IEEE 80211n详述.docx
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IEEE80211n详述
摘要（Abstract）
第一章引言
无线局域网（WirelessLAN，简称WLAN）作为宽带无线IP网络的一种典型实现形式，是指采用无线传输媒介的计算机局域网络，它能在难以布线的区域进行通信，是传统有线局域网的重要补充。
无线局域网技术是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物，具有支持移动计算、架构灵活快捷、维护所需费用较低和可扩展性好等优点，为通信的移动化和个人化提供了手段。
由于无线局域网应用的灵活性，目前针对无线局域网的研究也越来越多，研究的热点主要集中在高速传输、服务质量、安全性等方面。
本文主要的研究对象是如何在无线局域网上实现更高速的数据传输。
本章首先对无线局域网的现状做简要介绍。
1.1无线局域网的优势与应用
在这个“网络就是计算机”的时代，伴随着有线网络的广泛应用，以快捷高效、组网灵活为特点的无线网络技术也在飞速发展。
无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。
从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。
无线局域网就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。
无线局域网利用电磁波在空中发送和接收数据，无需线缆介质。
无线局域网的数据传输速率，如IEEE802.11g规范现在已经能够达到54Mb/s，传输距离可至100m～300m。
相对于以太网（IEEE802.3）和令牌环（IEEE802.5）等以双绞线或光纤作为传输介质的有线局域网而言，无线局域网具有成本低、通信可靠、灵活性、移动性、高吞吐量以及安全性从而将节省大量的时间和金钱。
基于无线局域网具有的诸多优点，它可广泛应用于下列领域：
♦接入网络信息系统：
电子邮件、文件传输和终端仿真。
♦.难以布线的环境：
老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校园和工厂。
♦.频繁变化的环境：
频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及野外勘测、试验、军事、公安和银行等。
♦.使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。
♦.用于远距离信息的传输：
如在林区进行火灾、病虫害等信息的传输；公安交通管理部门进行交通管理等。
♦.专门工程或高峰时间所需的暂时局域网：
学校、商业展览、建设地点等人员流动较强的地方；利用无线局域网进行信息的交流；零售商、空运和航运公司高峰时间所需的额外工作站等。
♦.流动工作者可得到信息的区域：
需要在医院、零售商店或办公室区域流动时得到信息的医生、护士、零售商、白领工作者。
♦.办公室和家庭办公室（SOHO）用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。
1.2无线局域网技术的发展
1971年，夏威夷大学的ALOHANET研究课题首次将网络技术和无线通信技术结合起来，ALOHANET是分散在夏威夷岛上的7个校园里面的计算机可以利用网络的方式和中心计算机进行通信，而且不使用已有的低质高价的电话线路。
这种网络的结构是星型的，提供双向的数据通信功能。
20世纪80年代是计算机局域网发展和普及的重要阶段，无线局域网以IEEE802.3以太网为代表，使用电缆和光纤将局部区域内的计算机互相连接起来，完成计算机之间的数据传输和资源共享。
进入90年代以后，局域网朝着高速和可移动性方向发展，从而推动了无线局域网的产生和发展。
1997年6月，IEEE推出了第一代WLAN标准——IEEE802.11，随后在1999年对其进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在IEEE802.11的基础上增加了两种更高的通信速率5.5Mb/和11Mb/s，这就是IEEE802.11b。
该标准定义了媒体访问控制子层和物理层的技术规范，允许WLAN及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备，它提供了更高的数据传输速率和更牢靠的连接性。
IEEE802.11a标准是IEEE802.11b无线组网标准的扩展标准，它选择具有能有效降低多径衰落影响与有效使用频率的正交频分复用（OFDM）为调制技术，支持语音、数据和图像业务。
但是，目前支持IEEE802.11a标准的芯片尚未进入市场，设备昂贵，空中接力能力不强。
而且由于下一代规范IEEE802.11a与目前的IEEE8802.11b规范之间频段与调制技术方式不同，使得两者不能互通，于是又产生了介于两者之间的IEEE802.11g，以适应市场的要求。
它构建在既有的IEEE802.11b物理层与介质层标准基础上，在2.4GHz频段速度可扩展至54Mb/s。
目前的WLAN产品所采用的技术标准还有：
HomeRF、蓝牙、HiperLAN和IrDA.
