802.11g關鍵技術講解和協(xié)議性能分析

2019-11-03 09:25:48

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供稿：網(wǎng)友

韓旭東　張春業(yè)　曹建海

　　摘　要：全面介紹了IEEE802.11g標準的WLAN,詳細講述了IEEE802.11g草案標準的概念、特點、構件及體系結構、發(fā)展前景等，并探討了實現(xiàn)IEEE802.11g WLAN所需的幾項關鍵技術，同時分析了IEEE802.11g標準的網(wǎng)絡性能。其關鍵技術包括直序列擴頻調(diào)制技術及補碼鍵控技術，包二進制卷積，正交頻分復用技術等。有關IEEE802.11ｇ的兼容性、同頻共存性、自身的OFDM問題分析將成為研究的熱點。

　　關鍵詞：無線局域網(wǎng) IEEE802.11 a,b,gDSSS OFDM CCK PBCC RTS/CTS

　　IEEE802.11工作組近年來開始定義新的物理層標準IEEE802.11ｇ。與以前的IEEE802.11協(xié)議標準相比，IEEE802.11ｇ草案有以下兩個特點：在2．4 GHz頻段使用正交頻分復用（OFDM）調(diào)制技術，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到20 Mbit/s以上；能夠與IEEE802.11ｂ的Wi-Fi系統(tǒng)互聯(lián)互通，可共存于同一AP的網(wǎng)絡里，從而保障了后向兼容性。這樣原有的WLAN系統(tǒng)可以平滑地向高速WLAN過渡，延長了IEEE802．11b產(chǎn)品的使用壽命，降低了用戶的投資。2003年7月IEEE802.11工作組批準了IEEE802.11ｇ草案，該標準成為人們關注的新焦點。

　　IEEE802.11 WLAN實現(xiàn)的關鍵技術

　　隨著WLAN技術的應用日漸廣泛，用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來越高。但是在室內(nèi)這個較為復雜的電磁環(huán)境中，多經(jīng)效應、頻率選擇性衰落和其它干擾源的存在使得無線信道中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)比有線信道困難，因此WLAN需要采用合適的調(diào)制技術。

　　IEEE802．11 WLAN是一種能支持較高數(shù)據(jù)傳輸速率（1～54 Mbit/s），采用微蜂窩、微微蜂窩結構，自主管理的計算機局域網(wǎng)絡。其關鍵技術大致有3種，直序列擴頻調(diào)制技術(DSSS: Direct Sequence SPRead Spectrum)及補碼鍵控(CCK：Complementary Code Keying)技術、包二進制卷積(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)和正交頻分復用技術OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每種技術皆有其特點，目前擴頻調(diào)制技術正成為主流，而OFDM技術由于其優(yōu)越的傳輸性能成為人們關注的新焦點。

　　1．DSSS調(diào)制技術

　　基于DSSS的調(diào)制技術有3種。最初IEEE802．11標準制定在1 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下采用差分二相相移鍵控(DBPSK: Differential Binary Phase Shift Keying)。如果要提供2 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，可采用差分正交相移鍵控(DQPSK: Differential Quadrature Phase Shift Keying)，這種方法每次處理兩個比特碼元，成為雙比特。第三種是基于CCK的ＱPSK，是IEEE802.11ｂ標準采用的基本數(shù)據(jù)調(diào)制方式。它采用了補碼序列與直序列擴頻技術，是一種單載波調(diào)制技術，通過相移鍵控（PSK）方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率分為1，2，5．5和11 Mbit/s。CCK通過與接收端的Pake接收機配合使用，能夠在高效率傳輸數(shù)據(jù)的同時有效克服多徑效應。IEEE802.11ｂ通過使用CCK調(diào)制技術來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達11 Mbit/s。但是當傳輸速率超過11 Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調(diào)制，實現(xiàn)起來非常困難。因此，IEEE802.11工作組為了推動WLAN的發(fā)展，又引入了新的調(diào)制技術。

