高数据率无线局域网的IEEE 802.11g标准

高数据率无线局域网的IEEE 802.11g标准

Dimitris Vassis, George Kormentzas, Angelos Rouskas, and Ilias Manglogiannis University of the Aegean

摘要连续无线局域网的用户增加附带需求提供更高的数据传输速率。在这方面的基础上，IEEE发布提供高达54MB的数据传输率的IEEE 802.11g标准，在2.4GHz 频段。本文使用一个具有开源的C++的功能较旧版本的IEEE 802.11标准介绍IEEE 802.11g的新功能。

最初的IEEE 802.11标准为直接序列扩频（DSSS），跳频扩频（FHSS）和红外（IR）技术三个不同的物理层规定的分别为1 Mb/s和2 Mb/s的数据传输速率。DSSS和FHSS这两个操作指定频率在2.4 GHz的工业，科学和医疗（ISM）频段。在这三个物理层中，基于直接序列扩频是最广泛介绍的一个，因为它能扩展到提供更高的数据速率。在无线局域网（WLAN）技术的快速演变带来的前景的IEEE 802.11b/a/g 标准。IEEE 802.11 [2] 在2.4 GHz下使用直接序列扩频或调制补码键控扩频（CCK）或分组二进制卷积码（PBCC）算法可提供数据传输速率高达11 MB/s（已正式被批准作为IEEE替代CCK）。IEEE 802.11a [3]指定了一个OFDM（orthogonal frequency-division multiplexing正交频分复用）物理层，可以分离出52个单独的载波信号，用以提供信息，在5 GHz下，数据传输速率从6 MB/ s到54MB/ s，均为不需要许可证的国家信息基础设施（U - NII）频段。虽然IEEE 802.11a标准的增加，从现有的数据传输速率11Mb/s达到54 Mb/s，但其在5 GHz频段操作无法提供符合IEEE 802.11和IEEE 802.11b设备的互操作性。

衔接着IEEE 802.11a和IEEE 802.11b标准，跟随而来的是IEEE 802.11g标准[4]。后者提供了在2.4 GHz频段的IEEE 802.11a的数据速率，从而使原有的IEEE 802.11和IEEE 802.11b设备具有了互操作性。由于这个原有，目前的最后一步的802.11系列标准。补充一个教程IEEE 802.11 [5]，IEEE 802.11a[6]，及IEEE 802.11b [7]，与

IEEE 802.11g进行文本交换。具体来说，它对比老版本的IEEE 802.11标准提供了一个标准的新功能的详细描述和性能评价。

文章的其余部分安排如下。我们详细阐述IEEE 802.11g的新功能。我们使用开放源码的C + +的仿真工具评估这些功能的性能，最后是我们文章的总结。

IEEE 802.11g标准的新功能

简单的来说，在IEEE 802.11g标准的新功能包括：

●在四个不同的物理层中定义

●强制支持简短的序言类型

●ERP的网络属性

●新定义的保护机制，解决互操作性问题

●自我清除发送机制

在接下来的小节，对上述每一个功能详细解释。

四个不同的物理层

当时IEEE 802.11b采用的只有直接序列扩频技术，IEEE 802.11的使用DSSS、OFDM，或使用在2.4 GHz，同时提供数据传输速率高达54 MB/ s的ISM频段扩频。DSSS和OFDM相结合的使用是通过四个不同的物理层定义的。这些层，在标准中定义的扩展速度体检（ERPs），确定一个框架的交流，只要大家都支持它，使发送者和接收者可以选择选择和使用4层之一。四个不同的IEEE 802.11g标准的物理层定义如下：

