802.11g核心技術(shù)和協(xié)議測(cè)試報(bào)告

IEEE802.11工作組近年來(lái)開(kāi)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(gè)特點(diǎn)：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(guò)渡，延長(zhǎng)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(diǎn)。
　　
　　IEEE802.11 WLAN實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高。但是在室內(nèi)這個(gè)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(wú)線信道中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(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(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵技術(shù)大致有3種，直序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)(DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum)及補(bǔ)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(fù)用技術(shù)OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每種技術(shù)皆有其特點(diǎn)，目前擴(kuò)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(diǎn)。
　　
　　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(gè)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(bǔ)碼序列與直序列擴(kuò)頻技術(shù)，是一種單載波調(diào)制技術(shù)，通過(guò)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(guò)與接收端的Pake接收機(jī)配合使用，能夠在高效率傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)有效克服多徑效應(yīng)。IEEE802.11ｂ通過(guò)使用CCK調(diào)制技術(shù)來(lái)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(guò)11 Mbit/s，CCK為了對(duì)抗多徑干擾，需要更復(fù)雜的均衡及調(diào)制，實(shí)現(xiàn)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(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(xiàng)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(hào)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(guò)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(shí)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(gè)子信道上進(jìn)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(gè)子信道上的信號(hào)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(hào)間干擾。
　　
　　由于在OFDM系統(tǒng)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(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(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)的。FFT的引入，大大降低了OFDM實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能。
　　
　　無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般都存在非對(duì)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(wú)論從用戶高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求，還是從無(wú)線通信自身來(lái)考慮，都希望物理層支持非對(duì)稱高速數(shù)據(jù)傳輸，而OFDM很容易通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
　　
　　由于無(wú)線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(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(dòng)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(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(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(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(lái)看，IEEE802．11只定義了物理層及MAC子層。MAC層提供對(duì)共享無(wú)線介質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)使用和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)使用，具有無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)驗(yàn)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(shí)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(jī)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)依賴子層（PMD）。
　　
　　IEEE802.11ｇ的物理幀結(jié)構(gòu)分為前導(dǎo)信號(hào)（Preamble）、信頭Header和負(fù)載Payload。Preamble主要用于確定移動(dòng)臺(tái)和接入點(diǎn)之間何時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，傳輸進(jìn)行時(shí)告知其它移動(dòng)臺(tái)以免沖突，同時(shí)傳送同步信號(hào)及幀間隔。Preamble完成，接收方才開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。Header在Preamble之后?用來(lái)傳輸一些重要的數(shù)據(jù)比如負(fù)載長(zhǎng)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(zhǎng)變化很大，可以十分短也可以十分長(zhǎng)。
　　
　　在一幀信號(hào)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?shù)男试降汀?br>綜合上述3種調(diào)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(duì)Preamble，Header，Payload進(jìn)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(xiàng)與必選項(xiàng)，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(xiàng)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(xiàng)。
　　
　　IEEE802.11ｇ的幀結(jié)構(gòu)比較見(jiàn)表1。　　
　　
　　
　?。?）OFDM/OFDM
　　
　　Preamble，Header和Payload都使用OFDM進(jìn)行調(diào)制傳輸，其傳輸速率可達(dá)54 Mbit/s。OFDM的一個(gè)好特點(diǎn)是它有短的Preamble，CCK調(diào)制信號(hào)的幀頭是72μs，而OFDM調(diào)制信號(hào)的幀頭僅為16μs。幀頭是一個(gè)信號(hào)的重要組成部分，幀頭占有時(shí)間的減少，提高了信號(hào)傳送數(shù)據(jù)的能力。OFDM允許較短的Header給更多的時(shí)間用于傳輸數(shù)據(jù)，具有較高的傳輸效率。因此，對(duì)于11 Mbit/s的傳輸速率，CCK調(diào)制是一個(gè)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?OFDM方式也可以和Wi-Fi共存，不過(guò)它需使用RTS/CTS協(xié)議來(lái)解決沖突問(wèn)題。
　　
　?。?）CCK/OFDM
　　
　　它是一種混合調(diào)制方式，是IEEE802.11ｇ的可選項(xiàng)。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(lái)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(huì)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(kāi)銷，傳輸速率比OFDM?OFDM方式的有所下降。
　　
　?。?）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(diǎn)，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。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(wèn)題將成為研究熱點(diǎn)。
　　
　　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(gè)AP節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)里互聯(lián)互通。IEEE802.11ｇ的一個(gè)最大特點(diǎn)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(gè)問(wèn)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(lái)的沖突問(wèn)題。而為了解決上述問(wèn)題，IEEE802.11ｇ采用了RTS/CTS技術(shù)。
　　
　　最初，IEEE802.11引入RTS/CTS機(jī)制是為了解決隱蔽站問(wèn)題，即發(fā)送站檢測(cè)不到另一個(gè)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(wèn)題非常相似，IEEE802.11ｂ設(shè)備無(wú)法接收OFDM格式的IEEE802.11ｇ的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機(jī)制來(lái)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