IEEE 802.11g物理层增强特性分析

无题

[I]IEEE802.11g标准作为无线局域网IEEE802.11标准不断演进过程的一个重要里程碑，将极大改善WLAN的性能。本文通过与802.11a/b的对比，深入分析了802.11g在物理层上的增强特性，如标准的兼容特性和RTS/CTS保护机制等。 [/I]

IEEE802.11g标准的提出是IEEE802.11 WLAN技术发展上的一个重要里程碑。对于已存在的802.11a和802.11b而言，802.11g是一个有益的补充：802.11g设备在提供和802.11a相同的54Mbps高传输速率时完全后向兼容目前主流的802.11b设备，保护已有投资，节省了设备升级的费用，维持了技术与市场的延续性，同时更好地满足了用户需求。

在IEEE颁布802.11无线局域网标准之后，先后衍生出802.11a和802.11b，这些标准在MAC层以及物理层上做了一些改动，使得传输速度及功能上有一定的增强，但都存在一些不足之处。为此，IEEE又颁布了802.11g以弥补b和a的一些缺点，本文对三种标准进行对比，深入分析了802.11g物理层的一些增强特性。


802.11g增强速率型物理层

802.11g的增强速率物理层(ERP)调制方式有五种：ERP-DSSS、ERP-CCK、ERP-OFDM、DSSS-OFDM和ERP-PBCC。802.11g和802.11b均工作在2.4GHz频段，为了后向兼容802.11b， 802.11g的物理层保留了原有的DSSS扩频技术以及CCK调制方式。ERP-DSSS和ERP-CCK调制支持1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps四种速率，同时新增加了OFDM调制方式以达到更高的速率。在802.11g中强制规定了ERP-OFDM调制下的几种速率：6Mbps、9 Mbps、12 Mbps和24 Mbps，将18 Mbps、36 Mbps、48 Mbps和54 Mbps作为可选择的速率。同时，802.11g还将TI旗下的Alantro Communication开发的分组二进制卷积码(PBCC)作为物理层的一种可选调制方式，通过ERP-PBCC调制，可以达到的速率有：5.5Mbps、11Mbps、22Mbps和33 Mbps，不同调制方式下的物理层汇聚协议数据单元(PPDU)数据包不同部分采用的调制方式也不相同，如图1所示。

PPDU数据包的前导(preamble)与报头有长短之分，长前导报头帧含有144位的PLCP前导以及48位的报头。短前导报头帧含有56位的PLCP前导以及48位的报头。使用短前导报头主要是为了减少传输开销，增大无线网络的吞吐量，从而提高无线网络在传输音频和视频等实时业务时的效率。标准规定，工作在2.4GHz频段的802.11系列设备必须能够发送和接收长前导帧，802.11g还要求设备能够发送和接收短前导帧，802.11b设备支持短前导帧只是可选的。在一个基本服务集(BSS)中，为了防止出现冲突，要求所有设备发送的数据包采用相同形式的前导与报头。

由于支持多种调制方式，802.11g可以提供14种速率来实现在不同通信条件下的最佳通信速率。当通信环境恶化时，误码率增加，达到系统规定的门限制后，为了减少误码率，系统此时会自动选择较低速率传输数据以保证有效的通信质量。例如在实际的网络中，当802.11g的终端与接入点(AP, Access Point)的距离增加时，为了保持连接，系统将自动降低传输速率。图2是以Netac的产品为例，所测得的在理想情况下802.11b/g/a距离与传输速率的关系。



物理层兼容特性

为了兼容， 802.11g要求物理层同时支持CCK和OFDM，为此该标准做出了以下改动：

1. 802.11g的ERP-OFDM物理层与802.11a的物理层是大致相同的。 在802.11a中， 短帧间间隔SIFS=16us。 802.11g采用ERP-OFDM调制时，为了和802.11b设备兼容，它依然使用802.11b中固定的SIFS=10us，但是OFDM高速编码需要更多的时间，因此在每帧后面增加了6us的信号扩展时间。

2. 在全部设备都采用802.11g标准的网络中，竞争窗口CW的时隙为9us。在b/g的混合网络中，为了兼容802.11b设备，时隙值是802.11b中规定的20us。

