802.11g核心技術(shù)和協(xié)議測試報告

IEEE802.11工作組近年來(lái)開(kāi)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(gè)特點(diǎn)：在2．4 GHz頻段使用正交頻分復用（OFDM）調制技術(shù)，使數據傳輸速率提高到20 Mbit/s以上；能夠與IEEE802.11ｂ的Wi-Fi系統互聯(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系統可以平滑地向高速WLAN過(guò)渡，延長(cháng)了IEEE802．11b產(chǎn)品的使用壽命，降低了用戶(hù)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(guān)注的新焦點(diǎn)。
　　
　　IEEE802.11 WLAN實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)
　　
　　隨著(zhù)WLAN技術(shù)的應用日漸廣泛，用戶(hù)對數據傳輸速率的要求越來(lái)越高。但是在室內這個(gè)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(wú)線(xiàn)信道中高速數據傳輸的實(shí)現比有線(xiàn)信道困難，因此WLAN需要采用合適的調制技術(shù)。
　　
　　IEEE802．11 WLAN是一種能支持較高數據傳輸速率（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(luò )。其關(guān)鍵技術(shù)大致有3種，直序列擴頻調制技術(shù)(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum)及補碼鍵控(CCK：Complementary Code Keying)技術(shù)、包二進(jìn)制卷積(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)和正交頻分復用技術(shù)OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每種技術(shù)皆有其特點(diǎn)，目前擴頻調制技術(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(diǎn)。
　　
　　1．DSSS調制技術(shù)
　　
　　基于DSSS的調制技術(shù)有3種。最初IEEE802．11標準制定在1 Mbit/s數據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的數據速率，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(gè)比特碼元，成為雙比特。第三種是基于CCK的ＱPSK，是IEEE802.11ｂ標準采用的基本數據調制方式。它采用了補碼序列與直序列擴頻技術(shù)，是一種單載波調制技術(shù)，通過(guò)相移鍵控（PSK）方式傳輸數據，傳輸速率分為1，2，5．5和11 Mbit/s。CCK通過(guò)與接收端的Pake接收機配合使用，能夠在高效率傳輸數據的同時(shí)有效克服多徑效應。IEEE802.11ｂ通過(guò)使用CCK調制技術(shù)來(lái)提高數據傳輸速率，最高可達11 Mbit/s。但是當傳輸速率超過(guò)11 Mbit/s，CCK為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實(shí)現起來(lái)非常困難。因此，IEEE802.11工作組為了推動(dòng)WLAN的發(fā)展，又引入了新的調制技術(shù)。
　　
　　2．PBCC調制技術(shù)
　　
　　PBCC調制技術(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使用區塊碼。因此，它們的解調過(guò)程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的數據傳輸，其傳輸速率為11，22，33Mbit/s。
　　
　　3．OFDM技術(shù)
　　
　　OFDM技術(shù)其實(shí)是多載波調制(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(gè)子信道上進(jìn)行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)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系統中各個(gè)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(shí)還提高了頻譜利用率。在各個(gè)子信道中的這種正交調制和解調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(lái)實(shí)現，隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)與DSP技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實(shí)現的。FFT的引入，大大降低了OFDM實(shí)現的復雜性，提升了系統的性能。
　　
　　無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)一般都存在非對稱(chēng)性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無(wú)論從用戶(hù)高速數據傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無(wú)線(xiàn)通信自身來(lái)考慮，都希望物理層支持非對稱(chēng)高速數據傳輸，而OFDM很容易通過(guò)使用不同數量的子信道來(lái)實(shí)現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
　　
　　由于無(wú)線(xiàn)信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會(huì )同時(shí)處于比較深的衰落情況中，因此可以通過(guò)動(dòng)態(tài)比特分配以及動(dòng)態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，從而提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統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(dòng)通信的核心技術(shù)。IEEE802．11ａ/ｇ標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術(shù)。目前，OFDM結合時(shí)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(xiàn)技術(shù)，最大程度提高了物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配、動(dòng)態(tài)比特分配算法等技術(shù)，可以使其性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。
　　
　　4．IEEE802.11ｇ協(xié)議幀結構及其技術(shù)細節
　　
　　從網(wǎng)絡(luò )邏輯結構上來(lái)看，IEEE802．11只定義了物理層及MAC子層。MAC層提供對共享無(wú)線(xiàn)介質(zhì)的競爭使用和無(wú)競爭使用，具有無(wú)線(xiàn)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)、網(wǎng)絡(luò )連接、數據驗證和保密等功能。
　　
　　物理層為數據鏈路層提供物理連接，實(shí)現比特流的透明傳輸，所傳數據單位為比特。物理層定義了通信設備與接口硬件的機械、電氣功能和過(guò)程的特性，用以建立、維持和釋放物理連接?！　∥锢韺佑扇糠纸M成：物理層管理層、物理層會(huì )聚協(xié)議（PLCP）和物理介質(zhì)依賴(lài)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(dòng)臺和接入點(diǎn)之間何時(shí)發(fā)送和接收數據，傳輸進(jìn)行時(shí)告知其它移動(dòng)臺以免沖突，同時(shí)傳送同步信號及幀間隔。Preamble完成，接收方才開(kāi)始接收數據。Header在Preamble之后用來(lái)傳輸一些重要的數據比如負載長(cháng)度、傳輸速率、服務(wù)等信息。由于數據率及要傳送字節的數量不同，Payload的包長(cháng)變化很大，可以十分短也可以十分長(cháng)。
　　
　　在一幀信號的傳輸過(guò)程中，Preamble和Header所占的傳輸時(shí)間越多，Payload用的傳輸時(shí)間就越少，傳輸的效率越低。
綜合上述3種調制技術(shù)的特點(diǎn)，IEEE802.11ｇ采用了OFDM等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)保障其優(yōu)越的性能，分別對Preamble，Header，Payload進(jìn)行調制，這種幀結構稱(chēng)為OFDM/OFDM方式。
　　
　　另外，IEEE802.11ｇ草案標準規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的可選調制方式。因此，OFDM調制為必選項保障傳輸速率達到54Mbit/s；采用CCK調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(jiàn)表1?！　?