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IEEE 802.11g實體層增強特性分析

上網時間: 2003年11月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線區域網路  IEEE802.11g  IEEE802.11a  IEEE802.11b  ERP 

IEEE802.11g標準作為無線區域網路IEEE802.11標準不斷演進過程的一個重要里程碑,將大幅改善WLAN的性能。本文透過與802.11a/b的對比,深入分析了802.11g在實體層上的增強特性,如標準的相容特性和RTS/CTS保護機制等。

IEEE802.11g標準的提出是IEEE802.11圖1:PPDU數據包的結構。 WLAN技術發展上的一個重要里程碑。對於已存在的802.11a和802.11b而言,802.11g是一個有益的補充:802.11g設備在提供和802.11a相同的54Mbps高傳輸速率時完全後向相容目前主流的802.11b設備,保護已有投資,節省了設備升級的費用,維持了技術與市場的延續性,同時更好地滿足了用戶需求。

在IEEE頒佈802.11無線區域網路標準之後,先後衍生出802.11a和802.11b,這些標準在MAC層以及實體層上做了一些更動,使得傳輸速度及功能上有一定的增強,但都存在一些不足之處。為此,IEEE又頒佈了802.11g以彌補b和a的一些缺點,本文對三種標準進行對比,深入分析了802.11g實體層的一些增強特性。

802.11g增強速率型實體層

802.11g的增強速率實體層(ERP)調變方式有五種:ERP-DSSS、ERP-CCK、ERP-OFDM、DSSS-OFDM和ERP-PBCC。802.11g和802.11b均工作在2.4GHz頻段,為了後向相容802.11b,802.11g的實體層保留了原有的DSSS擴頻技術以及CCK調變方式。ERP-DSSS和ERP-CCK調變支援1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps四種速率,同時新增加了OFDM調變方式以達到更高的速率。在802.11g中強制規定了ERP-OFDM調變下的幾種速率:6Mbps、9Mbps、12Mbps和24Mbps,將18Mbps、36Mbps、48Mbps和54Mbps作為可選擇的速率。同時,802.11g還將TI旗下的Alantro圖2: 在理想的情況下802.11b/g/a距離與傳輸速率的關係。 Communication開發的分組二進制卷積碼(PBCC)作為實體層的一種可選調變方式,透過ERP-PBCC調變,可以達到的速率有:5.5Mbps、11Mbps、22Mbps和33Mbps,不同調變方式下的實體層匯聚協議數據單元(PPDU)數據包不同部份採用的調變方式也不相同,如圖1所示。

PPDU數據包的前導(preamble)與報頭有長短之分,長前導報頭訊框含有144位元的PLCP前導以及48位元的報頭。短前導報頭訊框含有56位元的PLCP前導以及48位元的報頭。使用短前導報頭主要是為了減少傳輸開銷,增大無線網路的吞吐量,因而提高無線網路在傳輸音訊和視訊等即時業務時的效率。標準規定,工作在2.4GHz頻段的802.11系列設備必須能夠發送和接收長前導訊框,802.11g還要求設備能夠發送和接收短前導訊框,802.11b設備支援短前導訊框只是可選的。在一個基本服務集(BSS)中,為了防止出現衝突,要求所有設備發送的數據包採用相同形式的前導與報頭。

由於支援多種調變方式,802.11g可以提供14種速率來實現在不同通訊條件下的最佳通訊速率。當通訊環境惡化時,誤碼率增加,達到系統規定的閘限之後,為了減少誤碼率,系統此時會自動選擇較低速率傳輸數據以保証有效的通訊品質。例如在實際的網路中,當802.11g的終端與接取點(AP,Access Point)的距離增加時,為了保持連接,系統將自動降低傳輸速率。圖2是以Netac的產品為例,所測得的在理想情況下802.11b/g/a距離與傳輸速率的關係。

實體層相容特性

為了相容,802.11g要求實體層同時支援CCK和OFDM,為此該標準做出了以下改動:

1. 802.11g的ERP-OFDM實體層與802.11a的實體層是大致相同的。在802.11a中,短訊框間間隔SIFS=16us。802.11g採用ERP-OFDM調變時,為了和802.11b設備相容,它依然使用802.11b中固定的SIFS=10us,但是OFDM高速編碼需要更多的時間,因此在每訊框後面增加了6us的訊號擴展時間。圖3:整合了WLAN接取點、ADSL Modem、網路閘道路由、網路管理、防火牆和交換機等功能的802.11g WLAN AP設備。


2. 在全部設備都採用802.11g標準的網路中,競爭窗口CW的時隙為9us。在b/g的混合網路中,為了相容802.11b設備,時隙值是802.11b中規定的20us。


