802.11(無線區域網路標準)物理層技術詳解

2020-12-10 半個葫蘆

802.11工作組的規範分兩個部分:一、是802.11物理層相關標準(定義了無線協議的工作頻段、調製編碼方式以及最高速度的支持);二、802.11MAC層相關標準。

802.11物理層相關標準

IEEE 802.11:該標準定義物理層和媒體訪問控制(MAC)規範。物理層定義了數據傳輸的信號特徵和調製,工作在2.4000~2.4835GHz頻段。傳輸速率最高只能達到2Mbps.

IEEE 802.11a:工作頻段在5.15~5.825GHz,數據傳輸速率達到54Mbps.

IEEE 802.11b: 工作頻段在2.4~2.4835GHz,數據傳輸速率達到54Mbps.

IEEE802.11g:是對802.11b(WI-FI標準)的提速,速度從802.11b的11Mb/s提高到54Mb/s.802.11g的接入點支持802.11b和802.11g客戶設備。

802.11n:使用2.4GHz頻段和5GHz頻段,IEEE802.11n標準的核心是MIMO(multiple-input multiple-output多入多出)和OFDM技術,傳輸速度300Mbps,最高可達600Mbps,可向下兼容802.11b 802.11g

IEEE802.11ac:5Ghz頻帶進行通信。理論上最新版本能提供最多3.47Gbps帶寬進行多站無線區域網通信,或最少200Mbps的單一連接傳輸帶寬。

1、802.11MAC層標準定義了無線網絡在MAC層的一些常用操作:如QOS 安全 漫遊等操作。

IEEE802.11e標準對無線區域網MAC層協議提出改進,以支持多媒體傳輸,以支持無線區域網無線廣播接口的服務質量保證QOS機制。

IEEE802.11r,快速基礎服務轉移,主要是用來解決客戶端在不同無線網絡AP間切換的延遲問題。IEEE802.11h用於802.11a的頻譜管理技術。

IEEE802.11i標準是結合IEEE802.1X中的用戶埠身份驗證和設備驗證,對無線區域網MAC層進行修改與整合,定義了嚴格的加密格式和鑑權機制,以改善無線區域網的安全性。

2、WLAN傳輸技術包括紅外線和無線電射頻技術

紅外系統的優點:不受無線電幹擾,視距傳輸,檢測和竊聽困難,保密性好。缺點是:對非透明物體的透過性極差,傳輸距離受限;易受陽光、螢光燈等幹擾;半雙工通信。

無線電射頻技術傳輸距離更遠,傳輸速度更高,並且通過特定的安全協議也可以保證通信的安全性。無線電射頻主要採用擴頻技術,擴頻技術主要分為:跳頻擴頻技術;直接序列擴頻技術。

物理層被分為兩個子層(sub-layer):物理層匯聚過程(physical layer convergence procedure簡稱PLCP)子層,負責將MAC幀映射到傳輸媒介;另一個是物理媒介體相關(physical medium dependent 簡稱PMD)子層,負責傳送這些幀。

PLCP的功能在於結合來自MAC的幀與空中所傳輸的無線電波。PLCP同時會為幀加上自己的標頭。通常,幀中會包含前導碼(preamble)以協助接受數據的同步操作。不過,每種調製方式所採用的前導碼均不相同,因此PLCP會為準備傳送的所有幀加上自己的標頭。接著由PMD負責將PLCP所傳來的每個位利用天線傳送至空中。

頻寬是只能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度,以赫茲(hz)為單位。

3、擴頻技術

擴頻技術是無線區域網數據傳輸使用的技術,擴頻技術最初是用於軍事部門防止竊聽或信號幹擾。

擴頻技術(spread-spectrum)是使用ISM頻帶傳輸數據的基礎。傳統無線電通信的焦點在於如何儘可能的在最窄的頻帶塞入最多的信號。擴頻的工作原理是利用數學函數將信號功率分散至較大的頻路範圍。只要在接收端進行反向操作,就可以將信號重組為窄帶信號,更重要的是,所有窄帶噪聲都會被過濾掉,因此信號可以清楚的重現。

窄帶無線電通信(narrow-band radio)這種技術類似於無線電臺的廣播,必須把發送器和接收器都挑撥到同一頻帶。

擴頻無線電通信(spread spectrum radio)這種技術是在同一個很寬的頻率範圍內廣播信號,避免在窄帶無線電通信中遇到問題。用一種編碼來傳播信號,接收站用同一編碼來恢復信號。用這種方法,擴頻無線電信號能工作在其它信號所佔據的頻率範圍內。擴頻無線電信號不會幹涉常規的無線電廣播,這是因為它的能量十分微弱。

