无线局域网标准IEEE802.11g的技术优势

2019-11-03 19:26:06

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供稿：网友

山东省信息产业厅韩旭东

山东省科学院自动化研究所曹建海

　　摘要：本文详细介绍了无线局域网标准IEEE802.11g的发展历程及其技术优势。

　　关键词：IEEE802.11g；无线局域网

　　1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有802.11b、a和g。

　　1999年9月IEEE802.11又制定了a和b标准制，扩展了原先的802.11规范。11b工作在2.4GHz的频段上，采用了补码键控（CCK）调制技术和直序列调频（DSSS）技术，通过使用新的调制技术，数据速率增至为5.5Mbps和11Mbps。802.11a工作5GHz频段上，使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉，但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。另外，11a与11b工作在不同的频段上，不能工作在同一接入点（AP）的网络里，因此11a与11b互不兼容。

　　为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，IEEE802.11工作组开始定义新的物理层标准802.11g。802.11g草案与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：其在2.4GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的WLAN系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了IEEE802.11b产品的使用寿命，降低用户的投资。2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准。

　　基于OFDM技术的数据传输

　　随着无线局域网技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。但是在室内，这个较为复杂的电磁环境中，多经效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中困难，IEEE802.11g标准采用OFDM调制技术实现了高速数据传输。

　　OFDM技术其实是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种，其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

　　由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用IFFT和FFT方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都是非常容易实现的。快速傅里叶变换（FFT）的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。

　　无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM容易通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

　　由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上抵抗这种干扰。

　　OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第四带移动通信的核心技术。IEEE802.11a/g标准为了支持高速数据传输都采用了OFDM调制技术。目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度的提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。

　　IEEE802.11g标准组帧方式

　　从网络逻辑结构上来看，802.11只定义了物理层及介质访问控制(MAC)子层。MAC层提供对共享无线介质的竞争使用和无竞争使用，具有无线介质访问、网络连接、数据验证和保密等功能。

　　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（bit）。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、物理层收敛过程子层（PLCP）、和物理介质依赖子层（PMD）。

　　802.11g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，传输进行时告知其他移动台以免冲突，同时传送同步信号及帧间隔。前导信号完成，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。Payload：由于数据率及要传送字节的数量不同，负载的包长变化很大，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。

　　综合上述三种调制技术的特点，802.11g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，802.11g草案标准规定了可选项与必选项，为了保障与11b兼容也可采用CCK/OFDM和CCK/PBCC的可选调制方式。

　　1.OFDM调制为必选项保障传输速率达到54Mbps。

　　2.采用CCK调制作为必选保障后向兼容性。

　　3.CCK/PBCC与CCK/OFDM作为可选项。

　　OFDM/OFDM：前导、信头和负载都使用OFDM进行调制传输，其传输速率可达54Mbps。OFDM一个特点是它有短的前导信号，相比CCK调制信号的帧头是72 s，然而OFDM调制信号的帧头是16 s。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允许较短的信头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11Mbps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54Mbps。802.11g协议中OFDM/OFDM方式也可以和WIFI共存，不过它需使用RTS/CTS协议来解决冲突问题。

　　CCK/OFDM：是一种混合调制方式，是802.11g的可选项。其信头和前导信号用补码键控（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间要有CCK和OFDM的转换。

　　802.11g使用CCK/OFDM技术来保障和802.11b共存。802.11b不能解调OFDM格式的数据，所以难免会发生数据传输冲突，802.11g使用CCK技术传输信头和前导信号就可以使802.11b兼容，使其可以接收802.11g的信头从而避免冲突。这样保障了与802.11b WIFI设备的后向兼容性，但由于Preamble/header使用CCK调制，开销增大，传输速率比OFDM/OFDM方式有所下降。

　　CCK/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，这样使它可以工作在高的速率上而且可以与802.11b兼容。PBCC调制技术最高数据传输速率是33M，所以它比OFDM或CCK/OFDM的传送速率低。

　　IEEE802.11g标准具有后向兼容性

　　IEEE802.11g于11b标准同工作于2.4GHz频段，而11g设备可以和11b标准兼容。（兼容性指的是11g的设备可以和11b标准的设备在同一个AP节点网络里互联互通。）802.11g协议的一个最大的特点就是要保障与802.11b及WIFI系统兼容。802.11g可以接收OFDM和CCK数据，但传统的WIFI系统只能接收CCK信息。这就产生了一个问题，即在11g与11b共存的环境中如何解决由于802.11b不能解调OFDM格式信息帧头所带来的冲突问题。802.11g协议采用RTS/CTS技术解决上述问题。

　　最初，802.11MAC引入了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），工作站B在工作站A和工作站C的信号传播范围之内，而工作站C在工作站A的信号传播范围之外。当工作站A向在此机制下每个站在访问介质时，获得介质控制的站并不是直接发送数据帧而是向接收站发送RTS帧(Ready to send)，接收站回复CTS帧（clear to send），其它非RTS目的站的站点接收到RTS帧后读取其中的传输时间的预留信息，也就是网络分配矢量（NAV），并据此更新本地NAV，收到CTS帧的非CTS目的站也同样读取其中的NAV并更新本地NAV，这样无论是位于发送站信号传播范围的站还是位于接收站信号传播范围的站都能了解介质忙闲情况。