　　2．PBCC調(diào)制技術

　　PBCC調(diào)制技術是由德州儀器（TI）公司提出的，已作為IEEE802.11ｇ的可選項被采納。PBCC也是單載波調(diào)制，但與CCK不同，它采用了更多復雜的信號星座圖。PBCC采用8PSK，而CCK使用ＢPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷積碼，而CCK使用區(qū)塊碼。因此，它們的解調(diào)過程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率為11，22，33Mbit/s。

　　3．OFDM技術

　　OFDM技術其實是多載波調(diào)制(MCM: Multi-Carrier Modulation)的一種。其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。

　　由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減少了子載波間的相互干擾，同時還提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用反向快速傅里葉變換（IFFT）和快速傅里葉變換（FFT）方法來實現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術與DSP技術的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實現(xiàn)的。FFT的引入，大大降低了OFDM實現(xiàn)的復雜性，提升了系統(tǒng)的性能。

　　無線數(shù)據(jù)業(yè)務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要遠遠大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量。因此無論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM很容易通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

　　由于無線信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，從而提升系統(tǒng)性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統(tǒng)在某種程度上能抵抗這種干擾。

　　OFDM技術有非常廣闊的發(fā)展前景，已成為第四代移動通信的核心技術。IEEE802．11ａ/ｇ標準為了支持高速數(shù)據(jù)傳輸都采用了OFDM調(diào)制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾〔包括碼間干擾（ISI）和信道間干擾（ICI）〕抑制以及智能天線技術，最大程度提高了物理層的可靠性。如再結合自適應調(diào)制、自適應編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術，可以使其性能得到進一步優(yōu)化。

　　4．IEEE802.11ｇ協(xié)議幀結構及其技術細節(jié)

　　從網(wǎng)絡邏輯結構上來看，IEEE802．11只定義了物理層及MAC子層。MAC層提供對共享無線介質(zhì)的競爭使用和無競爭使用，具有無線介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)驗證和保密等功能。

　　物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實現(xiàn)比特流的透明傳輸，所傳數(shù)據(jù)單位為比特。物理層定義了通信設備與接口硬件的機械、電氣功能和過程的特性，用以建立、維持和釋放物理連接。　　物理層由三部分組成：物理層管理層、物理層會聚協(xié)議（PLCP）和物理介質(zhì)依賴子層（PMD）。

　　IEEE802.11ｇ的物理幀結構分為前導信號（Preamble）、信頭Header和負載Payload。Preamble主要用于確定移動臺和接入點之間何時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，傳輸進行時告知其它移動臺以免沖突，同時傳送同步信號及幀間隔。Preamble完成，接收方才開始接收數(shù)據(jù)。Header在Preamble之后用來傳輸一些重要的數(shù)據(jù)比如負載長度、傳輸速率、服務等信息。由于數(shù)據(jù)率及要傳送字節(jié)的數(shù)量不同，Payload的包長變化很大，可以十分短也可以十分長。

　　在一幀信號的傳輸過程中，Preamble和Header所占的傳輸時間越多，Payload用的傳輸時間就越少，傳輸?shù)男试降汀?br>
　　綜合上述3種調(diào)制技術的特點，IEEE802.11ｇ采用了OFDM等關鍵技術來保障其優(yōu)越的性能，分別對Preamble，Header，Payload進行調(diào)制，這種幀結構稱為OFDM/OFDM方式。

　　另外，IEEE802.11ｇ草案標準規(guī)定了可選項與必選項，為了保障與IEEE802.11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可選調(diào)制方式。因此，OFDM調(diào)制為必選項保障傳輸速率達到54Mbit/s；采用CCK調(diào)制作為必選保障后向兼容性；CCK/PBCC與CCK/OFDM作為可選項。IEEE802.11ｇ的幀結構比較見表1。