3. 在混合网络中，从占用信道的角度来看，802.11g较802.11b有优先权。当802.11g设备只支持802.11b所支持的4种速率时，802.11g设备的竞争窗口的最小值CWmin=31，其余时候CWmin=15。按照CW的变化规律来看， 在初始化时CW＝CWmin，那么802.11g在混合网络中竞争信道时退避时间要短一些，更有机会占用信道。

4. 802.11g的介质访问控制(MAC)层的改进。802.11g基本上完全遵循802.11b的MAC层机制。由于802.11g与802.11b的物理层调制方式不同，所以在实际混合网络中，当802.11g设备使用ERP-OFDM调制往信道发送OFDM信号时，802.11b设备监听到信道有信号，但它无法确认是802.11g发送的信号正在占用信道，它会将OFDM信号当作信道噪声，认为信道空闲，继而也往信道发送数据，从而引起冲突。为了让两者能协同工作，IEEE提出来在802.11g MAC层中使用保护机制：CTS-to-self机制或请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制.。RTS/CTS机制在802.11标准中已经提出，但是作为可选项使用。如果使用其它调制方式，则不存在上述冲突问题。在整个802.11g标准中， 并没有强制要求使用保护机制。如果在混合网络中，处于中心管理地位的AP探测到802.11g设备的存在对802.11b设备的影响很小，还可以不使用RTS/CTS机制。

MAC层保护机制

1. CTS-to-self机制

在802.11g标准中，提出一种CTS-to-self保护机制。在混合网络中，当一个802.11g站点准备占用信道时，它首先更新其它站点的网络分配矢量(NAV)值。它发送一个CTS帧，使接收地址(RA)等于它自己的MAC地址。CTS帧包含的持续时间段信息说明了信道即将被占用的时间，其它可以侦听到该CTS帧的站点就依此更新自己的NAV值，从而避免冲突。

CTS-to-self只是保护机制中最低的要求，在某些条件下它将不能生效。例如，在隐藏节点出现时，有些站点可能侦听不到CTS信号，由此引起冲突。为了尽量避免产生冲突，必须使用鲁棒性更好的RTS/CTS机制。

2. RTS/CTS机制

在运用RTS/CTS机制的实际混合网络中， 欲发送数据的站点都要向接入点AP发送使用CCK调制的RTS帧，AP收到RTS后向整个网络广播CTS帧，CTS帧中包含了信道即将被占用的时间信息，以通知其余的站点在此期间只能处于退避状态，欲发送数据的站点收到CTS后才能往信道发送数据。运用RTS/CTS机制的802.11g站点发送RTS和接收CTS均采用CCK调制，有效数据及收到的应答帧ACK采用OFDM调制。

3. 保护机制的使用对吞吐量的影响

吞吐量就是单位时间在信道上成功传输的信息量。由于网络开销、环境和网络组成等因素影响，吞吐量并不等同于网络中的数据传输率，802.11g产品的吞吐量较802.11b产品有很大的提高。在实际的网络环境中如果网络中同时存在802.11b产品与802.11g产品，如果使用了保护机制，则将增加网络开销，802.11g设备的吞吐量将下降。值得注意的是，在混合网络中，如果802.11g的产品数量越多，整个网络的吞吐量就会越高，平均到每个设备的吞吐量也就越高。表1是运用了保护机制后吞吐量的比较。

本文小结

目前市场上已经出现同时支持802.11b/g、802.11a/g和802.11a/b/g的芯片以满足不同的应用，这些芯片供应商包括Broadcom、TI、Atheros等。802.11g标准正式通过之后，众多设备供应商先后推出了大批基于该标准的产品，为了增强产品竞争力，很多厂商将多种功能集成到802.11g无线产品中以扩展产品的应用范围。例如，Netac将WLAN接入点、ADSL Modem、网关路由、网络管理、防火墙和交换机等功能整合到一款802.11g WLAN AP设备中，图3是该产品的系统结构图示。在运营商的推动下，802.11g必将成为拉动无线网络市场增长的主要动力之一。

作者：李蓉
研究生
重庆邮电大学通信学院

周创世
技术副总监兼无线数据部主管

成晓华
副总裁兼技术研究部主管
深圳朗科科技有限公司
Email: stella.li@netac.com

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<>写得好，长了不少见识。</P>[em01]

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