WLAN室內(nèi)信號路徑衰減在OPNET上的仿真研究

吳為民

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)和工程系，福建 福州 350007)

無線局域網(wǎng)近年來已經(jīng)成為廣大家庭用戶和各大公司等主要的網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)施．作為以太網(wǎng)的延伸的無線局域網(wǎng)(WLAN)，大部分使用2．4 GHz頻段，遵循IEEE802．11標準．但是模擬研究WLAN最大的設(shè)計挑戰(zhàn)之一，是如何精確預(yù)測在室內(nèi)環(huán)境下無線電波的傳播情況．我們在利用OPNET仿真工具對室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的移動性進行模擬的時候，發(fā)現(xiàn)OPNET只是對自由空間的無線信號進行模擬，這促使我們對室內(nèi)無線信號的傳播特性進行研究，在OPNET上建立相對準確的室內(nèi)信號的傳播模型．

電磁波在空間中傳播會有直射、反射、折射、散射等現(xiàn)象．自由空間的傳播模型是假定在發(fā)射器和接收器之間沒有阻擋物．OPNET中模擬WLAN的模型就是采用這種模型．但是，在實際的情況中，發(fā)送和接收方之間沒有阻擋的自由空間的情況是很少見的，而且在模擬無線傳感網(wǎng)和室內(nèi)的WLAN信號覆蓋的情況下，會造成實驗數(shù)據(jù)的不準確［1-2］．

在WLAN分布設(shè)計中，為了滿足對服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求和預(yù)期的數(shù)據(jù)傳輸速率，應(yīng)該確保在每個無線節(jié)點上的無線信號能達到最低的接收功率，因此準確地測量或預(yù)測路徑衰減在WLAN分布設(shè)計過程中是非常關(guān)鍵的［3-4］．

1 Friis無阻擋自由空間傳播模型

在自由空間中，發(fā)射器和接收器之間傳播功率損耗的公式如下［5］：

其中：Pr為接收到的功率，R為發(fā)射器和接收器之間的距離，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線的增益，Gr為接收天線的增益，λ為無線電波的波長．

路徑損耗(PL)是衡量電磁波傳播的功率密度減少的標準．路徑的損失產(chǎn)生的原因很多，如自由空間損耗、吸收和衍射等，路徑損耗通常是以分貝(dB)表示：

令R0=1 m，

2 WLAN信號室內(nèi)路徑衰減模型

預(yù)測室內(nèi)路徑損耗是本文研究的重點，比室外預(yù)測更有挑戰(zhàn)性，因為環(huán)境的變化更大．在很短的距離內(nèi)，房間的布局，走廊、家具以及各種建筑材料構(gòu)成復(fù)雜的多徑關(guān)系，電磁信號穿過墻壁或地板反射，會使信號顯著衰減．室內(nèi)路徑衰減的預(yù)測模型大致分為決定型和統(tǒng)計型2種．

決定型方法：無線追蹤允許在各種室內(nèi)環(huán)境中確定性地預(yù)測信號電平的強弱，考慮各種可能的傳播路徑，以及各有關(guān)路徑的信號幅度和延遲．窄帶覆蓋預(yù)測已經(jīng)實現(xiàn)了約2 dB的準確性，但是這需要建筑物詳細的三維數(shù)據(jù)以及建筑材料和預(yù)測與實際測量的校準值．

統(tǒng)計型方法：也稱為經(jīng)驗型方法，是通過對信號的衰減隨著距離的增加而衰減進行觀察而獲得的．在室內(nèi)除了自由空間損耗的影響，例如通過走廊具有電磁波指導(dǎo)作用等，當對數(shù)據(jù)的精確度要求不是很高，無法獲得準確的建筑數(shù)據(jù)時，統(tǒng)計型方法被廣泛地應(yīng)用．

事實上，沒有統(tǒng)一的室內(nèi)路徑損耗模型，雖然UMTS有WLAN的預(yù)測模型．為了得到一個WLAN路徑損耗模型，一些基本原則可以從COST231為基礎(chǔ)的UMTS模型派生出來［6］．

其中，n為路徑損耗指數(shù)，n的值取決于特定的傳播環(huán)境，例如建材的類型，建筑的結(jié)構(gòu)，樓宇位置等．n的值越低，信號損失越少．n的范圍值從1．2到6．在走廊中移動，n的值取1．2;在自由空間中，n等于2;在障礙物存在時，n將有較大的值．表1列出了在各種環(huán)境中獲得的典型路徑損耗指數(shù)．Xσ是一個零均值標準差為σ高斯分布的隨機變量［7］．

表1 路徑損耗指數(shù)

3 室內(nèi)信號路徑衰減模型在OPNET14．5上的實現(xiàn)

OPNET14．5采用自由空間模型來計算路徑損耗．本文將上述的室內(nèi)無線信號路徑衰減的數(shù)學(xué)模型運用于OPNET14．5仿真，同時模擬節(jié)點的移動情況．OPNET模擬WLAN節(jié)點移動性的實驗環(huán)境如圖1和表2所示．

圖1 OPNET模擬無線節(jié)點移動性的實驗環(huán)境

表2 移動節(jié)點的主要參數(shù)設(shè)置［5］

根據(jù)實驗，在自由模型和室內(nèi)經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖?，信號強度隨時間衰減的變化趨勢如圖2和圖3所示．

圖2 自由空間模型接收方信號強度和時間的關(guān)系

圖3 室內(nèi)傳播模型接收方信號強度和時間的關(guān)系

4 結(jié)語

比較圖2和圖3，并將其和實際的測量值進行比較，發(fā)現(xiàn)圖3的無線信號接收強度更接近于實際的測量結(jié)果．這表明，使用OPNET14．5的仿真包開發(fā)的室內(nèi)無線信號路徑損耗模型，為研究WLAN和無線傳感網(wǎng)提供了更可靠更接近于真實的方法．但是這個數(shù)學(xué)模型展品仍然是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，只能大致地計算室?nèi)移動節(jié)點路徑衰減的情況．因此，不定期應(yīng)進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬研究和室內(nèi)WLAN接入點分布的估算．

［1］陳敏，張金文，韋崗．OPNET無線信道建模［J］．計算機工程與應(yīng)用，2003，39(25)：62-70．

［2］陳敏．OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：257-260．

［3］陳敏，韋崗．IEEE802．11無線局域網(wǎng)OPNET建模與性能測試［J］．計算機工程，2004，30(21)：14-139．

［4］魏鴻毅，慕曉冬，夏薇．基于OPNET的無線通信網(wǎng)絡(luò)性能研究［J］．微計算機信息，2008(18)：115-116．

［5］M Kobayashi，S Haruyama，R Kohno，et al．Optimal access point placement in simultaneous broadcast system using OFDM for indoor wireless LAN［J］．IEEE Symposium on PIMRC，2000(1)：200-204．

［6］M Kamenetsky，M Unbehaun．Coverage planning for outdoor wireless LAN systems［M］．In Proc．IEEE International Zurich Seminar on Broadband Communications，Sweden，2002：49．

［7］Baba M D，Ibrahim M，Ahmad B．Performance analysis of indoor WLAN mobility［M］．Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Electronics，Hardware，Wireless and Optical，2005：55-59．

［8］Kouhbor S，Ugon J，Kruger A，et al．Optimal placementof access point in WLAN based on a new algorithm［M］．In：Proc．of the International Conference on Mobile Business-IEEE/ICMB，2005：592-598．