802.11g关键技术讲解和协议性能分析

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/OFDMPreamble，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IEEE802.11ｂWi-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OFDMOFDM方式的有所下降。（3）CCK/PBCCCCK/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。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IEEE802.11ｂWi-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。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(Readytosend)帧给AP，从AP返回一个CTS(Cleartosend)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，2．4GHzISM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2．4GHz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，2．4GHz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IEEE802.11ｇ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，