Оценка помехоустойчивости стандарта передачи данных IEEE 802.11n

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СТАНДАРТА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ieee 802.11n

К.Д. Титов, О.Н. Завалишина, А.О. Липатов

Воронежский государственный университет (ВГУ), Воронеж, Россия

Аннотация

В работе исследована структура битового потока при передаче данных по канальному и физическому уровням сетевой модели OSI по беспроводному каналу стандарта IEEE 802.11n. Определена аналитическая зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум и ширины полосы помехи для разных уровней модуляции и скоростей кодирования. Проведена верификация полученных зависимостей с помощью имитационной модели беспроводного канала передачи данных в среде MATLAB Simulink.

Ключевые слова: помехоустойчивость; исправляющая способность; беспроводной канал; сетевая модель, вероятность ошибки.

Abstract

ASSESMENT OF NOISE stability of standart data transmissions ieee 802.11N

K. D. Titov, O. N. Zavalishina, A. O. Lipatov

Voronezh State University (VSU), Voronezh, Russia

In this work, the structure of the bit stream during data transmission over the data link and physical layers of the OSI network model over the wireless link of the IEEE 802.11n was investigated. The analytical dependence of the bit error rate on the signal-to-noise ratio and interference bandwidth was determined for different modulation levels and coding rates. Verification of the obtained dependences by the simulation model of a wireless data transmission channel in the MATLAB Simulink environment has been carried out.

Keywords: noise stability; correction capability; wireless link; network model, error probability.

Анализ помехоустойчивости современных и перспективных стандартов передачи данных является актуальной задачей [1-4]. Перспективные стандарты передачи данных основаны на использовании современных технологий, включающих в себя многоуровневые модуляции, помехоустойчивое кодирование, многоканальную передачу MIMO и MU-MIMO и т.д. [5-9]. Использование всех этих методов повышает скорость передачи данных, пропускную способность, стабильность приёма сигнала, позволяет обслуживать несколько клиентов одновременно, увеличивает зону покрытия и снижает энергопотребление, однако отрицательно сказывается на помехоустойчивости.

Целью работы является оценка воздействия помех на беспроводной канал передачи данных, на примере стандарта IEEE 802.11n, аналитический расчёт вероятности битовой ошибки с учётом ширины полосы мешающего сигнала, вида модуляции, исправляющей способности свёрточного кодера и структуры пакета передаваемых данных, а также подтверждение полученных зависимостей имитационной моделью беспроводного канала передачи данных в среде MATLAB Simulink.

Для сигнала, модулированного M-PSK (многопозиционная фазовая модуляция, M-ary Phase Shift Keying) вероятность символьной ошибки без учета кодирования, определяется выражением [10]

, (1)

где - количество бит на символ, а - порядок модуляции.

Вероятность битовой ошибки из (1) определяется как [10, 11]

, (2)

где - вес Хэмминга последовательности бит, соответствующих символу , и

Для частного случая, модуляции BPSK (двоичная фазовая модуляция, Binary Phase Shift Keying), вероятности битовой (2) и символьной (1) ошибки определяются выражением

.

Для сигнала, модулированного M-QAM (многопозиционная квадратурная амплитудная, M-ary Quadrature Amplitude Modulation), вероятность символьной ошибки без учета кодирования имеет вид [10, 12]

. (3)

Вероятность битовой ошибки из (3) определяется как [13]

(4)

