提高WLAN前導碼檢測效率

前言
檢測前導碼可能是目前 802.11b/g WLAN 設計中耗電最多的任務(wù)。幸運的是，可以采用一種簡(jiǎn)單的檢測方案，讓設計人員在不同的功耗限制下進(jìn)行前導碼的檢測。
802.11 WLAN 功能已成為大量消費類(lèi)電子產(chǎn)品采用的主要技術(shù)，設計人員必須解決不同的功耗問(wèn)題。由于 WLAN 設備只在約 3% 的時(shí)間中傳輸數據，因此 WLAN 設備在‘等待’WLAN 通信流量狀態(tài)下的功耗就成為一種關(guān)鍵性參數。有鑒于此，設計人員在構建具備 802.11b/g 功能的架構時(shí)就必須特別注意前導碼檢測技術(shù)。
本文將討論上述挑戰，并談?wù)勗O計 WLAN 前導碼檢測方法時(shí)遇到的各種問(wèn)題與折中權衡。還將提供一種前導碼檢測方法，其可在不同的功耗限制條件下用于檢測 WLAN 數據包，此外，針對系統設計人員如何根據 WLAN 設備的操作環(huán)境做出選擇這一問(wèn)題給出一些指導性意見(jiàn)。

前導碼格式
在符合 802.11g 標準的 WLAN 設備中，基本有兩種前導碼：一個(gè)用于直接序列擴頻 (DSSS) 模式，它由 802.11b 繼承而來(lái)；另一個(gè)則用于正交頻分復用 (OFDM)模式，它由 802.11a 繼承而來(lái)。
DSSS 前導碼是以11MHz的芯片速率傳輸的一系列 Barker-11序列。每個(gè)序列由偽隨機序列輸出進(jìn)行調制(即按定義傳輸或根據輸出逆向)。這是一個(gè)以時(shí)域為導向的描述。前導碼的基本周期為1ms，如圖1所示。
在頻域中對 OFDM 前導碼進(jìn)行了描述。它由一系列音調 (tone) 組成，其頻率為 1.25MHz 的倍數，且調整后的相位可生成帶有小峰值與平均功率比的波形。這就在時(shí)域中形成一種每 0.8ms重復一次的模式。OFDM 前導碼的基本周期時(shí)域如圖 2所示。
WLAN 設備傳輸與跟隨數據模式相關(guān)聯(lián)的前導碼。傳統的 802.11b 數據模式(1、2、5.5 以及 11Mbit/s)以及可選的 802.11g 22Mbit/s 模式前面都有 DSSS 前導碼?；?802.11a 的數據模式(6、9、12、18、24、36、48和54 Mbit/s)前面都有 OFDM 前導碼。為了獲得可用的最高吞吐量，接收設備必須在其開(kāi)始抵達的4ms時(shí)間內檢測上述前導碼。檢測到前導碼后，檢測確認信息必須傳遞給媒體接入控制器(MAC)，以確保所有計劃中的傳輸都被延遲，直到媒體空閑時(shí)才進(jìn)行。媒體的狀態(tài)由信道空閑評估 (CCA) 指針信號傳遞。這樣，802.11 協(xié)議就能使傳輸過(guò)程中的沖突降低到最小限度。

