| IEEE802.11g关键技术讲解和协议性能分析 |
| Jan 25,2007 Editor of CyberHome |
| 摘 要：全面介绍了IEEE802.11g标准的WLAN,详细讲述了IEEE802.11g草案标准的概念、特点、构件及体系结构、发展前景等，并探讨了实现IEEE802.11g WLAN所需的几项关键技术，同时分析了IEEE802.11g标准的网络性能。其关键技术包括直序列扩频调制技术及补码键控技术，包二进制卷积，正交频分复用技术等。有关IEEE802.11g的兼容性、同频共存性、自身的OFDM问题分析将成为研究的热点。 关键词：无线局域网 IEEE802.11 a,b,g DSSS OFDM CCK PBCC RTS/CTS Abstract: This thesis gave overall introduction to IEEE802.11g including the concept feature components and structure. The thesis also discussed several techniques of IEEE802．11 WLAN and analyzed the network features. The author thought that compatibility of IEEE802．11 and OFDM would be the focuses in future. Keywords: WLAN IEEE802.11 a,b,gDSSS OFDM CCK PBCC RTS/CTS 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2．4 GHz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20 Mbit/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。 IEEE802.11 WLAN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，多经效应、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。 IEEE802．11 WLAN是一种能支持较高数据传输速率（1～54 Mbit/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。 1．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1 Mbit/s数据速率下采用差分二相相移键控(DBPSK: Differential Binary 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Pake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。 2．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。 3．OFDM技术
OFDM技术其实是多载波调制(MCM: Multi-Carrier Modulation)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。 4．IEEE802.11g协议帧结构及其技术细节 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的帧结构比较见表1。 （1）OFDM/OFDM Preamble，Header和Payload都使用OFDM进行调制传输，其传输速率可达54 Mbit/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11 Mbit/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OFDMOFDM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。 （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IEEE802.11b Wi-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OFDMOFDM方式的有所下降。 （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33 Mbit/s，比OFDM或CCK/OFDM的传送速率低。 IEEE802.11g的性能分析 尚未正式成为标准的IEEE802.11g草案由于其不同的特点，成为人们关注的焦点。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。 1．IEEE802.11g的兼容性 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IEEE802.11b Wi-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。在IEEE802.11g和IEEE802.11b混合工作的环境中（即在同一AP服务区中既有IEEE802.11g设备也有IEEE802.11b设备），每一工作节点在传输数据信息前，必须发送一个RTS(Ready to send)帧给AP，从AP返回一个CTS(Clear to send)帧，就开始传送数据。工作台发送RTS到AP节点返回CTS信号，这样所有的工作台都能收到信号，从而避免了混合站点间的碰撞，解决了两者的兼容问题（RTS和CTS信号都采用CCK信号）。RTS/CTS机制也带来了系统的额外开销，因而数据速率率比只使用OFDM的IEEE802.11ａ系统低，但对于向下兼容并将要被取代的IEEE802.11b系统来说，数据速率又有很大的提高，因此折衷来看IEEE802.11g还是具有很大的优势。对于现在的IEEE802.11g系统，每一个AP监视它旁边的移动设备，当没有IEEE802.11b的设备时，系统会自动取消RTS/CTS机制，相应地增加了系统吞吐量。当未来的IEEE802.11g系统，完全替代IEEE802.11b产品，只使用OFDM调制技术时，与IEEE802.11ａ系统相比就具备优势了。 2．同频共存性 同频共存性指工作在同一频段的无线设备可以互不干扰地进行各自的通信。目前，2．4 GHz ISM频段日益拥挤，越来越多的无线系统选择工作在此频段，例如Wi-Fi系统、蓝牙、无绳电话、微波炉等。这些系统间存在的干扰问题会严重影响系统的通信性能。因此使用OFDM技术的IEEE802.11g设备也要解决同频干扰问题，提高系统间的共存性，以增强系统性能。 3．OFDM问题分析 IEEE802.11g首次在2．4 GHz频段使用OFDM作为其关键技术来提高系统的传输速率， OFDM技术结合了多载波和频移键控调制，与单载波系统相比存在一些问题有待解决。因此，OFDM本身的特点会影响IEEE802.11g的性能表现。 （1）易受频率偏移的影响 由于子信道的频率相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。然而由于无线锡闹存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接受机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间信号的相互干扰（ICI），这种频偏敏感性是OFDM系统的主要缺点。 （2）存在较高的峰值平均功率比 与单载波相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬间功率会远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAR）。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。目前，IceFyre公司正在开发一种低PAR的OFDM芯片，准备在IEEE802.11g系统中使用。另外，2．4 GHz频段的OFDM技术可以保证低PAR且功耗较低，这都将有利于IEEE802.11g系统的推广和应用。 总 结 IEEE 802. 11g有很多优势。首先是短期优势，即能与IEEE802.11b产品兼容，使WLAN向高速平滑过渡，延长了IEEE802.11b产品的使用寿命，减少了用户的投资；其次是长期优势，今后WLAN的产品可以使用双频多模方式，即在2．4 GHz和5 GHz频段同时支持IEEE802.11b，IEEE802.11ａ和IEEE802.11g物理层标准，在两个频段上都使用OFDM调制技术，提高数据传输速率。综上所述，IEEE802.11g是一种具有巨大发展潜力的WLAN标准，它必将以高传输速率和灵活组网特性发挥重要作用。 韩旭东 山东大学信息工程学院 硕士研究生 Han Xudong Postgraduate Communication School of Shandong University 张春业 山东大学信息工程学院副教授 Zhang Chunye Associate Professor Communication School of Shandong University 曹建海 山东大学博士研究生 Cao Jianhai Doctor Candidate Shandong University
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