早期主流的WLAN技术

Posted 2020-09-18 listenerln

4.1  802.11a

IEEE 802.11a是802.11原始标准的一个修订标准，于1999年获得批准。802.11a标准采用了与原始标准相同的核心协议，工作频率为5GHz，使用52个正交频分多路复用载波，最大原始数据传输率为54Mb/s，这达到了现实网络中等吞吐量（20Mb/s）的要求。如果需要的话，数据率可降为48，36，24，18，12，9或者6Mb/s。802.11a拥有12条不相互重叠的频道，8条用于室内，4条用于点对点传输。它不能与IEEE 802.11b进行互操作，除非使用了对两种标准都采用的设备。

802.11a的传输技术为多载波调制技术。802.11a标准是已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的802.11b无线联网标准的后续标准。它工作在5GHzU-NII频带，物理层速率可达54Mb/s，传输层可达25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

由于2.4GHz频带已经被到处使用，采用5GHz的频带让802.11a具有更少冲突的优点。然而，高载波频率也带来了负面效果。802.11a几乎被限制在直线范围内使用，这导致必须使用更多的接入点；同样还意味着802.11a不能传播得像802.11b那么远，因为它更容易被吸收。

802.11的第二个分支被指定为802.11a。承受着风险将802.11带入了不同的频带——5.2GHzU-NII频带，并被指定高达54Mbps的数据速率。与单个载波系统802.11b不同，802.11a运用了提高频率信道利用率的正交频率划分多路复用(OFDM)的多载波调制技术。由于802.11a运用5.2GHz射频频谱，因此它与802.11b或最初的802.11WLAN标准均不能进行互操作。

尽管2003年的世界无线电通信会议让802.11a在全球的应用变得更容易，不同的国家还是有不同的规定支持。美国和日本已经出现了相关规定对802.11a进行了认可，但是在其它地区，如欧盟，管理机构却考虑使用欧洲的HIPERLAN标准，而且在2002年中期禁止在欧洲使用802.11a。在美国，2003年中期联邦通信委员会的决定可能会为802.11a提供更多的频谱。

在52个OFDM副载波中，48个用于传输数据，4个是引示副载波（pilot carrier），每一个带宽为0.3125MHz（20MHz/64），可以是二相移相键控（BPSK），四相移相键控（QPSK），16-QAM或者64-QAM。总带宽为20MHz，占用带宽为16.6MHz。符号时间为4微秒，保护间隔0.8微秒。实际产生和解码正交分量的过程都是在基带中由DSP完成，然后由发射器将频率提升到5GHz。每一个副载波都需要用复数来表示。时域信号通过逆向快速傅里叶变换产生。接收器将信号降频至20MHz，重新采样并通过快速傅里叶变换来重新获得原始系数。使用OFDM的好处包括减少接收时的多路效应，增加了频谱效率。

802.11a产品于2001年开始销售，比802.11b的产品还要晚，这是因为产品中5GHz的组件研制成功太慢。由于802.11b已经被广泛采用了，802.11a没有被广泛的采用。再加上802.11a的一些弱点，和一些地方的规定限制，使得它的使用范围更窄了。802.11a设备厂商为了应对这样的市场匮乏，对技术进行了改进（现在的802.11a技术已经与802.11b在很多特性上都很相近了），并开发了可以使用不止一种802.11标准的技术。现在已经有了可以同时支持802.11a和b，或者a、b、g都支持的三频，以及a、b、g、n都支持的四频的无线网卡，它们可以自动根据情况选择标准。同样，也出现了移动适配器和接入设备能同时支持所有的这些标准。

数据率(Mbit/s)	调制方式	编码率	Ndbps	1472字节传输时间(µs)
6	BPSK	1/2	24	2012
9	BPSK	3/4	36	1344
12	4-QAM	1/2	48	1008
18	4-QAM	3/4	72	672
24	16-QAM	1/2	96	504
36	16-QAM	3/4	144	336
48	64-QAM	2/3	192	252
54	64-QAM	3/4	216	224

 

 

