802.11g關鍵技術講解和協(xié)議性能分析

物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實現(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備與接口硬件的機械、電氣功能和過程的特性，用以建立、維持和釋放物理連接。物理層由三部分組成：物理層管理層、物理層會聚協(xié)議（PLCP）和物理介質依賴子層（PMD）。IEEE802.11ｇ的物理幀結構分為前導信號（Preamble）、信頭Header和負載Payload。Preamble主要用于確定移動臺和接入點之間何時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，傳輸進行時告知其它移動臺以免沖突，同時傳送同步信號及幀間隔。Preamble完成，接收方才開始接收數(shù)據(jù)。Header在Preamble之后用來傳輸一些重要的數(shù)據(jù)比如負載長度、傳輸速率、服務等信息。由于數(shù)據(jù)率及要傳送字節(jié)的數(shù)量不同，Payload的包長變化很大，可以十分短也可以十分長。在一幀信號的傳輸過程中，Preamble和Header所占的傳輸時間越多，Payload用的傳輸時間就越少，傳輸?shù)男试降?。綜合上述3種調制技術的特點，IEEE802.11ｇ采用了OFDM等關鍵技術來保障其優(yōu)越的性能，分別對Preamble，Header，Payload進行調制，這種幀結構稱為OFDM/OFDM方式。另外，IEEE802.11ｇ草案標準規(guī)定了可選項與必選項，為了保障與IEEE802.11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可選調制方式。因此，OFDM調制為必選項保障傳輸速率達到54Mbit/s；采用CCK調制作為必選保障后向兼容性；CCK/PBCC與CCK/OFDM作為可選項。IEEE802.11ｇ的幀結構比較見表1。（1）OFDM/OFDMPreamble，Header和Payload都使用OFDM進行調制傳輸，其傳輸速率可達54Mbit/s。OFDM的一個好特點是它有短的Preamble，CCK調制信號的幀頭是72μs，而OFDM調制信號的幀頭僅為16μs。幀頭是一個信號的重要組成部分，幀頭占有時間的減少，提高了信號傳送數(shù)據(jù)的能力。OFDM允許較短的Header給更多的時間用于傳輸數(shù)據(jù)，具有較高的傳輸效率。因此，對于11Mbit/s的傳輸速率，CCK調制是一個好的選擇，但要繼續(xù)提升速率必須使用OFDM調制技術。它的最高傳輸速率可達54Mbit/s。IEEE802.11ｇ協(xié)議中的OFDMOFDM方式也可以和Wi-Fi共存，不過它需使用RTS/CTS協(xié)議來解決沖突問題。（2）CCK/OFDM它是一種混合調制方式，是IEEE802.11ｇ的可選項。其Header和Preamble用CCK調制方式傳輸，OFDM技術傳送負載。由于OFDM技術和CCK技術是分離的，因此在Preamble和Payload之間要有CCK和OFDM的轉換。IEEE802.11ｇ用CCK/OFDM技術來保障與IEEE802.11ｂ共存。IEEE802.11ｂ不能解調OFDM格式的數(shù)據(jù)，所以難免會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸沖突，IEEE802.11ｇ使用CCK技術傳輸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IEEE802.11ｂWi-Fi設備的后向兼容性，但由于Preamble/Header使用CCK調制，增大了開銷，傳輸速率比OFDMOFDM方式的有所下降。（3）CCK/PBCCCCK/PBCC和CCK/OFDM一樣，PBCC也是混合波形，包頭使用CCK調制而負載使用PBCC調制方式，這樣它可以工作于高速率上并與IEEE802.11ｂ兼容。PBCC調制技術最高數(shù)據(jù)傳輸速率是33Mbit/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準的IEEE802.11ｇ草案由于其不同的特點，成為人們關注的焦點。IEEE802.11ｇ與IEEE802.11ｂ的兼容性，與同頻設備的共存能力及OFDM技術自身的問題將成為研究熱點。1．IEEE802.11ｇ的兼容性IEEE802.11ｇ兼容性指的是IEEE802.11ｇ設備能和IEEE802.11ｂ設備在同一個AP節(jié)點網(wǎng)絡里互聯(lián)互通。IEEE802.11ｇ的一個最大特點就是要保障與IEEE802.11ｂWi-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，這就產生了一個問題，即在兩者共存的環(huán)境中如何解決由于IEEE802.11ｂ不能解調OFDM格式信息幀頭所帶來的沖突問題。