●ERP-DSSS/CCK：这是旧的物理层由IEEE 802.1b使用。直接序列扩频技

术是使用CCK调制。所提供的数据速率都是的IEEE 802.11b的。

●ERP-OFDM: 这是一个新的物理层，由IEEE 802.11g定义。 OFDM技术

是用来在2.4 GHz频段提供与IEEE 802.11a的数据传输。

●ERP-DSSS/PBCC: 这种物理层引入IEEE 802.11b和提供了相同的数据速

率的DSSS/CCK物理层。它采用的PBCC编码算法的直接序列扩频技术。IEEE

802.11g的数据传输速率增加22和33Mb/s。

●DSSS-OFDM: 这是一个新的物理层使用了DSSS和OFDM的杂交组合。

物理数据包报头使用DSSS传输，而传输数据包有效负载使用OFDM。该

混合方法的范围是包括互操作性方面，后面会解释。

在以上四个物理层，前两个是强制性的，每个IEEE 802.11g的设备必须支持他们，另外两个是可选的。表1的第2列总结了对IEEE 802.11g的规格不同的物理层支持的数据传输速率。第3列和第4列是解释。

1

这只是在PLCP报头长度。在PLCP前导字段，这用于同步，是一个纯粹的时间间隔等于16毫秒，不包含任何位。

?表1.不同的IEEE 802.11g物理层的参数。

强制性技术支持的短前导字段

物理层的数据包的IEEE 802.11数据包开销包括两部分：物理层汇聚协议（PLCP）前导字段有关的物理层的同步。在IEEE 802.11b小组认识到PLCP前导字段太长，并大大增加了在无线局域网系统的开销。因此，选择支持的前导字段较短的类型（称为短前导字段相对于旧的长前导字段），其目的是为了减少数据包包开销和提高网络性能。如果发送者和接收者同时支持此选项，那么通信都使用短前导字段。IEEE 802.11g的规定强制选择使用短前导字段。

表1的第3列和第4列的总结了延迟和IEEE 802.11g标准不同的物理层的短型和长型的前导字段部分的长度。当前导字段和头字段传输使用DSSS（这种情况在除了ERP- OFDM技术的所有物理层）短型和长型的前导字段和头字段的类型定义。

ERP-OFDM的物理层只有一个类型的前导字段和头字段，格式几乎与IEEE 802.11a 的标准相同。

ERP网络属性

该时隙间隔和最低的IEEE 802.11竞争窗口的默认值分别为20us和31槽。IEEE 802.11g，因为它通过物理层的所有这值支持IEEE 802.11b的站，。调整这些参数，以便最大限度地使用DSSS与192或96us的前导字段的11 Mb/s的数据传输性能。然而，当站传输的ERP-OFDM数据速率（6-54 Mb/s）的前导字段明显缩短20us，时隙间隔和最小竞争窗口降低网络性能为上述数值。在这种情况下最合适的值将在IEEE 802.11a标准界定的（分别为9us和15槽），在站完全发送OFDM数据传输速率。

IEEE 802.11g标准采用动态定义一个ERP网络属性，它是通过一个出版信号帧的站（换句话说，即一个控制框架，它包含了网络信息的时隙和最低竞争窗口值调整），如果相关的无线局域网中所有站都能够支持的ERP - OFDM技术的数据传输速率ERP属性启用。在这种情况下，时隙间隔和最小竞争窗口的值取决于无线局域网的运作模式：基本服务集（BSS）的或独立型的网络结构（IBSS）。

提供基本服务集操作，如果ERP的属性启用，该时隙间隔参数值设置为9us，最低竞争窗口的参数值设置为15槽，所有帧的交换进行使用ERP - OFDM数据速率。根据这些设置，网络的操作类似的一个IEEE 802.11a网络。最低竞争窗口可以设置为15槽，即使ERP的属性被禁用，只要接入点（AP）的基本服务集操作，如果启用了ERP的属性值，竞争窗口的最低值设置为15槽和所有的进行交流，使用ERP-OFDM数据速率。该时隙值始终设置为20us。