 

5.1  802.11g

IEEE802.11工作组近年来开始定义新的物理层标准IEEE802.11ｇ。与以前的IEEE802.11协议标准相比，IEEE802.11ｇ草案有以下两个特点：在2．4GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与IEEE802.11ｂ的Wi-Fi系统互联互通，可共存于同一AP的网络里，从而保障了后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑地向高速WLAN过渡，延长了IEEE802．11b产品的使用寿命，降低了用户的投资。2003年7月IEEE802.11工作组批准了IEEE802.11ｇ草案，该标准成为人们关注的新焦点。

5.2  实现的关键技术

随着WLAN技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。但是在室内这个较为复杂的电磁环境中，多径效应、频率选择性衰落和其它干扰源的存在使得无线信道中高速数据传输的实现比有线信道困难，因此WLAN需要采用合适的调制技术。

IEEE802．11WLAN是一种能支持较高数据传输速率（1～54Mbit/s），采用微蜂窝、微微蜂窝结构，自主管理的计算机局域网络。其关键技术大致有3种，直序列扩频调制技术(DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum)及补码键控(CCK：Complementary Code Keying)技术、包二进制卷积(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)和正交频分复用技术OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing。每种技术皆有其特点，目前扩频调制技术正成为主流，而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。

5.3  DSSS调制技术

基于DSSS的调制技术有3种。最初IEEE802．11标准制定在1Mbit/s数据速率下采用差分二相相移键控(DBPSK:DifferentialBinary Phase Shift Keying)。如果要提供2 Mbit/s的数据速率，可采用差分正交相移键控(DQPSK: Differential Quadrature Phase Shift Keying)，这种方法每次处理两个比特码元，成为双比特。第三种是基于CCK的QPSK，是IEEE802.11b标准采用的基本数据调制方式。它采用了补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过相移键控（PSK）方式传输数据，传输速率分为1，2，5．5和11 Mbit/s。CCK通过与接收端的Rake接收机配合使用，能够在高效率传输数据的同时有效克服多径效应。IEEE802.11b通过使用CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11 Mbit/s。但是当传输速率超过11 Mbit/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，IEEE802.11工作组为了推动WLAN的发展，又引入了新的调制技术。

5.4  PBCC调制技术

PBCC调制技术是由德州仪器（TI）公司提出的，已作为IEEE802.11g的可选项被采纳。PBCC也是单载波调制，但与CCK不同，它采用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用8PSK，而CCK使用BPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷积码，而CCK使用区块码。因此，它们的解调过程是十分不同的。PBCC可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11，22，33Mbit/s。

5.5  OFDM技术

OFDM技术其实是多载波调制(MCM:Multi-CarrierModulation)的一种。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减少了子载波间的相互干扰，同时还提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用反向快速傅里叶变换（IFFT）和快速傅里叶变换（FFT）方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。FFT的引入，大大降低了OFDM实现的复杂性，提升了系统的性能。

无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM很容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上能抵抗这种干扰。

OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第四代移动通信的核心技术。IEEE802．11a/g标准为了支持高速数据传输都采用了OFDM调制技术。目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰〔包括码间干扰（ISI）和信道间干扰（ICI）〕抑制以及智能天线技术，最大程度提高了物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能得到进一步优化。

5.6  协议帧结构

从网络逻辑结构上来看，IEEE802．11只定义了物理层及MAC子层。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用，具有无线介质访问、网络连接、数据验证和保密等功能。

物理层为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输，所传数据单位为比特。物理层定义了通信设备与接口硬件的机械、电气功能和过程的特性，用以建立、维持和释放物理连接。物理层由三部分组成：物理层管理层、物理层会聚协议（PLCP）和物理介质依赖子层（PMD）。

IEEE802.11g的物理帧结构分为前导信号（Preamble）、信头Header和负载Payload。Preamble主要用于确定移动台和接入点之间何时发送和接收数据，传输进行时告知其它移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。Preamble完成，接收方才开始接收数据。Header在Preamble之后，用来传输一些重要的数据比如负载长度、传输速率、服务等信息。由于数据率及要传送字节的数量不同，Payload的包长变化很大，可以十分短也可以十分长。

