WLAN室内信号路径衰减在OPNET上的仿真研究

吴为民

(福建船政交通职业学院信息技术和工程系，福建 福州 350007)

无线局域网近年来已经成为广大家庭用户和各大公司等主要的网络基本设施．作为以太网的延伸的无线局域网(WLAN)，大部分使用2．4 GHz频段，遵循IEEE802．11标准．但是模拟研究WLAN最大的设计挑战之一，是如何精确预测在室内环境下无线电波的传播情况．我们在利用OPNET仿真工具对室内无线网络的移动性进行模拟的时候，发现OPNET只是对自由空间的无线信号进行模拟，这促使我们对室内无线信号的传播特性进行研究，在OPNET上建立相对准确的室内信号的传播模型．

电磁波在空间中传播会有直射、反射、折射、散射等现象．自由空间的传播模型是假定在发射器和接收器之间没有阻挡物．OPNET中模拟WLAN的模型就是采用这种模型．但是，在实际的情况中，发送和接收方之间没有阻挡的自由空间的情况是很少见的，而且在模拟无线传感网和室内的WLAN信号覆盖的情况下，会造成实验数据的不准确［1-2］．

在WLAN分布设计中，为了满足对服务质量(QoS)的要求和预期的数据传输速率，应该确保在每个无线节点上的无线信号能达到最低的接收功率，因此准确地测量或预测路径衰减在WLAN分布设计过程中是非常关键的［3-4］．

1 Friis无阻挡自由空间传播模型

在自由空间中，发射器和接收器之间传播功率损耗的公式如下［5］：

其中：Pr为接收到的功率，R为发射器和接收器之间的距离，Pt为发射功率，Gt为发射天线的增益，Gr为接收天线的增益，λ为无线电波的波长．

路径损耗(PL)是衡量电磁波传播的功率密度减少的标准．路径的损失产生的原因很多，如自由空间损耗、吸收和衍射等，路径损耗通常是以分贝(dB)表示：

令R0=1 m，

2 WLAN信号室内路径衰减模型

预测室内路径损耗是本文研究的重点，比室外预测更有挑战性，因为环境的变化更大．在很短的距离内，房间的布局，走廊、家具以及各种建筑材料构成复杂的多径关系，电磁信号穿过墙壁或地板反射，会使信号显著衰减．室内路径衰减的预测模型大致分为决定型和统计型2种．

决定型方法：无线追踪允许在各种室内环境中确定性地预测信号电平的强弱，考虑各种可能的传播路径，以及各有关路径的信号幅度和延迟．窄带覆盖预测已经实现了约2 dB的准确性，但是这需要建筑物详细的三维数据以及建筑材料和预测与实际测量的校准值．

统计型方法：也称为经验型方法，是通过对信号的衰减随着距离的增加而衰减进行观察而获得的．在室内除了自由空间损耗的影响，例如通过走廊具有电磁波指导作用等，当对数据的精确度要求不是很高，无法获得准确的建筑数据时，统计型方法被广泛地应用．

事实上，没有统一的室内路径损耗模型，虽然UMTS有WLAN的预测模型．为了得到一个WLAN路径损耗模型，一些基本原则可以从COST231为基础的UMTS模型派生出来［6］．

其中，n为路径损耗指数，n的值取决于特定的传播环境，例如建材的类型，建筑的结构，楼宇位置等．n的值越低，信号损失越少．n的范围值从1．2到6．在走廊中移动，n的值取1．2;在自由空间中，n等于2;在障碍物存在时，n将有较大的值．表1列出了在各种环境中获得的典型路径损耗指数．Xσ是一个零均值标准差为σ高斯分布的随机变量［7］．

表1 路径损耗指数

3 室内信号路径衰减模型在OPNET14．5上的实现

OPNET14．5采用自由空间模型来计算路径损耗．本文将上述的室内无线信号路径衰减的数学模型运用于OPNET14．5仿真，同时模拟节点的移动情况．OPNET模拟WLAN节点移动性的实验环境如图1和表2所示．

图1 OPNET模拟无线节点移动性的实验环境

表2 移动节点的主要参数设置［5］

根据实验，在自由模型和室内经验模型下，信号强度随时间衰减的变化趋势如图2和图3所示．

图2 自由空间模型接收方信号强度和时间的关系

图3 室内传播模型接收方信号强度和时间的关系

4 结语

比较图2和图3，并将其和实际的测量值进行比较，发现图3的无线信号接收强度更接近于实际的测量结果．这表明，使用OPNET14．5的仿真包开发的室内无线信号路径损耗模型，为研究WLAN和无线传感网提供了更可靠更接近于真实的方法．但是这个数学模型展品仍然是一种经验模型，只能大致地计算室内移动节点路径衰减的情况．因此，不定期应进行无线传感器网络模拟研究和室内WLAN接入点分布的估算．

［1］陈敏，张金文，韦岗．OPNET无线信道建模［J］．计算机工程与应用，2003，39(25)：62-70．

［2］陈敏．OPNET网络仿真［M］．北京：清华大学出版社，2004：257-260．

［3］陈敏，韦岗．IEEE802．11无线局域网OPNET建模与性能测试［J］．计算机工程，2004，30(21)：14-139．

［4］魏鸿毅，慕晓冬，夏薇．基于OPNET的无线通信网络性能研究［J］．微计算机信息，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．

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