　　（1）OFDM/OFDM

　　Preamble，Header和Payload都使用OFDM進行調(diào)制傳輸，其傳輸速率可達54 Mbit/s。OFDM的一個好特點是它有短的Preamble，CCK調(diào)制信號的幀頭是72μs，而OFDM調(diào)制信號的幀頭僅為16μs。幀頭是一個信號的重要組成部分，幀頭占有時間的減少，提高了信號傳送數(shù)據(jù)的能力。OFDM允許較短的Header給更多的時間用于傳輸數(shù)據(jù)，具有較高的傳輸效率。因此，對于11 Mbit/s的傳輸速率，CCK調(diào)制是一個好的選擇，但要繼續(xù)提升速率必須使用OFDM調(diào)制技術。它的最高傳輸速率可達54Mbit/s。IEEE802.11ｇ協(xié)議中的OFDMOFDM方式也可以和Wi-Fi共存，不過它需使用RTS/CTS協(xié)議來解決沖突問題。

　　（2）CCK/OFDM

　　它是一種混合調(diào)制方式，是IEEE802.11ｇ的可選項。其Header和Preamble用CCK調(diào)制方式傳輸，OFDM技術傳送負載。由于OFDM技術和CCK技術是分離的，因此在Preamble和Payload之間要有CCK和OFDM的轉換。

　　IEEE802.11ｇ用CCK/OFDM技術來保障與IEEE802.11ｂ共存。IEEE802.11ｂ不能解調(diào)OFDM格式的數(shù)據(jù)，所以難免會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突，IEEE802.11ｇ使用CCK技術傳輸Header和Preamble就可以使IEEE802．11ｂ兼容，使其可以接收IEEE802.11ｇ的Header從而避免沖突。這樣保障了與IEEE802.11ｂ Wi-Fi設備的后向兼容性，但由于Preamble/Header使用CCK調(diào)制，增大了開銷，傳輸速率比OFDMOFDM方式的有所下降。

　　（3）CCK/PBCC

　　CCK/PBCC和CCK/OFDM一樣，PBCC也是混合波形，包頭使用CCK調(diào)制而負載使用PBCC調(diào)制方式，這樣它可以工作于高速率上并與IEEE802.11ｂ兼容。PBCC調(diào)制技術最高數(shù)據(jù)傳輸速率是33 Mbit/s，比OFDM或CCK/OFDM的傳送速率低。

　　IEEE802.11g的性能分析　　尚未正式成為標準的IEEE802.11ｇ草案由于其不同的特點，成為人們關注的焦點。IEEE802.11ｇ與IEEE802.11ｂ的兼容性，與同頻設備的共存能力及OFDM技術自身的問題將成為研究熱點。

　　1．IEEE802.11ｇ的兼容性

　　　　IEEE802.11ｇ兼容性指的是IEEE802.11ｇ設備能和IEEE802.11ｂ設備在同一個AP節(jié)點網(wǎng)絡里互聯(lián)互通。IEEE802.11ｇ的一個最大特點就是要保障與IEEE802.11ｂ Wi-Fi系統(tǒng)兼容。IEEE802.11ｇ可以接收OFDM和CCK數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)的Wi-Fi系統(tǒng)只能接收CCK信息，這就產(chǎn)生了一個問題，即在兩者共存的環(huán)境中如何解決由于IEEE802.11ｂ不能解調(diào)OFDM格式信息幀頭所帶來的沖突問題。而為了解決上述問題，IEEE802.11ｇ采用了RTS/CTS技術。

　　最初，IEEE802.11引入RTS/CTS機制是為了解決隱蔽站問題，即發(fā)送站檢測不到另一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)，因而在接收站發(fā)生碰撞的情況。