◆家庭网络的HomeRF
HomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE802．11与DECT（数字无绳电话标准）的结合，旨在降低语音数据成本。
HomeRF也采用了扩频技术，工作在2．4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道。
HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：
当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。
但是，该标准与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。
◆蓝牙技术
蓝牙技术是一种无线个人连网技术.作为一种开放性的标准，蓝牙可以提供在短距离内的数字语音和数据的传输，可以支持在移动设备和桌面设备之间的对点或者多点的应用。
几乎无需任何变动，便可将蓝牙扩展成适于家庭使用的小型网络。
如果蓝牙需要100mW功率输出和更远的通信距离，应外加单独的功率放大器。
◆HiperLAN技术
HiperLAN是欧盟在1992年提出的一个WLAN标准。
2000年，HiperLAN2标准制订完成。
HiperLAN2部分建立在GSM基础上，使用频段为5GHz。
在物理层上HiperLAN2和802.11a几乎完全相同：
采用OFDM技术，最大数据传输速率为54Mbit/s。
HiperLAN2标准详细定义了WLAN的检测功能和转换信令，用以支持许多无线网络，并支持动态频率选择、无线信元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等。
HiperLAN对应802.11b，HiperLAN2与802.11a具有相同的物理层，它们可以采用相同的部件。
另外，HiperLAN2强调与3G的整合。
HiperLAN2标准也是目前较完善的WLAN协议，支持HiperLAN2标准的厂商主要集中在欧洲地区。
◆IrDA技术
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都记比较成熟。
他的主要优点是体积小、功率低，适合设备移动的需要，传输速率高，可达16Mb/s，成本低，应用普遍。
但是，IrDA是一种视距传输技术，中间不能有阻挡物。
1.3无线局域网概述
无线局域网分类：
无线局域网组网分两种拓扑结构：
一种是无中心的自组网（peertopeer），另一种是有中心的基础结构网。
如图1.1所示。
其中第一种通称Ad-hoc网络，要求网络中任意两个站点均可直接通信，第二种通称基础结构（Infrastructure）网络，要求网络中一个网络站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。
图1.1无线局域网的分类
Ad-hoc网络是一种特殊的无线移动网络，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控制节点，并且要求网中任意两个站点均可直接通信。
网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。
与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点：
（1）无中心
节点可随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
（2）自组织
节点通过分层协议和分发式算法协调各自的行为，节点开机后就可快速自动的组成一个独立的网络
（3）多跳路由
当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发，无需专用的路由设备。
（4）动态拓扑
网络节点可随时移动，也可随时开机关机。
而当今大多数的蜂窝移动通信网络都属于有中心的基础结构网（Infrastructure）结构。
在有中心的基础结构网中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。
结构化网络有无线接入点（AP），无线工作站（STA）以及分发式系统（DS）构成，覆盖的区域分基本服务区（BSS）和扩展服务区（ESS）。
基本服务区有一个无线接入点以及与其关联的无线工作站构成，在任何时候任何无线工作站都与该无线接入点关联。
扩展服务区是指由多个AP以及连接它们的DS组成的结构化网络。
1.4本文的内容