在一帧信号的传输过程中，Preamble和Header所占的传输时间越多，Payload用的传输时间就越少，传输的效率越低。

综合上述3种调制技术的特点，IEEE802.11g采用了OFDM等关键技术来保障其优越的性能，分别对Preamble，Header，Payload进行调制，这种帧结构称为OFDM/OFDM方式。

另外，IEEE802.11g草案标准规定了可选项与必选项，为了保障与IEEE802.11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可选调制方式。因此，OFDM调制为必选项保障传输速率达到54Mbit/s；采用CCK调制作为必选保障后向兼容性；CCK/PBCC与CCK/OFDM作为可选项。IEEE802.11g的帧结构比较见。

5.6.1      OFDM/OFDM

Preamble，Header和Payload都使用OFDM进行调制传输，其传输速率可达54Mbit/s。OFDM的一个好特点是它有短的Preamble，CCK调制信号的帧头是72μs，而OFDM调制信号的帧头仅为16μs。帧头是一个信号的重要组成部分，帧头占有时间的减少，提高了信号传送数据的能力。OFDM允许较短的Header给更多的时间用于传输数据，具有较高的传输效率。因此，对于11Mbit/s的传输速率，CCK调制是一个好的选择，但要继续提升速率必须使用OFDM调制技术。它的最高传输速率可达54Mbit/s。IEEE802.11g协议中的OFDM/OFDM方式也可以和Wi-Fi共存，不过它需使用RTS/CTS协议来解决冲突问题。

5.6.2      CCK/OFDM

它是一种混合调制方式，是IEEE802.11g的可选项。其Header和Preamble用CCK调制方式传输，OFDM技术传送负载。由于OFDM技术和CCK技术是分离的，因此在Preamble和Payload之间要有CCK和OFDM的转换。

IEEE802.11g用CCK/OFDM技术来保障与IEEE802.11b共存。IEEE802.11b不能解调OFDM格式的数据，所以难免会发生数据传输冲突，IEEE802.11g使用CCK技术传输Header和Preamble就可以使IEEE802．11b兼容，使其可以接收IEEE802.11g的Header从而避免冲突。这样保障了与IEEE802.11bWi-Fi设备的后向兼容性，但由于Preamble/Header使用CCK调制，增大了开销，传输速率比OFDM/OFDM方式的有所下降。

5.6.3      CCK/PBCC

CCK/PBCC和CCK/OFDM一样，PBCC也是混合波形，包头使用CCK调制而负载使用PBCC调制方式，这样它可以工作于高速率上并与IEEE802.11b兼容。PBCC调制技术最高数据传输速率是33Mbit/s，比OFDM或CCK/OFDM的传送速率低。

5.7  性能分析

IEEE 802.11g在2003年7月被通过。IEEE802.11g与IEEE802.11b的兼容性，与同频设备的共存能力及OFDM技术自身的问题将成为研究热点。

IEEE802.11g兼容性指的是IEEE802.11g设备能和IEEE802.11b设备在同一个AP节点网络里互联互通。IEEE802.11g的一个最大特点就是要保障与IEEE802.11bWi-Fi系统兼容。IEEE802.11g可以接收OFDM和CCK数据，但传统的Wi-Fi系统只能接收CCK信息，这就产生了一个问题，即在两者共存的环境中如何解决由于IEEE802.11b不能解调OFDM格式信息帧头所带来的冲突问题。而为了解决上述问题，IEEE802.11g采用了RTS/CTS技术。

最初，IEEE802.11引入RTS/CTS机制是为了解决隐蔽站问题，即发送站检测不到另一个站在发送数据，因而在接收站发生碰撞的情况。

IEEE802.11b与IEEE802.11g混合工作的情况与隐蔽站问题非常相似，IEEE802.11b设备无法接收OFDM格式的IEEE802.11g的信息帧头，因此可以采用RTS/CTS机制来解决。