　　802.11b与802.11g混合工作的情况与隐蔽站问题非常相似，11b设备无法接收OFDM格式的11g的信息帧头，因此可以采用RTS/CTS机制来解决。在802.11g和802.11b混合工作的环境中（即在同一接入点AP服务区中既有11g设备也有11b设备），每一工作节点在传输数据信息前，必须发送一个RTS帧给AP，从AP返回一个CTS 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11b与11g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，因而数据率比只使用OFDM的IEEE802.11a系统低，但对于向下兼容并将要取代的在2.4GHz上的IEEE802.11b系统来说，数据速率又有很大的提高，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，相应的增加了系统吞吐量。未来的IEEE802.11g系统，当完全替代了IEEE802.11b产品，只使用OFDM调制技术时，相比IEEE802.11a系统就又有优势了。

　　IEEE802.11g标准升级为双频多模应用方式

　　双频多模WLAN的引入

　　IEEE802.11工作组先后推出了802.11a、802.11b和802.11g物理层标准。丰富多样的标准提升了无线局域网的性能，同时带来了新的问题。如前文所述802.11a和802.11b分别工作在不同频段（802.11a工作在5GHz，而802.11b工作在2.4GHz），采用不同调制方式（802.11a采用OFDM，而802.11b采用CCK方式）。一个采用802.11b标准设备工作站进入一个802.11a标准的小区中（其AP节点采用802.11a的标准设备），无法与AP节点进行联系。因此，其必须更换为同比标准的网络设备，才能正常工作。这就是由不同物理层标准引起的网络兼容性问题。

　　为了解决上述问题，使不同标准的网络设备可以更为自由地移动，出现了一种无线局域网的优化方式："双频多模"的工作方式。如同有线网的发展进程，现在有线网络主要工作在多模方式下，例如10Mbps/100Mbps混合的局域网加速了有线网络的发展，成为有线局域网的主要工作方式。WLAN也开始走向"多模"发展趋势。

　　双频多模WLAN简述

　　所谓“双频”产品，是指可工作在2.4GHz和5GHz的自适应产品。也就是说，可支持802.11a与802.11b两个标准的产品。由于802.11b和802.11a两种标准的设备互不兼容，用户在接入支持802.11a和802.11b的公共无线接入网络时，必须随着地点而更换无线网卡，这给用户带来很大的不便，而采用支持802.11a/b双频自适应的无线局域网产品就可以很好地解决这一问题。双频产品可以自动辨认802.11a和802.11b信号并支持漫游连接，使用户在任何一种网络环境下都能保持连接状态。54Mbps的802.11a标准和11Mbps802.11b标准各有优劣，但从用户的角度出发，这种双频自适应无线网络产品，无疑是一种将两种无线网络标准有机融合的解决方案，需要的投资也很大。

　　随着802.11g标准的诞生，双频产品随后也将该标准融入其中，成为全方位的无线网络解决方案。而这种可与三个标准互联的产品叫做“双频三模”产品，也称双频多模（Dual Band and Multimode WLAN）。“双频三模”顾名思义，就是运行在两个频段，支持三种模式（标准）的产品，即同时支持802.11a/b/g三个标准自适应的无线产品，通过该产品，可实现与目前大多数无线局域网标准的互联与兼容，可使用户顺畅地高速漫游于802.11a、b、g标准的无线网络中，横跨于三种标准之上，这类产品目前市面上还比较少见，但却是“双频”产品的发展方向，具有良好的前景。

　　双频多模WLAN的应用

　　随着802.11标准b、a和g不断融合，双频多模无线局域网越来越显示出其优越性。首先，如前文所述b、 a和g标准有其各自的优势和特点以及适合它们的工作环境。双频多模方式根据不同的环境，使用不同的标准，最大程度发挥802.11标准的各自优势和特点。其次，在热点地区如车站，飞机场，仓库，超市等，无线局域网的密度大，小区间的切换频繁。双频多模的工作方式也是解决小区间无缝切换问题的好思路。

　　总结

　　作为一个新标准，与以前的802.11协议相比，IEEE802.11g无线局域网有很多优势。一是短期的优势，即与IEEE802.11b产品兼容，使无线局域网向高速平滑过渡，延长IEEE802.11b产品的使用寿命，降低了用户的投资；二是长期的优势，今后无线局域网的产品可以使用双频多模方式，即在2.4GHz和5GHz频段上同时支持11b、11a和11g物理层标准，在两个频段上都使用OFDM调制技术，提高数据传输速率。综上所述，IEEE802.11g协议标准是具有巨大发展潜力的无线局域网标准，必将使无线局域网向着更高的数据速率蓬勃发展。

　　近年来，IEEE802.11无线局域网产品逐渐走向成熟，价格也逐渐下降，相应软件也日趋成熟。此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动Internet的多媒体业务。无疑，802.11g标准将以它的高传输速率和组网灵活性发挥重要作用。

　　
摘自　中电网

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