В основе стандарта IEEE 802.11n лежит система MIMO, то есть радиосистема с несколькими раздельными путями приёма и передачи. Для борьбы с замираниями или снижения их влияния в стандарте используется разнесённый приём, при котором точка доступа преобразует несколько принятых сигналов в один более качественный сигнал, совмещая их фазы и амплитуды, чтобы получить наилучший возможный сигнал. Повышение эффективности при разнесённом приёме достигается в том случае, если при достаточно большом расстоянии между антеннами замирания сигнала, принятого одной антенной, практически не зависят от замираний сигнала на выходе другой антенны. Разнесённый приём предполагает наличие раздельных приёмных каналов (ветвей разнесения) с независимыми замираниями. Применяемый при этом алгоритм MRC (maximal ratio combining) максимизирует отношение сигнал/шум (ОСШ) и обычно используется во всех точках доступа стандарта IEEE 802.11n. При объединении разнесённых сигналов по принципу максимального отношения сигналы со всех ветвей взвешиваются согласно их личным ОСШ, а затем суммируются. Перед суммированием требуется достичь синфазности суммируемых сигналов. Суммирование с максимальным отношением даёт среднее ОСШ, равное сумме отдельных средних ОСШ. Таким образом, объединение сигналов с максимальным отношением может дать приемлемое среднее ОСШ, даже если ни одно из средних значений не является приемлемым.

Вероятность битовой ошибки без учёта кодирования и с использованием MRC [10, 11] для сигнала, модулированного M-PSK из (2) определяется выражением

, (5)

- количество ветвей разнесения, - индекс канала, - производящая функция моментов на каждую ветвь разнесения, - ОСШ отдельной ветви.

Вероятность битовой ошибки без учёта кодирования и с использованием MRC [10] для модуляции M-QAM из (4) определяется выражением

(6)

В системах связи и передачи данных стандарта IEEE 802.11 для обеспечения возможности обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие в следствие передачи по беспроводному каналу, используется свёрточное кодирование. Сверточный код при декодировании по алгоритму Витерби по принятой последовательности определяет наиболее правдоподобный путь к каждому узлу и определяет расстояние (меру расходимости пути) между каждым путём и принятой последовательностью. В качестве оценки принятой последовательности выбирается сегмент с наименьшей мерой расходимости, который называется выжившим путём. Соответствующие метрики при поиске по решётке могут быть метриками Хемминга или метриками Евклида в зависимости от жесткого или мягкого решения, формируемого детектором. Поскольку свёрточный код не обязательно имеет фиксированную длину, рассматриваются два пути на решётке, отличающихся между собой. В частности, при декодировании с мягким решением определяется вероятность первого пересечения другого пути в определенном узле с путём из одних нулей, как вероятность того, что этот путь имеет метрику, которая превосходит метрику пути из одних нулей первый раз. Предположим, что неправильный путь, который сливается с путём из одних нулей, отличается на бита, то есть имеются единиц, а остальные элементы - нули. Вероятность ошибки при попарном сравнении этих двух путей, которые отличаются в позициях, равна [12]

, (7)

где - ОСШ на бит принимаемого сигнала, а - скорость кода.

Передаточная функция кода

,

даёт полное описание всех возможных путей, которые пересекаются или сливаются с путём из одних нулей в узле, а также их расстояний, где - свободное расстояние кода, - число путей с расстоянием , - вес входной информационной последовательности, соответствующей переходу состояния кодера, - вес информационного слова, - вес выходной последовательности, соответствующей переходу состояния кодера. Дифференцирование по позволяет получить подходящие множители, соответствующие числу ошибок по информационным символам для каждого неправильного выбранного пути

.

Так как вероятность битовой ошибки связана с передаточной функцией, возможно суммирование вероятности ошибки по всем возможным расстояниям путей, что позволяет получить верхнюю границу для вероятности ошибки первого пересечения, характеризующую эффективность свёрточного кода

, (8)

где определяется выражениями (5) и (6) для M-PSK и M-QAM соответственно, при условии в соответствии с выражением (7).

Для алгоритма Витерби, использующегося для декодирования принятых данных с жёстким решением, основной метрикой является расстояние Хемминга между принимаемой последовательностью и выжившими последовательностями в каждом узле решётки. Сначала рассчитывается вероятность первого ошибочного события и считается, что передаётся путь из одних нулей. Предполагается, что путь, который сравнивается с путём из одних нулей в некотором узле, имеет расстояние относительно пути из одних нулей. Если нечётно, то путь из одних нулей будет выбран без ошибок в том случае, если число ошибок в принимаемой последовательности меньше, чем , иначе будет выбран неправильный путь. Следовательно, вероятность выбора неправильного пути равна

.