互操作性问题和保障机制

在一个IEEE 802.11g网络，站可以选择14个不同的数据传输速率和4个以物理层以最有效的方式分组传送。这种数据传输速率和物理层过多会引起的互操作性问题。

在开始任何进一步的，必须理顺站的不同类型中可能存在的一个IEEE 802.11g

网络：

●ERP站：该站支持ERP-OFDM技术物理层。这些站都配备了纯IEEE

802.11g的无线接口。

●支持简短的前导字段的非ERP站：这些站是IEEE 802.11的较新版本，

它支持高达11 Mb/s的无线接口，但它的固件要升级，以支持使用简短的

前导字段。

●不支持简短的前导字段的非ERP站：这些车配备了IEEE 802.11b无线

接口的老版本或IEEE 802.11无线接口，不支持使用的简短的前导字段。

不同的通信组合的出现，表2总结了不同对物理层参数。在non-ERP/S或non-ERP/L，我们用non-ERP站分别表示的支持或不支持简短的前导字段。

现在，让我们回到互操作性问题。考虑网络的ERP和非ERP系统站组成。EPR 系统站沟通，其中使用的ERP - OFDM的数据包，但非EPR系统站无法检测到OFDM 传输。因此，如果一个ERP站传播，媒介为遥感闲置非EPR站，并从他们的任何企图将导致传输碰撞。第一个解决方案的IEEE 802.11g标准的提出是使用DSSS-OFDM的物理层，所有站将能够检测到直接序列扩频传送，即使他们无法检测OFDM的传输有效载荷。第二个解决方案是要求使用发送/清除发送（RTS/CTS）的框架，以保护OFDM的。跟据IEEE 802.11g，当非ERP系统和ERP站并存，所有

?表2. 不同的通讯应用场景的物理层参数传输包装

RTS和CTS必须转用的ERP-DSSS。因此，所有站都了解传入的传输，即使传输的数据包使用OFDM。显然，当ERP站时，只有在网络中存在，就没有必要使用RTS/CTS

方式，因为所有的站都能够检测到OFDM传输。

除了RTS/CTS方式，IEEE 802.11g的定义了一个替代的保护机制，称为自我清除发送机制，以防止碰撞造成的DSSS/ ODFM互操作性问题。自我清除发送机制在下一小节讨论。

自我清除发送机制

IEEE 802.11g标准定义的自我清除发送作为即时战略替代自我保护机制，以减少开销增加了无线局域网系统。与RTS / CTS方式，自我清除发送机制不能有效地面对隐藏终端问题。图1描述传输之前，发送数据包启动两个转运站RTS/CTS和自我清除发送的机制交换过程。

在图1(a) 中，（RTS / CTS机制），在站A要发送一个数据包到站C，它首先发送一个RTS帧（箭头1），由站B和C（箭头标记2收到）的覆盖范围内的范围发件人。 B和C站发送CTS帧（箭头标3），它们在所有站（箭头标记4收到）。站D，这对发送者隐藏（进出站A覆盖范围），虽然它无法接收发件人的RTS帧，收到站的CTS帧后，因此将不发送。后一个CTS帧接收发送站A开始的数据包。

图1.a）RTS/CTS与b）自我清除发送机制的比较。

另一方面，在图1(b)中，（自我清除发送机制），当站A要发送一个数据包到站C，它首先发送一个CTS帧（箭头1），这是从站B和C（箭头标记2收到）。两站将推迟传输。不过，站D，这是不可能的发件人的覆盖范围，将不会收到的CTS 帧，将无法检测到A的传输，因此，若站D决定转递，碰撞会发生。因此，自我清除发送机制只能防止意外碰撞（两个或多个站开始在同一时段传输）。不幸的是，它不能防止隐藏终端问题而引起的碰撞。因此，自我清除发送机制应该使用只有