802.11物理層技術

802.11所採用的無線電物理層使用了三種不同的技術

跳頻(frequency hopping 簡稱FH或FHSS):跳頻系統是以某種隨機樣式在頻率間不斷跳換,每個子信道只能進行瞬間的傳輸。

本圖中所用的跳頻模式為(3,8,5,7)。正確掌握跳頻時機是關鍵,發送端與接收端必須同步,這樣接收端才可以隨時與發送端的頻率保持一致。跳頻技術很少用。

跳頻可以避免設備幹擾某個頻段(frequency band)的主要用戶,跳頻用戶對主要用戶只會造成瞬間幹擾。有效防止幹擾。

直接序列(direct sequenc 簡稱DS或DSSS):直接序列系統利用數學編碼函數將功率分散於較寬的頻帶。

DSSS被定義在802.11原始標準中,工作頻段為2.4GHZ,數據率為1Mbps和2Mbps.802.11b修正案也定義了DSSS技術,工作頻段同樣是2.4GHz,數據率為5.5Mbps和11Mbps。這兩個數據率稱為HR-DSSS(high-rate DSSS高速直接序列擴頻。

802.11b可以採用DSSS技術,也可以採用HR-DSSS技術,但是不採用FHSS技術。

FHSSS發射機在不同頻率之間跳變,而DSSS發射機只在一個信道上收發數據,數據被擴展到改信道的頻率範圍內,這個過程被稱為數據編碼。直接序列擴頻傳輸技術利用整個帶寬來傳送數據。

為了將損壞降到最低,為此,每個數據比特首先被編碼為多個比特,然後進行傳輸。

Barker碼是一個11比特序列(例如10110111000),在無線傳輸方面存在優勢,可以有效降低幹擾,不過降低了效率。

每個比特編碼為一個11位Barker碼,因此而產生的一個數據對象形成一個chip(碎片).chip是擴頻過程中所使用的二進位。bit(位)屬於較高級的數據,chip則是編碼過程中使用的二進位數字。bit與chip之間並不存在任何數學上的差異。

實際傳輸的信息量是有效傳輸的11倍。

DSSS編碼方式

CKK(補碼鍵控制)complementary code keying

補碼鍵控編碼方式能有效阻止噪聲及多徑幹擾

802.11b使用補碼鍵控來提高傳輸速率,最高可達11Mbps

技術複雜,實現困難。

CCK採用了複雜的數學轉換函數,可以使用若干個8bit序列在每個碼字中編碼4或8個位,因此數據總吞吐量為5.5Mbps或11Mbps.因此,CCK所使用的數學轉換函數可以讓接收器輕易識別不同的編碼,即便遇上幹擾或者多徑衰落的情況。

QPSK具備明顯優勢為四級編碼機制可以提供較高的吞吐量。採用QPSK的代價是,如果多路徑幹擾十分嚴重,可能會導致它無法使用。多路徑之所以發生,是因為信號從發送端分路抵達接收端。每個路徑的距離不同,因此每個路徑接受的信號有時間差。

正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing簡稱OFDM)OFDM將可用信道劃分為一些子信道,然後對每個子信道所要傳送的部分信號進行平行編碼。

OFDM將一個較寬的信道分割為幾個子信道。每個信道均用來傳輸數據。

OFDM使用的子載波相互重疊,但是這些相互重疊的子載波之間不會互相干擾。之所以能夠使用相互重疊的子載波,是因為定義了副載波,因此可以輕易區分彼此。使用了一種複雜的數學關係,稱為正交性。描述相互獨立的項目。

OFDM之所以能夠運作,是因為所選用的副載波頻率的波形絲毫不受其他副載波的影響。如圖所示:信號分為三個副載波,每個副載波的波峰均作為數據編碼之用,注意每個副載波的波峰,此時其他兩個副載波的振幅均為0.

OFDM將信道劃分為52個子信道,4個用來做相位參考,所以真正能使用的是48個子信道。

在QAM(正交幅度調製)中,數據信號由相互正交的兩個載波的幅度變換表示。模擬信號的相位調製和數位訊號的PSK(相移鍵控)可以被認為是幅度不便、僅有相位變換的特殊的正交幅度調製

要提高數據率,只要使用點數更多的星座圖即可。不過當數據率提高,接受到的信號質量必須足夠好,否則就很難以區別星座圖中的相連點。

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