基于IEEE802.11标准的WLAN的物理层方案
摘要：作为WLAN第一个成熟的标准，IEEE802.11成功地解决了无线介质给WLAN造成的困难。本文详细地分析了WLAN在物理层上存在的困难，并给出了IEEE802.11相应的解决方案。
关键词：IEEE802.11；WLAN；物理层；扩频技术
IEEE802.11是最早的WLAN(无线局域网)的标准，他开始研究于1987年，完成于1997年。他定义了WLAN的物理层和MAC层，有1Mb/s和2Mb/s两种数据传输速率。无线介质本身的特点给WLAN的实现带来了很大困难，在这方面IEEE802.11工作组做了大量的工作。本文主要讨论WLAN在物理层上遇到的问题以及IEEE802.11给出的解决方案。
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。
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。
扩频技术的特点
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
(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。
IEEE802.11的相应规范
物理层子层
和其他的IEEE802标准相似，为了更容易规范化，IEEE802.11对WLAN物理层进行了分层，他们是PLCP(物理层会聚协议)、PMD(物理介质相关协议)和物理层管理子层。PLCP子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组。PMD子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术。物理层管理子层进行信道选择和调谐。如图1所示。
图1 IEEE802.11物理层子层
用于PMD的传输有FHSS，DSSS和DFIR(扩散红外线)。MAC层协议数据单元(MPDU)到达PLCP层时，在MPDU前加上帧头用来明确传输要使用的PMD层，3种方式的帧头格式是不尽相同的。然后PLCP分组，并根据这3种信号传送技术的规范要求由PMD层传送。如图2所示。
图2 3种传送方式的PLCP帧格式
FHSS，DSSS，DFIR的规范
(1)FHSS
IEEE802.11FHSSWLAN规定了以2144GHz为中心，间隔为1MHz的78个跳频信道，这些跳频信道被分成3组，每组有26个，分别对应的信道编号为(0，3，6，9，…，75)，(1，4，7，10，…，76)和(2，5，8，11，…，77)。具体选择哪一组有物理层管理子层决定。最大跳跃速率为215跳/s。采用两级和四级GFSK(高斯频移键控)分别实现速率1Mb和2Mb。
(2)DSSS
IEEE802.11DSSSWLAN将214GHz频段分成11个相互覆盖的信道，每2个信道之间的中心频率间隔是5MHz。使用长度为11b的Barker编码。采用DBPSK(差分二进制相移键控)和DQPSK(四相差分相移键控)分别实现速率1Mb和2Mb。
(3)DFIR
IEEE802.11标准中规定的波长范围为850～950nm。采用4PPM(位置脉冲调制)和16PPM分别实现速率1Mb和2Mb。
结语
自第一个商业化WLAN产品问世以来，基于IEEE802.11标准的WLAN产品始终占据着大部分的市场份额。目前市场上更为活跃的IEEE802.11b，IEEE802.11a以及尚在制定中的IEEE802.11g均是在IEEE802.11的基础上建立起来的。他们采用了与IEEE802.11不同的调制方式，能够得到更快的传输速度。