在所有站可以检测相互传播。在RTS / CTS方式应该用于其他案件。

IEEE 802.11g的性能评价

对执行情况的成效评估IEEE 802.11g的新功能较旧版本的IEEE 802.11标准，一个开放源码的基于C语言的所谓Pythagor模拟器[8]的发展。该模拟器执行的IEEE 802.11标准，其物理层扩展（即802.11a，802.11b和802.11g）的详细模拟。由于涉及到各种不同的数据速率的性能评估，我们选择了作为一个参考指标信道容量，它是独立的特定的数据速率。通过信道容量，是指利用的最大通道（通道吞吐量/通道数据速率）网络可以达到。为了实现在所有模拟情景的最大信道容量（所有，但它关系到隐藏终端问题），隐藏终端和清晰通道的状况下均假定。关于网络流量负载，在每个情景的网络组成的10个站的传输饱和的条件，这意味着每个站总是有一个数据包发送器发送队列。此外，该数据包有效载荷指数分布为1024字节的平均值。同时该容量增加的数据包大小增加，1024字节被选定为代表的IP数据包的大小。最后，关于RTS门限，如指出[9]，其最优值取决于不同的各种参数（网络规模，固定或可变数据包有效负载长度，最小竞争窗口），并且只能凭经验确定。对于我们来说，在执行不同的模拟情景，值为256个字节，这是这是一个平均数据包第四有效载荷的大小，被选为了RTS门限最佳值。

目前，有关IEEE 802.11g标准新功能的模拟结果性能评价在以下小节。重要的是要注意通过模拟设置的执行不同的模拟参数（站的数目，包有效载荷的大小和分布，RTS门限的最优值）的许多模拟代表。着眼于IEEE 802.11g的绩效评价，除了他们的定量数值分歧，所有不同的模拟环境总结相同的定性结果，在续集讨论。

评价的ERP - OFDM的物理层

随着ERP网络属性的效率，在本款中的ERP- OFDM的物理层进行评估。三种情景进行模拟各种不同的ERP- OFDM技术的数据传输速率。在第一种情况，所有站的ERP- OFDM技术的数据传输速率，因此，ERP网络属性启用。在第二种情况，在其中一个站不支持ERP - OFDM的数据传输速率，因此ERP的属性被禁用。第三种情况，就是在IEEE 802.11a网络模拟带有参数完全相同的IEEE 802.11g网络（定

义在本秒开始）。图2描述了不同的数据通道容量率在所有三种设想。如图所示，当ERP网络属性启用，网络容量增加时相比，至少有一个非存在的ERP站。在没有非ERP站，Particularl为6 Mb/s的数据速率，容量为0.78（4.7 Mb/s），比非ERP 站高百分之二十四（0.63或3.8Mb/s）。特别是54Mb/s的数据速率，改进能力达到百分之七十二（即近9Mb/s）。这是由于在没有非ERP站，小时隙间隔和最小竞争窗口的值，并且持续时间较短的IEEE 802.11g前导字段部分的缘故。这些值与IEEE 802.11a的相同。由于事实上，如图2所示，ERP属性启用时，IEEE 802.11g的几乎可以达到IEEE 802.11a的性能（即比IEEE 802.11g多5个百分点）。

图2.信道容量的ERP - OFDM数据速率。

评价ERP - DSSS和DSSS- OFDM技术的物理层

随着使用简短的前导字段的效率，在本款中对ERP - DSSS和DSSS- OFDM的物理层进行评价。三是为各种不同的数据速率进行情景模拟。在第一种方案，所有站均视作非ERP系统站和支持使用简短的前导字段。因此，所有的传输都使用在ERP-DSSS/PBCC进行数据传输速率的简短的前导字段（1-33 Mb /s）。 PBCC被选中，因此，22 Mb/s的速率和33 Mb/s的人的支持。不过，如果用ERP-DSSS/CCK，类似的结果会产生。在第二种情况，所有站均视作非ERP的站，不支持使用简短的前导字段。这种情况是一个老IEEE 802.11b网络的情况（即，所有站的数据传输速率可达11 Mb/s）。因此，没有结果能高于11 Mb/ s。最后一个场景的内容涉及DSSS-OFDM的物理层。在此设置，所有站都假定为支持DSSS-OFDM与简短的前导

