论文总字数：32737字

摘 要

无线局域网标准IEEE 802.11ac的提出是为了满足用户对更高的数据速率的需求。IEEE802.11ac在继承802.11n的基础上进一步提升了数据的传输速率：它完全兼容802.11n标准，并最高可达1Gbps的传输速率。 802.11ac标准在物理层上继续使用802.11n标准中的MIMO-OFDM技术，并第一次将多用户MIMO技术(MU-MIMO)引入到了WLAN系统中。

本文首先对课题研究的背景和WLAN技术的发展作了简单的介绍；接着分析了MIMO-OFDM技术的基本原理。 第三章介绍了IEEE802.11ac的物理层标准和系统模型，重点分析了本文仿真中研究的三种信道模型：AWGN信道、多径Rayleigh衰落信道和802.11ac标准中的B信道。

本文的重点在第四章和第五章，关于同步算法的两个部分：第四章是802.11ac定时同步算法的研究，对于帧同步，首先分析现有算法存在的缺陷，在此基础上给出了两种改进算法，并给出了判断帧是否到达的峰值检测方法，最后仿真比较三种帧检测算法的性能；对于符号同步，对原算法做了仿真并提出了两种改进的定时算法，并对三种符号定时算法的性能做了仿真比较。由仿真结果可见，帧同步和符号同步中改进的算法检测概率均高于原算法，在低信噪比环境下更为明显。

第五章是对802.11ac频率同步算法的研究，分为粗频偏估计和精频偏估计两部分，将粗频偏估计现有算法的均方误差与其理论值作了比较，并通过仿真分析了多天线系统与单天线系统相比所能得到的性能增益；做精频偏估计时，对原算法进行了改进，提出了一种改进算法，由仿真结果可知，在几乎不增加计算复杂度的情况下，改进算法的性能更好。

关键词：IEEE 802.11ac，多输入多输出， 正交频分复用， 同步

Study on physical layer techniques of new WLAN

04011447 Zhang Xing

Supervised by Li Chunguo

ABSTRACT

IEEE 802.11ac standard is presented to satisfy the required high data rate. IEEE 802.11ac standard is the extension of 802.11n standard and it can reach higher data rate. The standard is fully compatible to 802.11n standard yet provides the maximum data rate up to 1Gbps. In physical layer, 802.11ac standard adopts the MIMO-OFDM technique which is also adopted by the 802.11n standard. Furthermore, it is 802.11ac standard that introduces the multi-user MIMO technique to the WLAN system for the first time.

Firstly we introduce the background of the research and technique development of the WLAN, and analyze MIMO-OFDM technique. We introduce the physical layer specifications of 802.11ac standard and the system model in chapter 3. We focus on three channel models adopted in our simulations: AWGN, multipath Rayleigh and channel B of the 802.11ac standard.

We focus on chapter 4 and chapter 5 over synchronization algorithms. Chapter 4 is mainly about the scheme of the timing synchronization for 802.11ac standard. For frame synchronization, we propose two improved algorithms based on the discoveries from the disadvantage of existing algorithms. And we give a method for peak detection. Finally we compare the detection probability of the three algorithms. For symbol synchronization, we also develop two novel algorithms followed by numerical simulations. Then we compare simulation results of the three algorithms. The performances of these improved algorithms are much better than existing algorithms in both fame and symbol synchronization.

Chapter 5 is concerning the scheme of the frequency synchronization which includes coarse and fine frequency offset estimation. We compare exiting algorithms with our proposed scheme by plotting the MSE of coarse frequency offset. Then we analyze exiting algorithms of fine frequency synchronization and give an improved one. The simulations show that the improved algorithm is more accurate without increasing computational complexity.