无线局域网的快速发展，使得无线局域网的研究成为一个新的热点问题。
如何提高无线局域网的运行效率是业内研究的重点问题。
研究的思路和方向有两个，一是研究如何在物理信道上提高信息的传输速率；另一个方向是研究如何提高MAC层的运行效率，优化协调功能。
由此可以看出物理层的研究是非常重要的。
本文着重研究了当前的无线局域网物理层的高速传输技术，并且对下一代无线局域网高速物理层技术进行了研究，以及为了提高系统吞吐量而提出的几种MAC层改进机制，并且提出了自己的想法。
第二章当前主流无线局域网高速物理层技术
本章将对当前主流的无线局域网的物理层关键技术分别作出介绍，其中包括IEEE802.11，802.11b，802.11a，以及802.11g，并对这几种模式作出对比和总结。
2.1IEEE802.11的调制技术
IEEE802.11标准提供1Mbps和2Mbps两种传输速率，分别采用BPSK和QPSK的调制方法，下面就对这两种调制方法作出介绍。
2.1.1BPSK的调制方法
BPSK是一种非常简单的调制方式，即二进制的数字信号0和1分别用载波的相位0和π来表示，其表达式为：
BPSK的调制实现非常简单，只需要将载波与输入信号进行电平交换后的输出相乘即可，实现时，一般采用查表法进行BPSK调制。
它的波形如下图所示：
图2.1BPSK调制波形
2.1.2QPSK的调制方法
QPSK是为了提高频谱的利用率（相对BPSK）而提出的一种调制方法。
载波的不同相位，对应不同的信息。
QPSK的波形表达式可写为：
按三角公式展开可写为：
上式可以看成是两个正交载波分量之和，其幅度分别为ACOS
和ASIN
分别被称为正交分量和同相分量。
使原始的数据流dk（t）＝d0d1d2…，为双极性脉冲序列，经数据分离器分成奇偶两路，其中奇路数据dq（t）经延时送入Q信道，对载波SIN进行二相调制。
偶数路数据di（t）送入I信道，对载波COS（2πfct）进行二相调制，然后两个信号相加得到四相信号。
QPSK的调制框图如图所示：
图2.2
关于BPSK和QPSK在IEEE802.11中的具体应用见本章图2.6
2.2IEEE802.11b的调制技术
IEEE802.11标准委员会公布了应用于WLAN的1Mbps/2Mbps规范，之后不久就开始致力于物理层标准的高速扩展，力图在IEEE802.11WLAN系统中达到类似于以太网的数据速率，在此基础上添加了5.5M和11M的传输速率，这就是IEEE802.11b。
IEEE802.11b标准支持5.5Mbps和11Mbps两种物理层速率，可因环境变化，在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间切换，且在2Mbps、1Mbps速率时与IEEE802.11兼容。
目前使用的无线局域网产品大多符合IEEE802.11b标准。
这两种速率采用CCK（ComplementaryCodeKeying，补码键控）调制方案。
2.2.1补码序列
CCK调制技术能在信息论的互补序列中找到其起源。
那么，究竟什么是互补序列，其重要特性有那些方面呢？
在IEEE802.11规范中CCK码字是多相位的互补码字，二进制互补码字是多相位码字集的子集。
因此我们的讨论先从二进制互补序列开始。
R.Sivaswamy对二进制互补码作了下述定义：
二进制互补码，也称为二进制序列或者数列，是这样的一对有限序列：
它们长度相同，而且在给定间隔后，一个序列中相同元素对的数目与另一个序列中不相同元素对的数目相同。
下图是一对互补序列：
图2.3一对互补序列
在间隔为1时，序列一有四对相同元素，三对不相同元素；而序列二有四对不同元素，三对相同元素。
下表总结了在间隔为1，2，3时，元素异同的对数。
间
隔
序列一
序列二
相同元素对数
相异元素对数
相同元素对数
相异元素对数
1
4
3
3
4
2
4
3
3
4
3
1
5
5
1
表2.1（注：
对于间隔2、3，计算时将第一个元素补在后面）
从表中可以看出，互补码具有很好的对称性。
那么如何在数字通信中有效地
利用这种性质呢？
可以证明，除了零偏移的情况外，互补码的周期性自相关向量
总和总是等于零。
给定一对互补序列，其元素分别为ai,bi，其中i=1，2，……n。
它们的自
相关数列分别为：
理论上，如果满足下面两个条件，这两个序列{ai}与{bi}就是互补的。
其中n是码字的长度。
事实上，很难得到这种完美的码字。
但是，良好的码
字可以有一个主峰，而使残余峰值保持在最小的限度。
我们可以用序列一和序列二来说明两个二进制互补码的自相关特性。
下表列出了序列一和序列二的自相关函数。
表2.2一对互补码字的自相关函数