字段的物理层。分组传送完成的对OFDM数据速率1（6-54Mb/s）。图3描述了数据速率三个模拟方案各种通道容量。可以从图看出，三是是使用简短的前导字段在ERP-DSSS物理层比旧IEEE 802.11b标准有效地提高了网络性能。虽然与长的前导字段在11Mb/s的数据速率容量为0.36（4Mb/s），提高使用简短的前导字段能力为0.44（近5 Mb/s），增加12%。另一方面，根据DSSS- OFDM技术的物理层明显低于ERP-OFDM系统（图2）。的确，6 Mb/s的数据速率下ERP-OFDM物理层与非ERP站在目前的系统数据传输速率，比DSSS-OFDM情况高信道容量为9%（300Kb/s）。对于54 Mb/s的数据速率，增加流量达到57%（4.3 Mb/s）。显然，由于网络开销的DSSS前导字段部分增加了的DSSS-OFDM的物理层的OFDM数据传输速率。最后，一个总的结论，有关的所有物理层的是，随着数据速率增加信道容量减小。相对于高数据传输速率的协议提供，由于小数据包的大小造成这种能力的退化。

图3。频段ERP-DSSS/DSSS-OFDM数据速率。

评价自我发送清除机制

在本款中对自我发送清除机制评估了两个不同方面：它的开销增加了系统和在何种程度上可以处理隐藏终端问题。为了研究每个方案分别单独的模拟由视距（LOS）和非视距（NLOS）情况。首先，让我们考虑在本节开头描述的参数模拟配置。 ERP系统的10个站传递饱和与ERP网络参数启用。站都设在彼此视距，因此，没有隐藏终端存在。此外，由于所有站的ERP，就可以检测相互传送，因此没有保护机制是必要的。然而，会出现类似的结果，如果RTS / CTS方式和自我发送清除机制，也被用来作为保护机制，通过假设的是，相当多的站为非ERP系统。在这

种环境中，只有可能出现的意外碰撞，在两个或多个站可提出在同一时段转播。图4描述了不同的数据时，分别为RTS/CTS方式和自我发送清除机制信道容量的使用率。如图所示，自我发送清除机制的效率超过RTS/CTS方式时，所有站在视距。小的开销单框架，包括自我发送清除机制相比，开销增加了RTS-CTS的交流，将能显着改善信道容量。特别是，54 Mb/s的数据速率，与自我发送清除机制的信道容量为0.45（24.3 Mb/s），增加18%，即如果RTS/CTS方式使用（0.38或20.5Mb/s）。这意味着3.8Mb/s的吞吐量增加。现在让我们包括隐藏终端问题在我们的模拟假设有些站是隐藏的。仿真场景与前面相同，但该位置和每个站覆盖范围内配置，从而使每个站，其余22%的站（例如，有2 9）非视距。图4描述了不同的数据时，分别为RTS/CTS方式和自我发送清除机制信道容量使用率。在这种情况下自我发送清除机制的低效率是显而易见的。作为自我发送清除机制单一的广播帧不能防止传染隐藏终端。相反，RTS/CTS方式保证了隐藏终端将得到大部分的自我发送清除机制站之一和避免传染。一个突出注意的是在RTS/CTS和自我发送清除机制之间的数据速率增加，信道容量的差异收敛。事实上，在6 Mb/s的数据速率为差别0.54，而在54 Mb/s的数据率只有0.03。在第一种情况和1.6Mb/s，这意味着3.2Mb/s的

