無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11g的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2019-11-05 02:34:46

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供稿：網(wǎng)友

　　1997年802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定是無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展的里程碑，它是由大量的局域網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)專家審定通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)。802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標(biāo)準(zhǔn)主要有802.11b、a和g。
　　
　　1999年9月IEEE802.11又制定了a和b標(biāo)準(zhǔn)制，擴(kuò)展了原先的802.11規(guī)范。11b工作在2.4GHz的頻段上，采用了補(bǔ)碼鍵控（CCK）調(diào)制技術(shù)和直序列調(diào)頻（DSSS）技術(shù)，通過(guò)使用新的調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)速率增至為5.5Mbps和11Mbps。802.11a工作5GHz頻段上，使用OFDM調(diào)制技術(shù)可支持54Mbps的傳輸速率。802.11a與802.11b兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，802.11b的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格低廉，但速率較低（最高11Mbps）；而802.11a優(yōu)勢(shì)在于傳輸速率快（最高54Mbps）且受干擾少，但價(jià)格相對(duì)較高。另外，11a與11b工作在不同的頻段上，不能工作在同一接入點(diǎn)（AP）的網(wǎng)絡(luò)里，因此11a與11b互不兼容。
　　
　　為了解決上述問(wèn)題，為了進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展，IEEE802.11工作組開(kāi)始定義新的物理層標(biāo)準(zhǔn)802.11g。802.11g草案與以前的802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相比有以下兩個(gè)特點(diǎn)：其在2.4GHz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20Mbps以上；IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)能夠與802.11b的WIFI系統(tǒng)互相連通，共存在同一AP的網(wǎng)絡(luò)里，保障了后向兼容性。這樣原有的WLAN系統(tǒng)可以平滑的向高速無(wú)線局域網(wǎng)過(guò)渡，延長(zhǎng)了IEEE802.11b產(chǎn)品的使用壽命，降低用戶的投資。2003年7月802.11工作組批準(zhǔn)了802.11g標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　基于OFDM技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸
　　隨著無(wú)線局域網(wǎng)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他干擾源的存在使實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸比有線信道中困難，IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)采用OFDM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸。
　　
　　OFDM技術(shù)其實(shí)是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制)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，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。在各個(gè)子信道中的這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IFFT和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都是非常輕易實(shí)現(xiàn)的。快速傅里葉變換（FFT）的引入，大大降低了OFDM的實(shí)現(xiàn)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輕易通過(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，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)在某種程度上反抗這種干擾。
　　
　　OFDM技術(shù)有非常廣闊的發(fā)展前景，已成為第四帶移動(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（包括符號(hào)間干擾ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度的提高物理層的可靠性。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)，可以使其性能進(jìn)一步優(yōu)化。
　　
　　IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)組幀方式
　　從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)上來(lái)看，802.11只定義了物理層及介質(zhì)訪問(wèn)控制(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（bit）。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。物理層由三部分組成：物理層治理層、物理層收斂過(guò)程子層（PLCP）、和物理介質(zhì)依靠子層（PMD）。
　　
　　802.11g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)告知其他移動(dòng)臺(tái)以免沖突，同時(shí)傳送同步信號(hào)及幀間隔。前導(dǎo)信號(hào)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。Payload：由于數(shù)據(jù)率及要傳送字節(jié)的數(shù)量不同，負(fù)載的包長(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 />　　
　　綜合上述三種調(diào)制技術(shù)的特點(diǎn)，802.11g采用了OFDM等要害技術(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，802.11g草案標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可選項(xiàng)與必選項(xiàng)，為了保障與11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可選調(diào)制方式。
　　
　　1.OFDM調(diào)制為必選項(xiàng)保障傳輸速率達(dá)到54Mbps。
