無線局域網標準IEEE802.11g的技術優勢

2019-11-05 02:34:46

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供稿：網友

　　1997年802.11標準的制定是無線局域網發展的里程碑，它是由大量的局域網以及計算機專家審定通過的標準。802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有802.11b、a和g。
　　
　　1999年9月IEEE802.11又制定了a和b標準制，擴展了原先的802.11規范。11b工作在2.4GHz的頻段上，采用了補碼鍵控（CCK）調制技術和直序列調頻（DSSS）技術，通過使用新的調制技術，數據速率增至為5.5Mbps和11Mbps。802.11a工作5GHz頻段上，使用OFDM調制技術可支持54Mbps的傳輸速率。802.11a與802.11b兩個標準都存在著各自的優缺點，802.11b的優勢在于價格低廉，但速率較低（最高11Mbps）；而802.11a優勢在于傳輸速率快（最高54Mbps）且受干擾少，但價格相對較高。另外，11a與11b工作在不同的頻段上，不能工作在同一接入點（AP）的網絡里，因此11a與11b互不兼容。
　　
　　為了解決上述問題，為了進一步推動無線局域網的發展，IEEE802.11工作組開始定義新的物理層標準802.11g。802.11g草案與以前的802.11協議標準相比有以下兩個特點：其在2.4GHz頻段使用正交頻分復用（OFDM）調制技術，使數據傳輸速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g標準能夠與802.11b的WIFI系統互相連通，共存在同一AP的網絡里，保障了后向兼容性。這樣原有的WLAN系統可以平滑的向高速無線局域網過渡，延長了IEEE802.11b產品的使用壽命，降低用戶的投資。2003年7月802.11工作組批準了802.11g標準。
　　
　　基于OFDM技術的數據傳輸
　　隨著無線局域網技術的應用日漸廣泛，用戶對數據傳輸速率的要求越來越高。但是在室內，這個較為復雜的電磁環境中，多經效應、頻率選擇性衰落和其他干擾源的存在使實現無線信道中的高速數據傳輸比有線信道中困難，IEEE802.11g標準采用OFDM調制技術實現了高速數據傳輸。
　　
　　OFDM技術其實是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調制)的一種，其主要思想是：將信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。
　　
　　由于在OFDM系統中各個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，同時又提高了頻譜利用率。在各個子信道中的這種正交調制和解調可以采用IFFT和FFT方法來實現，隨著大規模集成電路技術與DSP技術的發展，IFFT和FFT都是非常輕易實現的。快速傅里葉變換（FFT）的引入，大大降低了OFDM的實現復雜性，提升了系統的性能。
　　
　　無線數據業務一般都存在非對稱性，即下行鏈路中傳輸的數據量要遠遠大于上行鏈路中的數據傳輸量。因此無論從用戶高速數據傳輸業務的需求，還是從無線通信自身來考慮，都希望物理層支持非對稱高速數據傳輸，而OFDM輕易通過使用不同數量的子信道來實現上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。
　　
　　由于無線信道存在頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于比較深的衰落情況中，因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統在某種程度上反抗這種干擾。
　　
　　OFDM技術有非常廣闊的發展前景，已成為第四帶移動通信的核心技術。IEEE802.11a/g標準為了支持高速數據傳輸都采用了OFDM調制技術。目前，OFDM結合時空編碼、分集、干擾（包括符號間干擾ISI和鄰道干擾ICI）抑制以及智能天線技術，最大程度的提高物理層的可靠性。如再結合自適應調制、自適應編碼以及動態子載波分配、動態比特分配算法等技術，可以使其性能進一步優化。
　　
　　IEEE802.11g標準組幀方式
　　從網絡邏輯結構上來看，802.11只定義了物理層及介質訪問控制(MAC)子層。MAC層提供對共享無線介質的競爭使用和無競爭使用，具有無線介質訪問、網絡連接、數據驗證和保密等功能。
　　
　　物理層為數據鏈路層提供物理連接，實現比特流的透明傳輸，所傳數據單位為比特（bit）。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：物理層治理層、物理層收斂過程子層（PLCP）、和物理介質依靠子層（PMD）。
　　
　　802.11g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送和接收數據，傳輸進行時告知其他移動臺以免沖突，同時傳送同步信號及幀間隔。前導信號完成，接收方才開始接收數據。Header：在Preamble之后，用來傳輸一些重要的數據比如負載長度、傳輸速率、服務等信息。Payload：由于數據率及要傳送字節的數量不同，負載的包長變化很大，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，傳輸的效率越低。
　　