自相关函数是在码字的所有比特偏移上进行自相关运算的结果，这类似于信号所有相位偏移上进行的自相关计算。
表中，cj和dj分别表示两个序列的自相关函数值。
对于零偏移，cj和dj都能取得最大值，在这里是8；对于其它偏移，cj和dj较小。
并且有下式：
因此，这两个序列的自相关特性可以表征其互补性。
除自相关特性外，二进
制互补码还有其它一些性质，可用于有效地合成它们。
2.2.2CCK调制
上面已经描述了二进制互补码，下面考虑多相位互补码字。
二进制互补码是
具有互补特性的二进制序列，同样，多相位互补码也是具有互补性质的序列，但
是其中的元素有相位参数。
例如，一个多相位码字中的元素可以有四个不同的相
位。
在IEEE802.11规范高速草案中定义的码集是一个复数补码集合，也就是说，
其码字中的元素ia是复数集{1，-1，j，-j}中的一个成员。
码字的互补特征与
2.2.1中描述的二进制码字的互补特征类似。
前面阐述了补码的基本概念，下面分析在IEEE802.11高速草案中如何使用码字集合来调制数字波形。
由于草案使用了扩频技术，补码用于扩展信号的带宽，
因此草案中的互补码也指扩频码。
经过带宽扩展和解扩过程，可以在系统中获得
扩频处理增益。
在IEEE802.11规范高速草案中，互补的扩展码字长度为8，码片速率为11Mbps，8个复码片组成一个符号。
将符号速率设为1.375Msps，则11Mbps波形最后占据的带宽同1Mbps/2Mbps的近似相同。
由于允许在ISM频段内有三个非交叠的信道，使得WLAN系统能取得较高的系统容量，这也是选择CCK作为调制技术的原因之一。
8-bitCCK码字由下列公式取得：
这里C是先LSB而后MSB（先发送重要性低的比特）的码字。
这个公式可以产生具有8个复码片的码字。
其中,j用来确定复码组的相位值。
这种编码是一种通用形式的Hardamard变换编码[16]，其中，j1用于码字中的全部码片，j2用于所有的奇数码片，j3用于全部的奇码片对，j4用于全部奇双对码片（奇数的四码片组）。
相位j1修改序列的全部码片的相位，并进行DQPSK的编码。
它相对于前面符号的相位，将整个符号进行合适角度的旋转。
注意，符号的最后一个码片表示了符号的相位。
对于11Mbps的数据速率，每个符号表示8bit信息；而对于5.5Mbps，每个符号携带4bit信息。
在GlobalSpan公司的前身Intersil公司（这个公司现在已经更换名字了，叫GlobalSpan什么的，请查一下）的高速实现方案中，CCK调制放在基带处理器HFA3861中实现。
下面我们以此为例，来进行分析。
A5.5Mbps的CCK模式
要得到稳定的5.5Mbps速率，要对码字集合进行选择，使其向量的数目减少，
向量间有较大的距离，从而获得较好的抗干扰性能。
对于5.5Mbps，可有两种选择；一是选择8相符号，然后对符号进行BPSK调制；二是选择4相符号，对符号进行QPSK调制。
这两种选择中的每一个符号都能得到4bit信息，但仿真结果表明，在抗多径性能上后者更好。
对于5.5Mbps的CCK模式，基带处理器的输入分成四比特组，前面2个比特按下表进行差分调制的相位控制。
而全部奇数符号除了要进行表中的标准DQPSK调制以外，还要有额外的180度（π）的旋转。
为了确定奇偶性，数据单元的第一个符号应从0开始编号，也就是说，符号从偶数开始。
表2.3DQPSK的编码调制表
对于后面的数据双比特d2d3，CCK按照下表对基本符号进行编码。
这个表通过在码字生成公式中置值
来获得。
表2.45.5Mbps的CCK编码表
表中，复码片的排列顺序是：
从左到右，依次是重要性最低的比特，直到重要性最高的比特。
传送时最低重要性比特在最前面。
B11Mbps的CCK模式
对于11Mbps模式，从MAC芯片送出的数据比特流组织成字节形式{d0d1d2d3…d7}，其中d0是重要性最低的比特，在时间上最先。
这8个比特按照下表表中的方案来对相位参数
--
进行编码，编码基于表中确定的DQPSK方式。
表2.5相位参数编码方案
表2.6相位参数的DQPSK的编码表
第一个比特对（d0,d1）基于DQPSK对
进行编码，DQPSK编码器功能由表确定，
相对于前面符号中的
进行改变。
如果速率模式发生变化，
则是相对于前面CCK符号中的
进行相位变化。
数据单元中全部奇数符号先按照上表给出的DQPSK进行调制，然后增加一个额外的180度（π）旋转。
在数据单元中符号的编号规则是从0开始的。
下面用一个例子来说明如何由比特流生成一个典型码字。
假定在11Mbps模式下，给定的数据比特流d7,d6,d5,...d0=10110101，由上表可得：
将上述相位参数值代入码字公式，可以得到：