где - вероятность ошибочного приёма символа в двоичном симметричном канале, определяемая выражениями (5) и (6) для M-PSK и M-QAM соответственно.

Если четно, то неправильный путь выбирается, когда число ошибок превышает . Если число ошибок равно , то имеется связь между метриками двух путей, которую можно разрешить случайным выбором одного из путей, так что ошибка возникнет в половине случаев. Следовательно, вероятность выбора неправильного пути

Особенности стандарта IEEE 802.11n

Для оценки помехоустойчивости канала передачи данных исследовалась структура битового потока, формируемого в соответствии с сетевой моделью OSI [14]. Выбор протокола на каждом из уровней обуславливается требованиями к архитектуре сети, качеству и количеству передаваемой информации, конфиденциальности, а также характеристиками среды передачи информации. Для определения количества полезной и служебной информации была рассмотрена структура битового потока, формируемого при передаче данных только на канальном и физическом уровнях, которые определяются протоколом IEEE 802.11n [5]. Для формирования базовой модели не учитывались протоколы передачи данных, определяемые на сетевом, транспортном и сеансовом уровнях. Таким образом, не учитывалось влияние исправляющей способности и пакетных ошибок на этих уровнях, что позволяет оценить помехоустойчивость непосредственно самого стандарта IEEE 802.11n без привязки к типу передаваемой информации и формируемым пакетам данных на верхних уровнях. В качестве полезной информации рассматривался поток данных, формируемых генератором случайных чисел. Предлагаемый подход может быть применён для любых протоколов и стандартов передаваемой информации с учётом формирования кадров от уровня приложений до физического уровня. На рисунке 1 представлена структура битового потока, формируемого при передаче по беспроводному каналу стандарта IEEE 802.11n.

Рис.1. Структура битового потока на канальном и физическом уровнях сетевой модели.

Просуммировав всю полезную информацию в одном PLCP-кадре (процедура определения состояния физического уровня, Physical Layer Convergence Procedure) определяем величину , а величина определяется как сумма бит всей служебной информации в пакете. Таким образом, вероятности того, что в последовательности бит в текущий момент времени исказится бит из заголовка или из полезных данных, определяется соответственно выражениями

. (9)

Делая предположение, что искажение заголовка или элементов служебной информации приведёт к потере всего пакета, с учётом выражений для вероятности искажения произвольного бита информации без привязки к его значимости (8) и вероятностей появления в последовательности бита служебной или бита полезных данных (9) запишем вероятность битовой ошибки

. (10)

Для учёта ширины полосы помехи в вероятности битовой ошибки определим параметр , указывающий часть полосы сигнала, в которой присутствует помеха. При подавлении сигнала узкополосной помехой вероятность корректного получения одного символа равна . С другой стороны, при спектральной плотности мощности помех вероятность подавления передачи одного символа равна . Используя уравнение (10), можно выразить вероятность битовой ошибки в следующем виде

.(11)

В частном случае, вероятность битовой ошибки с учётом ширины полосы узкополосной помехи и без учёта кодирования и использования MRC для BPSK сигнала будет равна

.

Для проверки аналитических выражений в работе была рассмотрена модель беспроводного канала стандарта IEEE 802.11n в среде MATLAB Simulink (рис. 4). Передатчик формирует пакет данных стандарта IEEE 802.11n, который разбивается на два потока. Далее данные передаются в канал, где блок AWGN устанавливает заданный уровень шума. Генератор помех создаёт узкополосную помеху в выбранном частотном диапазоне с фиксированной спектральной плотностью мощности, которая накладывается с помощью сумматора на аддитивную смесь сигнала и шума. Далее приёмник декодирует принятый сигнал. На блок визуализации результатов моделирования поступают исходный сигнал и сигнал, прошедший через канал с шумом и помехой, и производится подсчёт количества искажённых бит и вероятность битовой ошибки BER.