　　
　　2.采用CCK調(diào)制作為必選保障后向兼容性。
　　
　　3.CCK/PBCC與CCK/OFDM作為可選項(xiàng)。
　　
　　OFDM/OFDM：前導(dǎo)、信頭和負(fù)載都使用OFDM進(jìn)行調(diào)制傳輸，其傳輸速率可達(dá)54Mbps。OFDM一個(gè)特點(diǎn)是它有短的前導(dǎo)信號(hào)，相比CCK調(diào)制信號(hào)的幀頭是72 s，然而OFDM調(diào)制信號(hào)的幀頭是16 s。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答應(yīng)較短的信頭給更多的時(shí)間用于傳輸數(shù)據(jù)，具有較高的傳輸效率。因此，對(duì)于11Mbps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)54Mbps。802.11g協(xié)議中OFDM/OFDM方式也可以和WIFI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：是一種混合調(diào)制方式，是802.11g的可選項(xiàng)。其信頭和前導(dǎo)信號(hào)用補(bǔ)碼鍵控（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間要有CCK和OFDM的轉(zhuǎn)換。
　　
　　802.11g使用CCK/OFDM技術(shù)來(lái)保障和802.11b共存。802.11b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，802.11g使用CCK技術(shù)傳輸信頭和前導(dǎo)信號(hào)就可以使802.11b兼容，使其可以接收802.11g的信頭從而避免沖突。這樣保障了與802.11b WIFI設(shè)備的后向兼容性，但由于Preamble/header使用CCK調(diào)制，開(kāi)銷增大，傳輸速率比OFDM/OFDM方式有所下降。
　　
　　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，這樣使它可以工作在高的速率上而且可以與802.11b兼容。PBCC調(diào)制技術(shù)最高數(shù)據(jù)傳輸速率是33M，所以它比OFDM或CCK/OFDM的傳送速率低。
　　
　　IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)具有后向兼容性
　　IEEE802.11g于11b標(biāo)準(zhǔn)同工作于2.4GHz頻段，而11g設(shè)備可以和11b標(biāo)準(zhǔn)兼容。（兼容性指的是11g的設(shè)備可以和11b標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備在同一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)里互聯(lián)互通。）802.11g協(xié)議的一個(gè)最大的特點(diǎn)就是要保障與802.11b及WIFI系統(tǒng)兼容。802.11g可以接收OFDM和CCK數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)的WIFI系統(tǒng)只能接收CCK信息。這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，即在11g與11b共存的環(huán)境中如何解決由于802.11b不能解調(diào)OFDM格式信息幀頭所帶來(lái)的沖突問(wèn)題。802.11g協(xié)議采用RTS/CTS技術(shù)解決上述問(wèn)題。
　　
　　最初，802.11MAC引入了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），工作站B在工作站A和工作站C的信號(hào)傳播范圍之內(nèi)，而工作站C在工作站A的信號(hào)傳播范圍之外。當(dāng)工作站A向在此機(jī)制下每個(gè)站在訪問(wèn)介質(zhì)時(shí)，獲得介質(zhì)控制的站并不是直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀而是向接收站發(fā)送RTS幀(Ready to send)，接收站回復(fù)CTS幀（clear to send），其它非RTS目的站的站點(diǎn)接收到RTS幀后讀取其中的傳輸時(shí)間的預(yù)留信息，也就是網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV），并據(jù)此更新本地NAV，收到CTS幀的非CTS目的站也同樣讀取其中的NAV并更新本地NAV，這樣無(wú)論是位于發(fā)送站信號(hào)傳播范圍的站還是位于接收站信號(hào)傳播范圍的站都能了解介質(zhì)忙閑情況。
　　
　　802.11b與802.11g混合工作的情況與隱蔽站問(wèn)題非常相似，11b設(shè)備無(wú)法接收OFDM格式的11g的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機(jī)制來(lái)解決。在802.11g和802.11b混合工作的環(huán)境中（即在同一接入點(diǎn)AP服務(wù)區(qū)中既有11g設(shè)備也有11b設(shè)備），每一工作節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)信息前，必須發(fā)送一個(gè)RTS幀給AP，從AP返回一個(gè)CTS 幀，就開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。工作臺(tái)發(fā)送RTS到AP節(jié)點(diǎn)返回CTS信號(hào)，這樣所有的工作臺(tái)都能收到信號(hào)，從而避免了混合站點(diǎn)間的碰撞，解決了11b與11g的兼容問(wèn)題（RTS和CTS信號(hào)都采用CCK信號(hào)）。RTS/CTS機(jī)制也帶來(lái)了系統(tǒng)的額外開(kāi)銷，因而數(shù)據(jù)率比只使用OFDM的IEEE802.11a系統(tǒng)低，但對(duì)于向下兼容并將要取代的在2.4GHz上的IEEE802.11b系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)速率又有很大的提高，折衷來(lái)看IEEE802.11g還是具有很大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于現(xiàn)在的IEEE802.11g系統(tǒng)，每一個(gè)AP監(jiān)視它旁邊的移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)沒(méi)有IEEE802.11b的設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)取消RTS/CTS機(jī)制，相應(yīng)的增加了系統(tǒng)吞吐量。未來(lái)的IEEE802.11g系統(tǒng)，當(dāng)完全替代了IEEE802.11b產(chǎn)品，只使用OFDM調(diào)制技術(shù)時(shí)，相比IEEE802.11a系統(tǒng)就又有優(yōu)勢(shì)了。
　　
　　IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)為雙頻多模應(yīng)用方式
　　
　　雙頻多模WLAN的引入
　　IEEE802.11工作組先后推出了802.11a、802.11b和802.11g物理層標(biāo)準(zhǔn)。豐富多樣的標(biāo)準(zhǔn)提升了無(wú)線局域網(wǎng)的性能，同時(shí)帶來(lái)了新的問(wèn)題。如前文所述802.11a和802.11b分別工作在不同頻段（802.11a工

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