụng chế bảo vệ với mục đích 3.4.4.1 Cơ chế bảo vệ định dạng Greenfield GF preamble ngắn hiệu so với MF preamble Tuy nhiên, GF preamble khơng có khả tương thích với trạm chuẩn cũ, số trạm HT nhận GF preamble Một trạm HT xác định khơng có khả nhận GF cách thiết lập bit Greenfield HT Capabilities Element 3.4.4.2 Cơ chế bảo vệ RTS/CTS Việc trao đổi RTS/CTS diễn vào thời điểm bắt đầu TXOP, thiết lập NAV trạm vùng lân cận phía khởi tạo phía thu Các khung RTS CTS truyền với tốc độ bản, nhiều trạm nghe hai loại khung Các trạm giải điều chế thành công RTS CTS hai loại khung có thông tin NAV chúng không truyền khoảng thời gian 93 Chương Lớp MAC chuẩn 802.11n 3.4.4.3 Cơ chế bảo vệ CTS-to-Self CTS-to-Self (Hình 3.19) chế bảo vệ chuỗi khung từ trạm vùng lân cận phía khởi tạo Cơ chế giới thiệu chuẩn 802.11g bổ sung để bảo vệ việc truyền OFDM băng tần 2.4 GHz từ trạm 802.11b có khả phát truyền dẫn DSSS Trong hầu hết các mạng tất trạm phát việc truyền dẫn trạm khác tượng hidden nodes Do đó, chế CTS-to-Self giảm đáng kể overhead so với việc trao đổi RTS/CTS Hình 3.19 Cơ chế CTS-to-Self Tại thời điểm bắt đầu chuỗi, phía khởi tạo gửi khung CTS với trường địa phía nhận RA (Receiver Address) thiết lập địa MAC chúng khoảng thời gian dự định chuỗi nhỏ khoảng thời gian khung CTS Khung CTS truyền cách sử dụng PPDU tốc độ tương thích với trạm sử dụngchuẩn cũ xuất BSS Trong thực tế, CTS-to-Self sử dụng với chuỗi Data/ACK MMPDU/ACK (MAC Management Protocol Data Unit) mà quy định TXOP yêu cầu chuỗi brust chuỗi A-MPDU có trao đổi khung ngắn thực 94 Chương Lớp MAC chuẩn 802.11n thời điểm bắt đầu TXOP chế phát đụng độ Do CTSto-Self tiếp tục sử dụng có xuất trạm 802.11b 3.5 Định dạng khung MAC Mỗi khung MAC bao gồm MAC header, biến chứa chiều dài khung bao gồm thơng tin riêng kiểu khung kiểu con, cuối khung trường FCS chứa 32 bit CRC So với cấu trúc khung chuẩn 802.11 trước, cấu trúc khung 802.11n bổ sung thêm hai trường trường QoS Control trường HT Control với mục đích để hỗ trợ QoS tính Điều minh họa hình Hình 3.20 Định dạng khung chuẩn 802.11 cũ (trên) 802.11n (dưới) 95 Chương Mô Phỏng Chương Mô Phỏng 4.1 Giới thiệu nội dung mô Trong phần mô này, thực đánh giá chất lượng hệ thống MIMOOFDM thông qua so sánh tỉ lệ lỗi bit (BER) theo tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) Ta đánh giá cách so sánh với hệ thống OFDM, hệ thống có chất lượng tốt hệ thống thông tin di động Để thực so sánh ta xây dựng mơ hình hệ thống MIMO-OFDM hệ thống OFDM Tín hiệu truyền tạo ngẫu nhiên, đưa vào khung truyền với dung lượng lớn để đảm bảo đánh giá có độ xác cao Các bước mô thực giống với thực tế Ở máy phát, bước mã hoá, điều chế, IFFT, mã hố khơng gian-thời gian đựơc mơ đầy đủ chi tiết Ở máy phát trình ngược lại giải điều chế, giải mã, ước lượng gần cực đại, thuật toán kết hợp thực cách chi tiết Kênh truyền ảnh hưởng trải trễ, fading Rayleigh, nhiễu giả ngẫu nhiên tạo để giống với thực tế Cuối kết BER theo SNR hai hệ thống vẽ giản đồ để dễ dàng so sánh thấy rõ ưu điểm hệ thống MIMO-OFDM Chương trình viết MATLAB 4.2 Các thông số mô 4.2.1 Hệ thống OFDM  Số khung mơ : 30  Số sóng mang : 16  Điều chế : 4QAM; tuỳ chọn  Chiều dài FFT : Tùy chọn 96 Chương Mơ Phỏng  Số kí tự khung :  Kích thước CP  Băng thơng hệ thống : 16 : 5MHz 4.2.2 Hệ thống MIMO-OFDM  Mơ hình mơ phỏng: MIMO-OFDM, anten phát anten nhận  Số khung mô : 30  Số sóng mang : 16  Điều chế : 4QAM; tuỳ chọn  Chiều dài FFT : tùy chọn  Số kí tự khung :  Kích thước CP  Băng thơng hệ thống : 16 : 5MHz 97 Chương Mô Phỏng 4.3 Lưu đồ sơ đồ thuật tốn chương trình mơ 4.3.1 Truyền tín hiệu Tín hiệu gốc Điều chế Mã hố khối khơng gian-thời gian Thực IFFT, biến đồi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Tín hiệu điều chế truyền 4.3.2 Kênh truyền Tín hiệu từ anten phát Tạo tác động tượng Fading Tạo tác động nhiễu cộng ngẫu nhiên Anten nhận 98 Chương Mô Phỏng 4.3.3 Nhận tín hiệu Anten nhận Thực FFT Kết hợp tín hiệu Giải điều chế Tính BER hệ thống OFDM MIMO-OFDM Vẽ giản đồ BER theo SNR hai hệ thống So sánh đánh giá chất lượng hệ thống 99 Chương Mô Phỏng 4.3.4 Thuật tốn tính BER begin k = SNR(begin) leng=length(s);berr=0;i=0;Y Tín hiệu thu sau xử lí s’(i) False Tín hiệu gốc ban đầu s(i) s’(i)= =s(i)X berr=berr+1; true i=i+1 k=k+step; True i