前導碼的使用
前導碼最明顯的用途就是顯示 WLAN 數據包正在被發(fā)送。事實(shí)上，檢測前導碼是接收數據包的一個(gè)前提。如果未接到某個(gè)數據包，那么網(wǎng)絡(luò )性能會(huì )受影響。有鑒于此，只要前導碼存在，算法設計人員就要聲明檢測到數據包。
但是，如果虛假聲明檢測到數據包，也會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )性能，因為這會(huì )導致任何未決的傳輸發(fā)生不必要的延遲。虛假聲明數據包檢測還會(huì )造成另一結果，就是可能進(jìn)行額外的信號處理，從而消耗更多功率。在處理過(guò)程中它還會(huì )造成丟失真正數據包的風(fēng)險。
了解到這一點(diǎn)，算法設計人員就必須認真進(jìn)行選擇。設計人員即便在最壞的條件下也必須檢測數據包，以增大設備的操作覆蓋范圍，此外，只要確定存在數據包，就必須聲明檢測到數據包，從而最大程度地降低功耗。
除了采用前導碼檢測數據包之外，還必須決定正在接收的是哪一類(lèi)型的傳輸，從而選擇適當的處理。WLAN 設備還需要依靠前導碼校準(train)其某些接收機功能。就 OFDM 前導碼的情況而言，WLAN 設備必須校準其自動(dòng)增益控制 (AGC)，如果啟用多樣性則還應選擇適當的天線(xiàn)，此外還要大致估計傳輸與接收設備間的頻率失調。OFDM校準序列在這部分可能還要進(jìn)行其它校準功能，但也可稍后進(jìn)行。
就DSSS前導碼的情況而言，WLAN 設備也應在接收前導碼時(shí)校準其 AGC，但是，由于 DSSS前導碼較長(cháng)，因此 WLAN 設備可能延遲所有其它校準，直到前導碼檢測確認后再進(jìn)行。同樣，在啟用多樣性的情況下，還必須選擇適當的天線(xiàn)。
顯然，檢測算法的設計必須能在 AGC 校準時(shí)進(jìn)行工作。AGC校準算法可能是迭代重復的，這種情況只在嘗試縮放信號達到ADC的轉換范圍時(shí)出現。這使得信號水平在檢測算法輸入處有所差異。除此之外，檢測算法還必須具備穩健性，能夠抵御無(wú)線(xiàn)環(huán)境中存在的各種障礙性因素。
障礙性因素的影響
盡管前導碼的傳輸定義很明確，但實(shí)際接收的內容則取決于發(fā)送器到接收機傳輸過(guò)程中遇到的障礙性因素。兩種前導碼的設計都具有低峰值到平均功率比，這樣就能最小化剪輯信號或信號分辨率的問(wèn)題。但是，頻率失調、多路徑和熱噪聲等障礙性因素都會(huì )影響前導碼，使之難以辨認。檢測算法必須考慮到上述所有因素。
頻率失調的影響是使頻域信號的頻譜偏移。此外，也可將其視作時(shí)域的滾動(dòng)。多路徑看起來(lái)像是原始信號的副本與不同的加權和相位拼加得來(lái)，因此某些情況下會(huì )使信號失真，難以辨認。如果在接收范圍的極限處，熱噪聲可能和所需信號的水平相似，這也會(huì )導致信號難以辨認。由于802.11協(xié)議的靈活性，因此上述所有障礙性因素就各數據包而言各有差異，因此也是不能預見(jiàn)和去除的。
上述障礙性因素出現在純粹 WLAN 的環(huán)境中。由于 802.11g WLAN 設備的工作頻率與微波爐、藍牙或無(wú)繩電話(huà)相同，因此還要避免許多其它信號。干擾信號會(huì )導致檢測算法虛假聲明檢測到WLAN前導碼。
另一個(gè)問(wèn)題就是與其它WLAN設備過(guò)于接近。盡管5GHz 頻帶中的 WLAN 部署間有 20MHz 的間距，但802.11g WLAN部署只有 5MHz 的間距。這是 OFDM 前導碼中音調間距 1.25MHz 的數倍。上述信號要避免虛假檢測就要求特別注意檢測算法的設計。當然，在上述情況下，WLAN 設備設計人員可以聲明通道不可用，因此設計會(huì )讓檢測算法在干擾一停止就馬上返回等待狀態(tài)。