Рис. 2. Анализируемая модель стандарта IEEE 802.11n.

По результатам моделирования и аналитического расчета по формуле (11) была получена зависимость вероятности битовых ошибок от доли перекрытия полезного сигнала узкополосной помехой в стандарте IEEE 802.11n.

На рисунке 5 изображена зависимость вероятности битовой ошибки от доли перекрытия сигнала помехой для разных видов модуляции, полученные по результатам моделирования. Кривые с закрашенными круглыми маркерами соответствуют модуляции BPSK со скоростью кодирования 1/2, с квадратными - QPSK 3/4, с круглыми - QAM-16 3/4 и с ромбовыми - QAM-64 3/4.

Рис. 3. Зависимость вероятности битовой ошибки от доли перекрытия сигнала помехой для разных модуляций.

Из рисунка 5 видно, что с ростом уровня модуляции увеличивается вероятность появления битовых ошибок в зависимости от ширины полосы помехи. Превышение вероятности битовой ошибки на уровне 10^-3 [15] для QPSK 3/4 происходит при перекрытии помехой порядка 10% спектра полезного сигнала, а для BPSK 1/2 - порядка 30%. Наличие помехи со спектральной плотностью мощности превышающей спектральную плотность мощности сигнала в два раза приводит к невозможности обеспечения заданного уровня достоверности для цифровых систем радиосвязи и передачи данных [15] для высоких порядков модуляции QAM-16 и QAM-64.

В интересах оценки влияния скорости кодирования на вероятности битовой ошибки при прочих равных условиях на рисунке 6 изображена зависимость для одного вида модуляции QAM-64, на котором кривые, полученные моделированием, характеризуют различные скорости кодирования: кривые с закрашенными круглыми маркерами соответствуют скорости кодирования, равной 2/3, квадратные - 3/4 и круглые - 5/6.

Рис. 4. Зависимость вероятности битовой ошибки от доли перекрытия сигнала помехой для разных скоростей кодирования.

Из рисунка 6 видно, что в зависимости от доли перекрытия полезного сигнала помехой с ростом скорости кодирования увеличивается вероятность появления битовых ошибок.

По результатам моделирования была получена зависимость вероятности битовой ошибки от степени перекрытия сигнала помехой и вероятности битовой ошибки. На рисунке 7 изображён трёхмерный график, полученный по результатам моделирования, а также пунктирная кривая, построенная по выражению (11) при фиксированной вероятности битовой ошибки равной 10^-3 [15]. Исходя из рисунка 7 возможно определить минимальную ширину полосы помехи (количество зашумлённых поднесущих) фиксированной мощности в зависимости от требуемой вероятности искажения, при которой система связи и передачи данных может функционировать [15].

Рис. 5. Зависимость вероятности битовой ошибки от количества зашумлённых поднесущих и отношения спектральной плотности мощности и помехи.

сетевой сигнал беспроводной помехоустойчивость

Перспективные стандарты передачи данных основаны на использовании более высоких порядков модуляции, что негативно сказывается на помехоустойчивости беспроводных каналов. Разработанная методика позволяет оценить помехоустойчивость беспроводных каналов связи на основе стандартов передачи данных, используемых видов модуляции и скорости кодирования, а также параметров помехи. Приведённые результаты помогли определить границы критического влияния помех и могут быть использованы для адаптации алгоритмов работы приёмника в интересах повышения качества передачи информации по беспроводным каналам.

Литература

1. Петренко Б. П. Оценка помехоустойчивости OFDM сигналов в системах передачи информации при воздействии дестабилизирующих факторов. // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - 31 с.