　　綜合上述三種調制技術的特點，802.11g采用了OFDM等要害技術來保障其優越的性能，分別對Preamble、 header、payload進行調制，這種幀結構稱為OFDM/OFDM方式。另外，802.11g草案標準規定了可選項與必選項，為了保障與11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可選調制方式。
　　
　　1.OFDM調制為必選項保障傳輸速率達到54Mbps。
　　
　　2.采用CCK調制作為必選保障后向兼容性。
　　
　　3.CCK/PBCC與CCK/OFDM作為可選項。
　　
　　OFDM/OFDM：前導、信頭和負載都使用OFDM進行調制傳輸，其傳輸速率可達54Mbps。OFDM一個特點是它有短的前導信號，相比CCK調制信號的幀頭是72 s，然而OFDM調制信號的幀頭是16 s。幀頭是一個信號的重要組成部分，幀頭占有時間的減少，提高了信號傳送數據的能力。OFDM答應較短的信頭給更多的時間用于傳輸數據，具有較高的傳輸效率。因此，對于11Mbps的傳輸速率，CCK調制是一個好的選擇，但要繼續提升速率必須使用OFDM調制技術。它的最高傳輸速率可達54Mbps。802.11g協議中OFDM/OFDM方式也可以和WIFI共存，不過它需使用RTS/CTS協議來解決沖突問題。
　　
　　CCK/OFDM：是一種混合調制方式，是802.11g的可選項。其信頭和前導信號用補碼鍵控（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間要有CCK和OFDM的轉換。
　　
　　802.11g使用CCK/OFDM技術來保障和802.11b共存。802.11b不能解調OFDM格式的數據，所以難免會發生數據傳輸沖突，802.11g使用CCK技術傳輸信頭和前導信號就可以使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設備的后向兼容性，但由于Preamble/header使用CCK調制，開銷增大，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調制而負載使用PBCC調制方式，這樣使它可以工作在高的速率上而且可以與802.11b兼容。PBCC調制技術最高數據傳輸速率是33M，所以它比OFDM或CCK/OFDM的傳送速率低。
　　
　　IEEE802.11g標準具有后向兼容性
　　IEEE802.11g于11b標準同工作于2.4GHz頻段，而11g設備可以和11b標準兼容。（兼容性指的是11g的設備可以和11b標準的設備在同一個AP節點網絡里互聯互通。）802.11g協議的一個最大的特點就是要保障與802.11b及WIFI系統兼容。802.11g可以接收OFDM和CCK數據，但傳統的WIFI系統只能接收CCK信息。這就產生了一個問題，即在11g與11b共存的環境中如何解決由于802.11b不能解調OFDM格式信息幀頭所帶來的沖突問題。802.11g協議采用RTS/CTS技術解決上述問題。
　　
　　最初，802.11MAC引入了RTS/CTS機制是為了解決隱蔽站問題（即發送站檢測不到另一個站在發送數據，因而在接收站發生碰撞），工作站B在工作站A和工作站C的信號傳播范圍之內，而工作站C在工作站A的信號傳播范圍之外。當工作站A向在此機制下每個站在訪問介質時，獲得介質控制的站并不是直接發送數據幀而是向接收站發送RTS幀(Ready to send)，接收站回復CTS幀（clear to send），其它非RTS目的站的站點接收到RTS幀后讀取其中的傳輸時間的預留信息，也就是網絡分配矢量（NAV），并據此更新本地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，這樣無論是位于發送站信號傳播范圍的站還是位于接收站信號傳播范圍的站都能了解介質忙閑情況。
　　
　　802.11b與802.11g混合工作的情況與隱蔽站問題非常相似，11b設備無法接收OFDM格式的11g的信息幀頭，因此可以采用RTS/CTS機制來解決。在802.11g和802.11b混合工作的環境中（即在同一接入點AP服務區中既有11g設備也有11b設備），每一工作節點在傳輸數據信息前，必須發送一個RTS幀給AP，從AP返回一個CTS 幀，就開始傳送數據。工作臺發送RTS到AP節點返回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11b與11g的兼容問題（RTS和CTS信號都采用CCK信號）。RTS/CTS機制也帶來了系統的額外開銷，因而數據率比只使用OFDM的IEEE802.11a系統低，但對于向下兼容并將要取代的在2.4GHz上的IEEE802.11b系統來說，數據速率又有很大的提高，折衷來看IEEE802.11g還是具有很大的優勢。對于現在的IEEE802.11g系統，每一個AP監視它旁邊的移動設備，當沒有IEEE802.11b的設備時，系統會自動取消RTS/CTS機制，相應的增加了系統吞吐量。未來的IEEE802.11g系統，當完全替代了IEEE802.11b產品，只使用OFDM調制技術時，相比IEEE802.11a系統就又有優勢了。
　　
　　IEEE802.11g標準升級為雙頻多模應用方式
　　
　　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物理層標準。豐富多樣的標準提升了無線局域網的性能，同時帶來了新的問題。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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