由欧拉公式ejq=Cosθ+jSinθ可得，复码字为：
C={1，-1，j，j，-j，j，-1-1}。
现在我们来研究基带处理器HFA3861中CCK调制方式的实现。
由码字生成公
式可以看出，相位参数j1包含在码字的全部8个码片中，因此它实质上对整个向量起着旋转的作用，这一点在CCK的电路实现中非常重要。
图2.5HFA3861中11Mbps模式调制器电路的组成框图
上图给出的是基带处理器中CCK调制器电路的组成框图。
在HFA3861中，数
据加扰器的输出首先送到码元时钟为1.375MHz的串/并变换复用器中。
复用器一
次输出8个码元，直接送到差分调制器中。
其中前6个码元用于选择扩频调制的
复码字序列，六个码元共有64种组合，分别对应于64个复码字之一，差分解调
器根据送入的这6个码元选择输出的复码字；其余2个码元用于对选择的复码字
进行QPSK调制，比如进行旋转。
差分调制器的输出分I，Q两路，符合复码字产
生公式。
这就是CCK调制的实现过程。
CCCK与IEEE802.11调制方式的比较
下表对CCK调制与IEEE802.11中1Mbps/2Mbps调制模式进行了比较。
在1Mbps模式中，首先对信号进行BPSK调制，然后再使用11Mcps速率的码长为11的巴克码对其进行扩频调制。
在2Mbps模式中，先对信号进行QPSK调制，然后再进行扩频调制。
图2.6各种调制速率比较图
对于5.5Mbps的CCK模式，输入的数据流分成4个比特一组，其中2个用于选择扩频码（四中选一），另外2个比特对扩频后的信号进行QPSK调制。
要实现11Mbps的CCK调制，将输入数据分成8个比特一组，其中前6个比特用于从码长为8的64条扩频码中选出一个，其余2比特对已扩信号进行DQPSK调制。
所有模式中的码片速率均维持在11Mcps。
2.3IEEE802.11a的调制技术
在802.11b的标准实现以后，IEEE802.11标准委员会又在致力于更高的传输速率的研究，从而出现了802.11a。
它工作在5GHzU-NII频带，物理层速率可达54Mb/s。
采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术。
下面，就对OFDM作出介绍。
2.3.1OFDM的基本原理
OFDM是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散道许多个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和抗衰落的能力。
为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱有1/2重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。
下图是OFDM信号和FDM信号的频谱图:
OFDM频谱图2.7FDM频谱
2.3.2用DFT实现OFDM的调制方法：
OFDM信号是由一组正交信号作为副载波,码元周期为T的不归零方波作为基带码型调制而成。
发端信号:
N个串行数据序列其数据速率为fs,间隔Δt=1/fs。
在发送端,经数据编码器后形成复数序列,用d（n）=a（n）+jb（n）表示,此复数序列经串并变换后调制N个副载波,进行频分复用,所得的传送波形可表示为:
其中,fn=f0+nΔf,Δf=1/NΔt=1/T,Δf为各副载波间的频率间隔,T为信号间隔,f0为1/T的整数倍,各载波相互正交。
对d（t）的频谱以1/T为间隔进行抽样,得到离散谱D（k）。
D（k）与D（-k）互为共轭复数。
将d（t）以T为周期进行周期扩展为.d（t）,则D（k）是d（t）的傅立叶级数的系数。
其中,ωk=2πk/T,N/2为大于（C+M）的正整数。
对d（t）以fs=N/T的抽样速率进行采样（满足fs>2fmax,fmax为d（t）的频谱的最高频率,可防止频率混叠）,则在主值区间t=[0,T]内可得到N点离散序列d（n）,其中n=0,1,…,N-1。
如在频域将D（k）以fs为周期进行扩展,也可在主值区间f=[0,fs]内得到N点离散序列D（k）。
由离散傅立叶变换（DFT）的原理可知,d（n）与D（k）满足以下关系:
通过对D（k）进行IDFT后,以某一频率fs为抽样速率进行D/A变换,再通过截止频率略小于f2/2的低通滤波器滤波即可实现OFDM的调制。
D（k）与D（N-k）互为共轭复数,因此N点IDFT最多能实现N/2个子信道并行传输。
另外通过对[0,T]内的OFDM模拟信号以fs为速率
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