檢測架構
在保證進(jìn)行最少量的信號處理情況下，檢測任何信號的最簡(jiǎn)單方法就是等待環(huán)境中的能量是否增加，可實(shí)施模擬或數字域的能量檢測器。這里設置一個(gè)閾值，只要能量超過(guò)該閾值，就會(huì )啟動(dòng)數字處理。不過(guò)這樣做并不一定能實(shí)現真正的經(jīng)濟性，特別是在802.11g WLAN 設備潛在噪音環(huán)境較嚴重的情況下更是如此。如果環(huán)境中存在許多其它信號，或者需要較高的敏感度的話(huà)，那么功耗很多的數字信號處理就會(huì )多次啟動(dòng)。為了避免這種問(wèn)題，應利用信號的某些屬性。
如果檢測算法只需檢測OFDM前導碼，則可采用各種穩健性很高的算法。有些算法以快速傅立葉變換(FFT)或梳狀濾波器利用信號頻率內容，可以高效地利用上述算法。上述架構對DSSS前導碼不適用。
與此類(lèi)似，還可以采用簡(jiǎn)單的匹配過(guò)濾器架構來(lái)檢測 DSSS 前導碼，而且其穩健性相當高。這種架構的問(wèn)題不在于其穩健性或復雜性，而在于反應速度。盡管這是802.11 WLAN設備設計人員的首選方法，但新的要求必須在4ms內或四個(gè)DSSS前導碼周期內檢測前導碼，這就使得上述實(shí)施難以成立了。由于其長(cháng)度的關(guān)系，該架構也不適于 OFDM 前導碼。
更好的方法是采用前導碼的周期性特性。除了頻率失調極高的情況外，無(wú)線(xiàn)環(huán)境中不管受到什么障礙性因素影響，該屬性都存在。幸運的是，最大頻率失調限制在就802.11g標準而言較低的水平上 (50ppm)。
為了充分利用前導碼的周期性，可采用自動(dòng)校正結構。由于 DSSS 前導碼和 OFDM 前導碼都有清晰定義的周期，因此可以設計出一個(gè)適于兩種周期的結構。將時(shí)域中接收的采樣與0.8ms和1ms前接收采樣相比較，就能得到兩種前導碼接收的匹配情況。當然，DSSS前導碼調制必須剝離，這樣才能看到周期性。
周期性的差異可用來(lái)區分兩種前導碼。為了讓檢測的把握性更高，可監控數個(gè)周期。一系列4ms采樣很方便，因為這涵蓋了DSSS前導碼的四個(gè)周期和OFDM前導碼的五個(gè)周期。這樣，為了實(shí)現穩健而快速并能區別兩種前導碼的檢測算法，只需找到關(guān)聯(lián)4ms以上周期采樣的延遲線(xiàn)并將關(guān)聯(lián)與閾值相比較即可。
為了優(yōu)化實(shí)施，需要AGC步進(jìn)變化。AGC的變化必須同時(shí)發(fā)生，這樣分組檢測撤出采樣以實(shí)現完全精確關(guān)聯(lián)的性能。為了免除上述復雜性并節約功耗，可以將關(guān)聯(lián)剛好減少至接收采樣符號位的水平，從而 實(shí)現這一目的。該技術(shù)實(shí)施方法簡(jiǎn)單而且效率較高。圖3顯示了以上各段介紹的算法基本結構。
在4ms內聲明檢測到前導碼確實(shí)會(huì )導致?lián)p失一定的可靠性。理想狀態(tài)下，檢測會(huì )在更長(cháng)的時(shí)間內進(jìn)行。在802.11標準中，在最初采用DSSS前導碼時(shí)，接收機有15ms的時(shí)間做出決定。在802.11a標準中，最初采用OFDM前導碼時(shí)，即便在相當好的條件下，信噪比(SNR)為 10dB 時(shí)，檢測也只預計達到90%的準確度。由于上述原因，WLAN設計人員確實(shí)需要一種方法來(lái)保證引發(fā)數據包檢測的信號確實(shí)是所需的前同步代碼?？刹捎脴藴势ヅ溥^(guò)濾器來(lái)實(shí)現此目的，因為信道聲明為占用后會(huì )有確認的時(shí)間。匹配過(guò)濾器只需接收采樣的符號位就可操作，這與關(guān)聯(lián)器一樣。這樣就可以利用相當簡(jiǎn)單而穩健性又較高的確認方法。進(jìn)行該確認后，只需打開(kāi)完全精確的信號處理。這樣，WLAN 設備就可具備低功率檢測電路和低功率確認電路。圖4顯示了802.11g WLAN設備中所得的信號流。
一旦聲明了前導碼，設備就肯定會(huì )表明媒體被占用。如果檢測到真正的前導碼的話(huà)，這就反映了協(xié)議是如何避免沖突的。但是，如果檢測是假的，那就會(huì )損失吞吐量。為了最小化吞吐量的損失，設計人員可提高用于聲明數據包檢測的閾值，這就讓聲明數據包變得更為困難。WLAN設備只有在前導碼特別強的情況下才會(huì )聲明數據包檢測。當然，這又會(huì )提高設備丟失有效數據包的可能性。設計人員必須在可能損失吞吐量和可能丟失有效數據包間進(jìn)行折中選擇，這可能要由應用決定，不過(guò)由于上述情況僅由改變閾值決定，因此也與信號質(zhì)量有關(guān)。

結語(yǔ)
顯然，設計人員應調節其前導碼檢測方案以滿(mǎn)足實(shí)施 WLAN 技術(shù)的不同系統的要求。正如前面討論中所指出的一種相當簡(jiǎn)單的檢測方案，設計人員用它可快速找到前導碼，同時(shí)又能滿(mǎn)足PDA、手機、小區網(wǎng)關(guān)以及其它通信設備的不同功耗要求?！?BR>