3. 在混合網路中,從佔用訊息通道的角度來看,802.11g較802.11b有優先權。當802.11g設備只支援802.11b所支援的4種速率時,802.11g設備的競爭窗口的最小值CWmin=31,其餘時候CWmin=15。按照CW的變化規律來看,在初始化時CW=CWmin,那麼802.11g在混合網路中競爭訊息通道時退避時間要短一些,更有機會佔用訊息通道。


4. 802.11g的介質存取控制(MAC)層的改進。802.11g基本上完全遵循802.11b的MAC層機制。由於802.11g與802.11b的實體層調變方式不同,所以在實際混合網路中,當802.11g設備使用ERP-OFDM調變往訊息通道發送OFDM訊號時,802.11b設備監聽到訊息通道有訊號,但它無法確認是802.11g發送的訊號正佔用訊息通道,它會將OFDM訊號當作訊息通道噪音,認為訊息通道空閑,繼而也往訊息通道發送數據,因而引起衝突。為了讓兩者能協同工作,IEEE提出來在802.11g MAC層中使用保護機制:CTS-to-self機制或請求發送╱清除發送(RTS/CTS)機制.。RTS/CTS機制在802.11標準中已經提出,但是作為可選項使用。如果使用其它調變方式,則不存在上述衝突問題。在整個802.11g標準中,並沒有強制要求使用保護機制。如果在混合網路中,處於中心管理地位的AP探測到802.11g設備的存在對802.11b設備的影響很小,還可以不使用RTS/CTS機制。

MAC層保護機制

1. CTS-to-self機制表:運用了保護機制後吞吐量的比較。

在802.11g標準中,提出一種CTS-to-self保護機制。在混合網路中,當一個802.11g站點準備佔用訊息通道時,它首先更新其它站點的網路分配向量(NAV)值。它發送一個CTS訊框,使接收地址(RA)等於它自己的MAC地址。CTS訊框包含的持續時間段資訊說明了訊息通道即將被佔用的時間,其它可以偵聽到該CTS訊框的站點就依此更新自己的NAV值,因而避免衝突。

CTS-to-self只是保護機制中最低的要求,在某些條件下它將不能生效。例如,在隱藏節點出現時,有些站點可能偵聽不到CTS訊號,由此引起衝突。為了盡量避免產生衝突,必須使用強韌性更好的RTS/CTS機制。

2. RTS/CTS機制

在運用RTS/CTS機制的實際混合網路中,欲發送數據的站點都要向接取點AP發送使用CCK調變的RTS訊框,AP收到RTS後向整個網路廣播CTS訊框,CTS訊框中包含了訊息通道即將被佔用的時間資訊,以通知其餘的站點在此期間只能處於退避狀態,欲發送數據的站點收到CTS後才能往訊息通道發送數據。運用RTS/CTS機制的802.11g站點發送RTS和接收CTS均採用CCK調變,有效數據及收到的應答訊框ACK採用OFDM調變。

3. 保護機制的使用對吞吐量的影響

吞吐量就是單位時間在訊息通道上成功傳輸的資訊量。由於網路開銷、環境和網路組成等因素影響,吞吐量並不等同於網路中的數據傳輸率,802.11g產品的吞吐量較802.11b產品有很大的提高。在實際的網路環境中如果網路中同時存在802.11b產品與802.11g產品,如果使用了保護機制,則將增加網路開銷,802.11g設備的吞吐量將下降。值得注意的是,在混合網路中,如果802.11g的產品數量越多,整個網路的吞吐量就會越高,平均到每個設備的吞吐量也就越高。表1是運用了保護機制後吞吐量的比較。

本文小結

目前市場上已經出現同時支援802.11b/g、802.11a/g和802.11a/b/g的晶片以滿足不同的應用,這些晶片供應商包括Broadcom、TI、Atheros等。802.11g標準正式通過之後,眾多設備供應商先後推出了大批基於該標準的產品,為了增強產品競爭力,很多廠商將多種功能整合在802.11g無線產品中以擴展產品的應用範圍。例如,Netac將WLAN接取點、ADSL Modem、網路閘道路由、網路管理、防火牆和交換機等功能整合在一款802.11g WLAN AP設備中,圖3是該產品的系統結構圖示。在廠商的推動下,802.11g必將成為拉動無線網路市場成長的主要動力之一。

作者:李蓉


研究生


重慶郵電大學通訊學院


周創世


技術副總監兼無線數據部主管


成曉華


副總裁兼技術研究部主管


深圳朗科科技有限公司


Email: stella.li@netac.com




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