而為了解決上述問題，IEEE802.11ｇ采用了RTS/CTS技術。最初，IEEE802.11引入RTS/CTS機制是為了解決隱蔽站問題，即發(fā)送站檢測不到另一個站在發(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題非常相似，IEEE802.11ｂ設備無法接收OFDM格式的IEEE802.11ｇ的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機制來解決。在IEEE802.11ｇ和IEEE802.11ｂ混合工作的環(huán)境中（即在同一AP服務區(qū)中既有IEEE802.11ｇ設備也有IEEE802.11ｂ設備），每一工作節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)信息前，必須發(fā)送一個RTS(Readytosend)幀給AP，從AP返回一個CTS(Cleartosend)幀，就開始傳送數(shù)據(jù)。工作臺發(fā)送RTS到AP節(jié)點返回CTS信號，這樣所有的工作臺都能收到信號，從而避免了混合站點間的碰撞，解決了兩者的兼容問題（RTS和CTS信號都采用CCK信號）。RTS/CTS機制也帶來了系統(tǒng)的額外開銷，因而數(shù)據(jù)速率率比只使用OFDM的IEEE802.11ａ系統(tǒng)低，但對于向下兼容并將要被取代的IEEE802.11ｂ系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)速率又有很大的提高，因此折衷來看IEEE802.11ｇ還是具有很大的優(yōu)勢。對于現(xiàn)在的IEEE802.11ｇ系統(tǒng)，每一個AP監(jiān)視它旁邊的移動設備，當沒有IEEE802.11ｂ的設備時，系統(tǒng)會自動取消RTS/CTS機制，相應地增加了系統(tǒng)吞吐量。當未來的IEEE802.11g系統(tǒng)，完全替代IEEE802.11ｂ產品，只使用OFDM調制技術時，與IEEE802.11ａ系統(tǒng)相比就具備優(yōu)勢了。2．同頻共存性同頻共存性指工作在同一頻段的無線設備可以互不干擾地進行各自的通信。目前，2．4GHzISM頻段日益擁擠，越來越多的無線系統(tǒng)選擇工作在此頻段，例如Wi-Fi系統(tǒng)、藍牙、無繩電話、微波爐等。這些系統(tǒng)間存在的干擾問題會嚴重影響系統(tǒng)的通信性能。因此使用OFDM技術的IEEE802.11ｇ設備也要解決同頻干擾問題，提高系統(tǒng)間的共存性，以增強系統(tǒng)性能。3．OFDM問題分析IEEE802.11ｇ首次在2．4GHz頻段使用OFDM作為其關鍵技術來提高系統(tǒng)的傳輸速率，OFDM技術結合了多載波和頻移鍵控調制，與單載波系統(tǒng)相比存在一些問題有待解決。因此，OFDM本身的特點會影響IEEE802.11ｇ的性能表現(xiàn)。（1）易受頻率偏移的影響由于子信道的頻率相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。然而由于無線錫鬧存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，例如多普勒頻移，或者由于發(fā)射機載波頻率與接受機本地振蕩器之間存在頻率偏差，都會使得OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，從而導致子信道間信號的相互干擾（ICI），這種頻偏敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點。（2）存在較高的峰值平均功率比與單載波相比，由于多載波調制系統(tǒng)的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬間功率會遠大于信號的平均功率，導致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比（PAR）。這樣就對發(fā)射機內放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動態(tài)范圍不能滿足信號的變化，則會為信號帶來畸變，使疊加信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個子信道信號之間的正交性遭到破壞，產生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。目前，IceFyre公司正在開發(fā)一種低PAR的OFDM芯片，準備在IEEE802.11ｇ系統(tǒng)中使用。另外，2．4GHz頻段的OFDM技術可以保證低PAR且功耗較低，這都將有利于IEEE802.11ｇ系統(tǒng)的推廣和應用?？偨YIEEE802.11ｇ有很多優(yōu)勢。首先是短期優(yōu)勢，即能與IEEE802.11ｂ產品兼容，使WLAN向高速平滑過渡，延長了IEEE802.11ｂ產品的使用壽命，