在前面讨论完基本的链路模型之后,本文我们主要讨论802.11协议中所规定的几种信道模型。该部分内容笔者并没有在07或者12的协议版本中找到,目前所检索到讨论该部分内容的资料如下:
实际上根据TGn Channel Models,802.11中SISO的信道模型也是当时直接从HiperLAN/2的信道模型参考过渡过来的,只是HiperLAN/2现在基本已经见不到应用了而已。
注:本文主要还是描述SISO的信道模型,至于MIMO的信道模型之后我们再进行讨论。本文在参考《Next Generation Wireless LANs》,并在其原有基础上补充了一些内容,故如果有错误的地方,还请见谅。
在无线局域网内的信道模型相比通信网络实际上简单不少。一般信道建模分为三种:统计性模型(经验模型),确定性模型以及半确定性模型。其中802.11的SISO信道模型即为统计性模型,MIMO信道模型则是基于相关矩阵的半确定性模型。
在802.11协议中,一共规定了6个参考模型(代号为A~F),每一种模型对应着一种室内场景,具体如下(参考Next Generation Wireless LANs 802.11n and 802.11ac第39页,3.5.1节):
其中不同的模型对应不同的时延扩展(delay spread),RMS为均方根的意思,即Root Meam Square。如果delay spread越大,那么代表其覆盖的范围就越大(可以理解成传输的距离越远,延迟也越大)。
以上我们简单介绍了802.11协议中所规定的几种信道模型,以下我们具体分析在SISO情况下具体的理论模型。
在802.11协议中,信道模型为一个理论模型,包含了以上几种不同的不同的场景(即参数设置不同)。其具体的数学模型如下(以dB的形式):
其中为路径损耗,为Free Space Loss(在之前一篇中:802.11协议精读15:链路模型(基于Free-Space Path Loss),我们有对此进行介绍),为发送者和接收者之间的距离,单位为,为break point距离。
如果,实际上还是在视距内的(LOS),那么路径损耗和Free Space Loss相同,若的话,那么实际上是一个非视距的传输(NLOS),其不仅包含了在LOS内的Free Space衰减,还包含了另外一项更高阶数的衰减(注:Free Space的距离参数带入的是Break point的距离)。NLOS情况下的模型是一个统计模型,物理意义不是很明确。一般而言,在NLOS情况下,属于Two-ray Ground Reflection的模型,不过这里模型比较接近,不过还不是完全一样就是了。
其中一些其余的模型参数如上图,其中第二列是表述了不同模型下Break Point(BP)的距离,第三列表述的是在BP距离之前,其是按照指数为2的形式衰减的(即距离的平方,Free space模型),第四列是在BP距离以后,是按照指数为3.5的形式衰减。最后两列是一些阴影衰落的参数值。第三和第四列的slope的意思可以参考一下公式更好理解:
Free space loss我们可以写成第一行的式子,又因为一般发送信号的频率给给定的,所以为一个定值,所以我们可以将设置为。剩下来的写成,其中对应的就是这个slope,所以不同的slope对应不同指数的衰减情况。
注:这里式子中的距离单位为km,而一开始在802.11协议中的信道模型,距离的单位为m。
不同的模型按照以上的公式进行带入即可。同时在协议中,我们关注每一个模型下,都根据BP为界,存在两种不同的衰减情况,以下我们主要解释一下BP的物理意义。
本节我们分别从物理意义和统计结果上分别理解下Break Point距离。
物理意义
Break Point的物理意义是从菲涅尔区域所定义的,菲涅尔区域(Fresnel zone)是一个虚构的椭圆球体区域,参考CWNA第4.7节的图例如下:
上图,中间的为Point source,然后内圈的椭圆为第一菲涅尔区域(First Fresnel Zone),外圈的椭圆为第二菲涅尔区域(Second Fresnel Zone)。以下我们只关注第一菲涅尔区域,其区域半径可以用以下公式计算:
其中为第一菲涅尔区域的半径,为链路距离(单位为m),为信号的频率。如果第一菲涅尔区域被阻挡,那么会严重影响无线信号的传输。直观的我们可以认为,如果第一菲涅尔区域被阻挡,那么就会从LOS的信道变成NLOS的信道。
基于菲涅尔区域的理解,我们开始定义Break Point距离,如下图(参考《CHANNEL MODELING FOR FIFTH GENERATION CELLULAR NETWORKS AND WIRELESS SENSOR NETWORKS》)
图中,和为收发天线的高度,为break point距离,其余一些参数与我们的主题无关,所以就不一一阐述了。Break point的物理意义参考图(b),当第一菲涅尔区域(即红色的虚线)刚刚好接触到障碍物(即地面)的时候,这个时候发送和接收者的距离即为Break Point distance。
在(a)图中,发送和接收之间的距离小于,即第一菲涅尔区域没有碰触到地面,这个时候主要的传输还是依据视距直线传输的,即通过地面反射的信号(图中褐色折线)对传输的影响较小,所以主要是Free Space Loss。图(b)则是一个临界,图(C)中,第一菲涅尔区域已经超过了地面,所以接收方接收的信号除了由沿视距直接传输的,也有地面反射的信号。这种除了由直射信号以外,还有反射信号的情况,即是典型的Two-ray Ground Reflection模型,所以我们可以看到,在BP距离以外,802.11模型中的slope是3.5(即类似Two-ray模型,Two-ray模型为4),而不是Free space的2。
参考CWNA的教材,若障碍物不是出现在中间位置,那么菲涅尔区域的计算公式如下:
其中为第几菲涅尔区域,为发送者到障碍物的距离,为接收者到障碍物的距离,以上距离都为。
统计结果
参考上图,我们描述下break point在统计结果上的意义。上图表述的是一个900M频段上的传输(802.11中的图例没有找到),纵轴为接收功率(单位为),横轴为发送和接收之间的距离(单位为),其中蓝色为Two-ray Ground Reflection模型的信号衰减情况,绿色虚线为Free Space模型下的衰减情况。
上图中,我们可以看到在BP距离之前,Two-ray的结果是比较接近Free space的结果的,而在BP距离以外,Two-ray的衰减幅度快速下降,呈现指数为4的一个下降趋势,距离Free space的结果也就越来越远。
综上所述,所以802.11不仅定义了不同场景下的信道模型,也根据发送和接收者距离,分别给出了在视距范围内和外的衰减结果。在基本信道模型给定以后,我们可以从理论上去计算一个实际Wi-Fi节点的传输范围,以后我们再具体进行阐述。