2. Синицын Д.В. Повышение помехоустойчивости радиотехнических систем передачи информации с использованием сверточных алгоритмов обработки сигналов: дис. канд. техн. наук: 05.12.04: защищена 24.02.15. Владимир, 2014 - 127 с.

3. Зяблов В.В., Коробков Д. Л., Портной С. Л. Высокоскоростная передача сообщений в реальных каналах. М.: Радио и связь, 1991. - 288 с.

4. Фокин Г.А. Принципы и технологии цифровой связи. Основы расчетов: учебное пособие, СПбГУТ. - СПб., 2014 - 151 с.

5. IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems-- Local and metropolitan area networks Specific - requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 2007.

6. Cisco «802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi» Technical White Paper, August 2012. - 25 p.

7. Matthew S. Gast «802.11ac: A Survival Guide». O'Reilly Media, 2013.

8. Cisco «IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi» Technical White Paper, 2018.

9. 802.11ad - WLAN at 60 GHz A Technology Introduction White Paper, 2017.

10. Simon, M. K., and Alouini, M. S., Digital Communication over Fading Channels - A Unified Approach to Performance Analysis, 1st Ed., Wiley, 2000.

11. Lee, P. J., "Computation of the bit error rate of coherent M-ary PSK with Gray code bit mapping", IEEE Trans. Commun., Vol. COM-34, Number 5, 1986. - pp. 488-491.

12. Прокис, Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.

13. Cho, K., and Yoon, D., "On the general BER expression of one- and two-dimensional amplitude modulations", IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 7, July 2002, pp. 1074-1080.

14. Филимонов А. Ю. Построение мультисервисных сетей Ethernet. М.: BHV, 2007. - 592 с.

15. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. М.: Техносфера, 2006 г. - 288с.

References

1. Petrenko B. P. Assessment of immunity OFDM signal in communication system under the influence of destabilizing factors. // Science and education: scientific edition MSTU named after E.E. Bauman, 2012. - 31 p.

2. Sinitsyn D.V. Increase in noise stability of radio engineering systems of information transfer with use the convolution algorithms of processing of signals. Cand. Diss. Vladimir, 2014 - 127 p.

3. Zyablov V.V., Korobkov D.L, Portnoy S.L. "Highspeed information transmission in real channels", Moscow, Radio and Svyaz, 1991, 288 p.

4. Fokin G.A. Principles and technologies of digital communication. Fundamentals of calculation: a textbook, SPbGUT. - SPb, 2014 - 151 p.

5. IEEE Standard for Information technology. Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks Specific - requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 2007.

6. Cisco «802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi» Technical White Paper, August 2012. - 25 p.

7. Matthew S. Gast «802.11ac: A Survival Guide». O'Reilly Media, 2013.

8. Cisco «IEEE 802.11ax: The Sixth Generation of Wi-Fi» Technical White Paper, 2018.

9. 802.11ad - WLAN at 60 GHz A Technology Introduction White Paper, 2017.

10. Simon, M. K., and Alouini, M. S., Digital Communication over Fading Channels - A Unified Approach to Performance Analysis, 1st Ed., Wiley, 2000.

11. Lee, P. J., "Computation of the bit error rate of coherent M-ary PSK with Gray code bit mapping", IEEE Trans. Commun., Vol. COM-34, Number 5, 1986. - pp. 488-491.

12. Proakis, J. G., Digital Communications, 4th Ed., McGraw-Hill, 2001. - 1024 p.

13. Cho, K., and Yoon, D., "On the general BER expression of one- and two-dimensional amplitude modulations", IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 7, July 2002, pp. 1074-1080.

14. Filimonov A. Construction of multiservice Ethernet networks. M.: BHV, 2007. - 592 p.

15. Shakhnovich I.V. Modern technologies of wireless communication. M.: Technosphere, 2007. - 287 p.

Размещено на Allbest.ru