KEYWORDS: IEEE 802.11ac, MIMO, OFDM, synchronization

目录

摘 要 I

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2无线局域网（WLAN）技术的发展 1

第二章 MIMO-OFDM技术原理 5

2.1 OFDM技术原理 5

2.1.1 OFDM系统基本模型 6

2.1.2 OFDM的IDFT/DFT实现 7

2.2 MIMO技术原理 7

2.3 MIMO-OFDM系统基本原理 8

2.4 本章小结 9

第三章 IEEE 802.11ac物理层规范和系统模型 11

3.1 IEEE 802.11ac物理层规范 11

3.1.1 IEEE 802.11ac帧结构 11

3.1.2 IEEE 802.11ac相关参数 13

3.1.3 IEEE 802.11ac标准中的循环移位 15

3.2 IEEE 802.11ac无线局域网仿真模型 16

3.3 本文的信道模型 16

3.3.1 AWGN信道 17

3.3.2多径瑞利衰落信道 17

3.3.3 IEEE 802.11ac信道模型 18

3.4 本章小结 20

第四章 IEEE 802.11ac定时同步算法分析研究 23

4.1 IEEE 802.11ac帧同步 23

4.1.1帧同步原算法分析 24

4.1.2帧同步改进算法1 26

4.1.3帧同步改进算法2 27

4.1.4峰值检测方法 29

4.1.5帧同步算法性能分析 30

4.2 IEEE 802.11ac符号定时同步 35

4.2.1 符号定时同步算法 35

4.2.2 符号定时同步改进算法1 37

4.2.3 符号定时同步改进算法2 39

4.2.4 符号定时同步算法性能分析 41

4.3 本章小结 43

第五章 IEEE 802.11ac频率同步算法分析研究 45

5.1 IEEE 802.11ac粗频率同步 45

5.1.1 粗频率同步算法 45

5.1.2 粗频率同步算法性能分析 46

5.2 IEEE 802.11ac精频率同步 50

5.2.1 精频率同步算法 50

5.2.2 精频率同步改进算法 52

5.2.3 精频率同步算法性能分析 52

5.3 本章小结 56

第六章 总结 57

参考文献 59

致 谢 63

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

在信息时代，信息技术对人们的日常生活越来越重要，方便快速地获取信息成为人们生活的基本需求。随着社会的飞速发展，随时随地都可以进行语音、数据、图像等形式的通信已经成为人们对通信技术的迫切要求。在这些需求的推动下，通信技术迅速发展。无线局域网(WLAN)作为一种宽带无线接入技术，因灵活性强而得到广泛的使用。从第一个WLAN标准IEEE 802.11产生至今，无线局域网标准802.11a、802.11b、802.11g到802.11n等不断推出，数据传输速率飞速提升，支持的业务不断增长，系统的性能也更加可靠。

为了满足更高吞吐量无线数据业务的市场需求，2008年11月举行的802委员会全体会议上，讨论决定由TGac小组制定IEEE 802.11ac标准，并于2012年底发布草案2.0，之后相继有新的修订版本。802.11ac标准的技术核心主要基于IEEE802.11a及IEEE802.11n标准，继续工作于5GHz频段且保持后向兼容性。

1.2无线局域网（WLAN）技术的发展

无线局域网是在局部范围内，利用无线通信技术建立起来的网络。无线局域网技术是无线通信技术与计算机网络技术相结合的结果，其空中接口技术使用的是带碰撞避免的载波侦听多址接入(CSMA/CA)，其功能与有线网络相似，却又具有有线网络没有的特点：使随时随地都能接入宽带网络成为可能。

WLAN标准对媒体访问控制(MAC)层和物理层相应的技术和参数使用作了明确的规定。目前，在WLAN技术中，IEEE802.11系列的标准使用的最为广泛。

1. IEEE 802.11

IEEE最早制定的WLAN标准就是802.11标准，其适用于办公室和校园等较小区域内的无线网络使用，且仅能提供2Mbps速率的数据访问业务。为了增加传输的数据速率和扩大局域网覆盖范围，802.11b标准和802.11a标准在随后的IEEE小组会议中被提出。

1. IEEE 802.11b和802.11a

1999年制定了两个标准：基于直接序列扩频（DSSS）以增加2.4GHz上数据速率的802.11b以及在5GHz上建立一个新的物理层的802.11a。

802.11b标准规定WLAN工作频段在2.4~2.4835GHz,采用补码键控(CCK)对直接序列扩频(DSSS)进行增强，最高可以达到11Mbps的数据传输速率。 802.11b改变了WLAN的设计状况，有两种运作模式：点对点模式和基本模式。802.11b标准扩大了WLAN的使用范围，在更广泛的领域里得到了应用。

IEEE 802.11a标准中采用的工作频段为5.15~8.825GHz。提供最高为54Mbps的数据传输速率，采用QPSK调制方式和正交频分复用(OFDM)的独特扩频方式，业务范围扩展到话音、数据和图像等多个方面^[1]。因802.11a标准规定的工作频段与802.11b标准规定的不同，所以二者在硬件设备的使用上互不兼容。

1. IEEE 802.11g

为了解决兼容性方面的问题，促进WLAN技术能更深入的发展下去， 802.11任务组于2003年颁布了802.11g标准。该标准的调制方式有两种：802.11a标准中的OFDM调制方式和802.11b标准中的CCK调制方式，数据传输速率在2.4G频段上可以达到54Mbps。802.11g和802.11b两者的硬件设备之间具备兼容性，可以在同一AP的网络里使用。

为满足不同的需求，随后又有 802.11i\e\f\h等标准不断推出，对WLAN的服务质量和MAC层协议作了改进^[2]。

1. IEEE 802.11n

随着无线通信的不断发展，市场需求对数据传输提出了更高的速率要求。IEEE小组于2003年开始了802.11n标准的制定任务，最终于2009年9月13日正式批准了802.11n这一新的WiFi标准。802.11n标准的建立推动WLAN进入了无线网络发展的一个新阶段。

802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段，其物理层核心是MIMO技术和OFDM技术，最高可达600Mbps的传输速率，具有较好的兼容性。可在802.11b和802.11g硬件设备上使用。802.11n对物理层参数作了规定，而且还结合MAC层的优化以尽可能提升WLAN系统的吞吐量。标准中规定，802.11n的净吞吐量为100Mbps，因而可与百兆级的有线网络很好地衔接^[3]。

1. IEEE 802.11ac

IEEE 802.11ac标准在继承IEEE 802.11n同时又对其有所改进，向下兼容802.11之前所提出的所有的协议和规范。802.11ac 标准的制定工作在2009年由TGac工作组开始承担，在2012年底发布草案2.0，之后相继有新的修订版本^[4]。802.11ac将传输带宽从20MHz/40MHz，扩充到80MHz/160MHz，同一设备可以支持多种带宽传输，从而扩大了频谱资源，同时也使得频谱的利用更具灵活性，进一步提升系统的吞吐量。

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