WLAN技术原理

WLAN技术原理

1、WLAN协议标准

目前在我国组建WLAN网络普遍的基于IEEE802.11系列标准。IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准较为成熟的主要有IEEE802.11 b，a和g。

1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支持最高 11 Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用的调制技术是补码键控调制(CCK)。

但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高。对于接收端的RAKE接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的路径分集效果，要求RAKE接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。

随后制定的802.11a工作5GHz频段上，使用正交频分复用调制(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制技术可支持54Mbps的传输速率。802.11a与802.11 b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11 b的优势在于价格低廉，但速率较低(最高11 Mbps );而802.11 a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，802.11 a与802.11b工作在不同的频段上，不能工作在同一AP的网络里，因此802.11a 与802. 11b互不兼容。

为了解决上述问题、进一步推动无线局域网的发展，2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准，新的标准终于浮出了水面，成为人们对无线局域网关注的焦点。802.11g与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上;802.11g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802.11b产品的使用寿命，降低用户的投资。

上述三种标准的对比，如表1-1常见的三种IEEE802.11扩展协议对比。

表1-1常见的三种IEEE802.11扩展协议对比

2、WLAN物理层

物理层是OSI的第一层，他为设备之间的数据通信提供传输媒介及各种物理设备，为数据传输提供可靠的环境。他的主要功能是：

(1)为数据端设备提供传送数据的通路

(2)传输数据

(3)完成物理层的一些管理工作

简言之，物理层处理的是经过物理媒介的比特。WLAN中的传输媒介指的是无线电波和红外线，他们是无线介质。与有线介质(如电缆、光纤)相比，无线介质不受束缚，因此可以用在WLAN等移动通信中，但他是不可靠的，带宽低并且有广播的特性。无线信道(即无线电信号经过的空间)的特点就是多径衰落和多普勒扩展。这些特点以及其他一些因素使得WLAN 在物理层面临以下几个问题：

（1）无线传输介质有严格的带宽限制和频率规则

（2）与有线局域网相比，WLAN的通信环境比较恶劣

（3）信号会随时间和空间等多种路径衰减

（4）不可避免地要受到一些无线和非无线设备的干扰

针对问题(1)，IEEE802.11选择了免许可证的ISM频带的2.4～2.4385GHz段。针对问题(2)～(4)，IEEE802.11引入了新的无线传输技术，即扩频技术。事实上，FCC(美国联邦通信委员会)在开放ISM频带时规定，在此频带上工作的器件必须采用扩频技术，其目的是为了避免用户之间相互干扰。

2.1 扩频技术

扩频技术包括2种基本方法：FHSS(跳频扩频技术)和DSSS(直接序列扩频技术)。和传统的无线调制技术(如MSK，QPSK)相比，扩频系统里的发射信号占据非常大的带宽，而在传统的无线调制解调器中，发射信号的带宽和基带信号的信号带宽同在一个数量级。

扩频传输具有的主要特点如下：

(1) 扩频信号可以在工作频带上已有其他工作系统的情况下占用同一频带，但彼此性能影响最小

(2) 扩频信号占据频带较宽，在频率选择性衰落多路径信道下具有超过传统无线信号的优良性能。在无线传输受到严重多径干扰的环境下，扩频可以提供可靠的服务

(3) 扩频的抗干扰特性在非常恶劣的网络环境中(如制造工地)显得尤为重要

可以看到，扩频技术的上述特点正好可以用来解决WLAN物理层中的问题。扩频技术

的这些特点源于他的工作原理。

扩频技术的原理如下：

(1)FHSS系统中，为了避免干扰，发送器改变发射信号的中心频率。信号频率的变化，或者说频率跳跃，总是按照某种随机的模式安排的，这种随机模式只有发送器和接收器才了解。这里需要指出的是，载波频率的跳跃并不影响系统在加性噪声情况下的性能。因为在每一跳中噪声电平仍然和采用传统调制解调器的噪声电平一样，因此，在无干扰情况下FHSS 系统的性能与不采用跳频的系统是一致的。当出现窄带干扰时，由于FHSS系统的载波频率一直处于变化之中，干扰和频率选择性衰落造成只破坏传输信息的一部分，在其他中心频率处传送的信号却不受影响。因此，在出现干扰信号或者系统处于频率选择性衰落信道时系统仍然可以提供可靠的传输。

(2)DSSS系统中，每一个传输的信息比特被扩展(或映射)成N个更小脉冲，叫做码片(chip)。接下来，所有的码片用传统的数字调制器发送出去。在接收端，收到的码片首先被解调，然后被送到一个相关器进行信号解扩。解扩器把收到的信号和与发射端相同的扩频信号(码片序列)做相关处理。自相关函数的尖峰被用来检测发射的比特。任何数字系统占据的带宽都和其采用的发射脉冲和符号的持续时间成反比，在DSSS系统里，由于发射的码片只有数据比特的1/N，因此，DSSS信号的传输带宽是未采用扩频的传统系统的N倍。和FHSS 相似，DSSS也可以抗多径和抗频率选择性衰落。

2.2 OFDM多载波调制技术

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM（Multi-Carrier Modulation），多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。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可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。

一般来说，常见的符合IEEE802.11 b，a和g的支持制式，如表2-1调制技术对比：

2-1调制技术对比

目前市场上常见的WLAN设备，以支持IEEE802.11g的设备占有有诸多的优势。802.11g 采用2种调制方式，含802.11a中采用的OFDM与IEEE802.11b中采用的CCK（DSSS中的一种模式）。802.11g接入点支持802.11b和802.11g客户设备。