　　IEEE802.11ｂ與IEEE802.11ｇ混合工作的情況與隱蔽站問題非常相似，IEEE802.11ｂ設備無法接收OFDM格式的IEEE802.11ｇ的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機制來解決。在IEEE802.11ｇ和IEEE802.11ｂ混合工作的環(huán)境中（即在同一AP服務區(qū)中既有IEEE802.11ｇ設備也有IEEE802.11ｂ設備），每一工作節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)信息前，必須發(fā)送一個RTS(Ready to send)幀給AP，從AP返回一個CTS(Clear to send)幀，就開始傳送數(shù)據(jù)。工作臺發(fā)送RTS到AP節(jié)點返回CTS信號，這樣所有的工作臺都能收到信號，從而避免了混合站點間的碰撞，解決了兩者的兼容問題（RTS和CTS信號都采用CCK信號）。RTS/CTS機制也帶來了系統(tǒng)的額外開銷，因而數(shù)據(jù)速率率比只使用OFDM的IEEE802.11ａ系統(tǒng)低，但對于向下兼容并將要被取代的IEEE802.11ｂ系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)速率又有很大的提高，因此折衷來看IEEE802.11ｇ還是具有很大的優(yōu)勢。對于現(xiàn)在的IEEE802.11ｇ系統(tǒng)，每一個AP監(jiān)視它旁邊的移動設備，當沒有IEEE802.11ｂ的設備時，系統(tǒng)會自動取消RTS/CTS機制，相應地增加了系統(tǒng)吞吐量。當未來的IEEE802.11g系統(tǒng)，完全替代IEEE802.11ｂ產(chǎn)品，只使用OFDM調(diào)制技術時，與IEEE802.11ａ系統(tǒng)相比就具備優(yōu)勢了。

　　2．同頻共存性

　　同頻共存性指工作在同一頻段的無線設備可以互不干擾地進行各自的通信。目前，2．4 GHz ISM頻段日益擁擠，越來越多的無線系統(tǒng)選擇工作在此頻段，例如Wi-Fi系統(tǒng)、藍牙、無繩電話、微波爐等。這些系統(tǒng)間存在的干擾問題會嚴重影響系統(tǒng)的通信性能。因此使用OFDM技術的IEEE802.11ｇ設備也要解決同頻干擾問題，提高系統(tǒng)間的共存性，以增強系統(tǒng)性能。

　　3．OFDM問題分析

　　IEEE802.11ｇ首次在2．4 GHz頻段使用OFDM作為其關鍵技術來提高系統(tǒng)的傳輸速率， OFDM技術結合了多載波和頻移鍵控調(diào)制，與單載波系統(tǒng)相比存在一些問題有待解決。因此，OFDM本身的特點會影響IEEE802.11ｇ的性能表現(xiàn)。

　　（1）易受頻率偏移的影響

　　由于子信道的頻率相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。然而由于無線錫鬧存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機載波頻率與接受機本地振蕩器之間存在頻率偏差，都會使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導致子信道間信號的相互干擾（ICI），這種頻偏敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點。

　　（2）存在較高的峰值平均功率比

　　與單載波相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬間功率會遠大于信號的平均功率，導致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAR）。這樣就對發(fā)射機內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號的變化，則會為信號帶來畸變，使疊加信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道信號之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。目前，IceFyre公司正在開發(fā)一種低PAR的OFDM芯片，準備在IEEE802.11ｇ系統(tǒng)中使用。另外，2．4 GHz頻段的OFDM技術可以保證低PAR且功耗較低，這都將有利于IEEE802.11ｇ系統(tǒng)的推廣和應用。

　　總結

　　IEEE 802. 11ｇ有很多優(yōu)勢。首先是短期優(yōu)勢，即能與IEEE802.11ｂ產(chǎn)品兼容，使WLAN向高速平滑過渡，延長了IEEE802.11ｂ產(chǎn)品的使用壽命，減少了用戶的投資；其次是長期優(yōu)勢，今后WLAN的產(chǎn)品可以使用雙頻多模方式，即在2．4 GHz和5 GHz頻段同時支持IEEE802.11ｂ，IEEE802.11ａ和IEEE802.11ｇ物理層標準，在兩個頻段上都使用OFDM調(diào)制技術，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。綜上所述，IEEE802.11ｇ是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ腤LAN標準，它必將以高傳輸速率和靈活組網(wǎng)特性發(fā)揮重要作用。

摘自　世界電信

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