802.11g關(guān)鍵技術(shù)講解和協(xié)議性能分析

韓旭東　張春業(yè)　曹建海



　　摘　要：全面介紹了IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN,詳細(xì)講述了IEEE802.11g草案標(biāo)準(zhǔn)的概念、特點、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展前景等，并探討了實現(xiàn)IEEE802.11g WLAN所需的幾項關(guān)鍵技術(shù)，同時分析了IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)性能。其關(guān)鍵技術(shù)包括直序列擴頻調(diào)制技術(shù)及補碼鍵控技術(shù)，包二進制卷積，正交頻分復(fù)用技術(shù)等。有關(guān)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11ｇ。與以前的IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，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(luò)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(zhǔn)了IEEE802.11ｇ草案，該標(biāo)準(zhǔn)成為人們關(guān)注的新焦點。



　　IEEE802.11 WLAN實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)



　　隨著WLAN技術(shù)的應(yīng)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(fù)雜的電磁環(huán)境中，多經(jīng)效應(yīng)、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(shù)。



　　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(jié)構(gòu)，自主管理的計算機局域網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵技術(shù)大致有3種，直序列擴頻調(diào)制技術(shù)(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum)及補碼鍵控(CCK：Complementary Code Keying)技術(shù)、包二進制卷積(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)和正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每種技術(shù)皆有其特點，目前擴頻調(diào)制技術(shù)正成為主流，而OFDM技術(shù)由于其優(yōu)越的傳輸性能成為人們關(guān)注的新焦點。



　　1．DSSS調(diào)制技術(shù)



　　基于DSSS的調(diào)制技術(shù)有3種。最初IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，是一種單載波調(diào)制技術(shù)，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(yīng)。IEEE802.11ｂ通過使用CCK調(diào)制技術(shù)來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)11 Mbit/s。但是當(dāng)傳輸速率超過11 Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復(fù)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(shù)。



　　2．PBCC調(diào)制技術(shù)



　　PBCC調(diào)制技術(shù)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(fù)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(shù)



　　OFDM技術(shù)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(guān)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(shù)與DSP技術(shù)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(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能。



　　無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(wù)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(shù)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(shù)。IEEE802．11ａ/ｇ標(biāo)準(zhǔn)為了支持高速數(shù)據(jù)傳輸都采用了OFDM調(diào)制技術(shù)。目前，OFDM結(jié)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(shù)，最大程度提高了物理層的可靠性。如再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、自適應(yīng)編碼以及動態(tài)子載波分配、動態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能得到進一步優(yōu)化。



　　4．IEEE802.11ｇ協(xié)議幀結(jié)構(gòu)及其技術(shù)細(xì)節(jié)



　　從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)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(luò)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(shè)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(jié)構(gòu)分為前導(dǎo)信號（Preamble）、信頭Header和負(fù)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�熡脕韨鬏斠恍┲匾�的數(shù)據(jù)比如負(fù)載長度、傳輸速率、服務(wù)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�率越低�?br />


　　綜合上述3種調(diào)制技術(shù)的特點，IEEE802.11ｇ采用了OFDM等關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)稱為OFDM/OFDM方式。



　　另外，IEEE802.11ｇ草案標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jié)構(gòu)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(dá)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(shù)。它的最高傳輸速率可達(dá)54Mbit/s。IEEE802.11ｇ協(xié)議中的OFDM�NOFDM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(shù)傳送負(fù)載。由于OFDM技術(shù)和CCK技術(shù)是分離的，因此在Preamble和Payload之間要有CCK和OFDM的轉(zhuǎn)換。



　　IEEE802.11ｇ用CCK/OFDM技術(shù)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(shù)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(shè)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�NOFDM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(fù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11ｇ草案由于其不同的特點，成為人們關(guān)注的焦點。IEEE802.11ｇ與IEEE802.11ｂ的兼容性，與同頻設(shè)備的共存能力及OFDM技術(shù)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(shè)備能和IEEE802.11ｂ設(shè)備在同一個AP節(jié)點網(wǎng)絡(luò)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(shù)。



　　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(shè)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(wù)區(qū)中既有IEEE802.11ｇ設(shè)備也有IEEE802.11ｂ設(shè)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(shè)備，當(dāng)沒有IEEE802.11ｂ的設(shè)備時，系統(tǒng)會自動取消RTS/CTS機制，相應(yīng)地增加了系統(tǒng)吞吐量。當(dāng)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(shù)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(shè)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(lán)牙、無繩電話、微波爐等。這些系統(tǒng)間存在的干擾問題會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的通信性能。因此使用OFDM技術(shù)的IEEE802.11ｇ設(shè)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(guān)鍵技術(shù)來提高系統(tǒng)的傳輸速率， OFDM技術(shù)結(jié)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(yán)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(dǎo)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(yuǎn)大于信號的平均功率，導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)備在IEEE802.11ｇ系統(tǒng)中使用。另外，2．4 GHz頻段的OFDM技術(shù)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(yīng)用。



　　總 結(jié)



　　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(biāo)準(zhǔn)，在兩個頻段上都使用OFDM調(diào)制技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)，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