图4. RTS/CTS与CTS-to-self比较

吞吐量的增加。这主要是解释考虑到数据包传输时的长度是6 Mb/s比54 Mb/s高，在6 Mb/s的一个隐藏在终端传输的概率持续进行的传输率较高。换句话说，更多的隐藏终端造成的碰撞发生在6Mb/s比54Mb/s高（一般低数据速率比在高数据速率高）。在自我发送清除机制的问题是，它不能阻止这些碰撞。显然，随着数据速

率增加，这种碰撞的数量减少，自我发送清除机制变得更有效率。

评价电视台的多速率能力

IEEE 802.11标准的家庭提供了数据传输速率的灵活性的能力，这意味着电视台可以根据其距离接收器多速率支持动态调整数据传输速率。在本小节中，我们通过研究模拟发射台站如何在低数据率的影响台站的数据传输速率高，反之亦然。同样，我们认为10 ERP系统台站发射的饱和度。仿真参数已经在本节开头描述了。此外，从这些10个站，一些传输54 Mb/s（即靠近接收站），而其余6Mb /s传输的（即是从接收站远）。图5描述了每个电视台与电台的数目吞吐量，在54 Mb/s 的传输通道的总吞吐量（每个站的吞吐量总和）也描述。随着54 Mb/s的发射台数的增加，随之而来的总通道吞吐量增加，作为所有站的吞吐量总和考虑。正如[10]，一个性能下降IEEE 802.11标准的系统存在的低数据速率传输站是由于承运人的意识冲突避免多址接入性质（CSMA/CA）的，长期保障通道平等的访问所有主机的概率。随着低数据包传输时间，速度比高数据率的站更长，低数据率的站捕获时间较长的渠道，从而惩罚高数据速率的站，导致吞吐量下降。

图5.在54 Mb/s传输速率下监测站与电台的数目吞吐量的比较

结论

在本文介绍IEEE 802.11g的测试表明，这一标准无疑是最完整IEEE 802.11标准的家庭。在IEEE 802.11g的主要新颖之处在于支持4个不同的物理层，基于IEEE

802.11a提供的数据传输速率与向后兼容旧的IEEE 802.11和IEEE 802.11规范上展开合作。仿真结果证明，新的物理层功能的支持（ERP网络属性，短和长的前导字段）提高信道容量，主要是当所有站都支持IEEE 802.11g的无线接口（ERP的数据速率）。此外，在明确的条件，自我发送清除机制成为更有效的渠道（没有任何隐藏的终端），但对隐藏终端低于强劲的RTS / CTS机制。鉴于上述情况，看来，至少直到IEEE 802.11n标准公布，这将提供高达320 Mb/s的数据传输速率时，IEEE 802.11g标准，将成为在高数据速率最广泛接受WLAN设置。

参考文献

*1+ IEEE Std. 802.11, “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification,” 1999.

*2+ IEEE Std. 802.11b, “Higher-Speed Physical Layer (PHY) Extension in the 2.4 GHz Band,” 2001.

[3+ IEEE Std. 802.11a, “High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band,” 2000.

*4+ IEEE Std. 802.11g, “Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band,” 2003.

[5] B. Crow et al., “IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 35, no. 9, Sept. 1997, pp. 116–26.

[6] S. Simoens et al., “The Evolution of 5GHz WLAN Toward Higher Throughputs,” IEEE Wireless Commun., vol. 10, no. 6, Dec. 2003, pp. 6–13.

[7] C. Heegard et al., “High-Performance Wireless Ethernet,” IEEE Commun. Mag., vol. 39, no. 11, Nov. 2001, pp. 64–73.

[8] Pythagor Simulation Tool, http://www.icsd.aegean.gr/telecom/pythagor/ index.htm

*9+ G. Bianchi, “Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function,” IEEE JSAC, vol. 18, no. 3, Mar. 2000, pp. 535–47.

[10] M.Heusse et al., “Performance Anomaly of 802.11b,” Proc. IEEE INFOCOM, San Francisco, CA, Apr. 2003.