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无线局域网物理层


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无线网络的体系结构

下图4给出的是完整的IEEE802.11标准的协议实体。IEEE802的一些子标准中定义的传统简单的MAC层和物理层在IEEE802标准中细分为更多的子层,这样可以使进程的规范化更为容易。MAC层分为MAC管理子层,MAC子层主要负责访问机制的实现和分组的拆分和重组。MAC层的管理层主要负责ESS漫游管理、电源管理,还有登记过程中的关联、消去关联以及要求重新关联等过程的管理。802.11的物理层分成三个子层:PLCP(物理层会聚协议)、PMD协议(物理介质相关协议)和物理层管理层。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编码技术。物理层管理子层为不同的物理层进行信道选择和调谐。除此之外,IEEE802.11还定义了一个站管理层,它的主要任务是协调物理层和MAC层之间的交互作用。

完整的IEEE 802.11协议实体

图4  完整的IEEE 802.11协议实体

一、无线局域网物理层

1、物理层三种接口方式

无线局域网的物理层共有三种接口方式,如下所示:

跳频扩频(FHSS)子层物理层接口。FHSS规范定义了物理层帧的格式,通过跳频功能和频移键控调制技术(PMD)利用它们将二进制数据帧转换为适合无线电波传播的信号,通过PMD使用FHSS发送数据帧。

直接序列扩频(DSSS)物理接口。DSSSPLCP规范定义了物理层帧的格式。DSSSPMD解释工作站如何利用DSSS发送帧。通过PMD将二进制数据帧转换成适合无线波传播的信号。

红外线(IR)物理层接口。通过对PMD工作站利用红外线物理层发送帧以及PMD利用调制技术将二进制数据帧转换成适合红外线光传播的信号。

为了能够说明这种物理接口,还需要介绍物理层结构和物理层操作。

二、物理层结构与功能

1.物理层结构组成

物理层(PhysicalLayer)与MAC层管理相连,为物理提供管理功能。物理层结构由三部分组成,如图5所示。

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图5 物理层结构

1)物理层会聚过程子层(PhysicalLayer ConvergenceProcedure,PLCP):MAC层和PLCP通过物理层服务访问点(SAP)利用原语进行通信。MAC层发出指示后,PLCP就开始准备需要传输的介质协议数据单元(MPDU)。PLCP也从无线介质向MAC层传递引入帧。

PLCP为MPDU附加字段,字段中包含物理层发送器和接收器所需的信息。802.11标准称这个合成帧为PLCP协议数据单元(PPDU)OPPDU的帧结构提供了工作站之间MPDU的异步传输,因此,接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧。

2)物理介质依赖(PMD)子层:在PLCPT,PMD支持两个工作站之间通过无线介质实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能,PMD需直接面向无线介质(空气),并向帧传送提供调制和解调。PLCP和PMD之间通过原语通信,控制发送和接收功能。

3)三种物理介质接口:FHSS物理介质依赖(PMD)子层接口、DSSS物理介质依赖(PMD)子层接口和IR物理介质依赖(PMD)子层接口。

2.物理层接口操作与功能

物理层的三种接口操作基本相近。为了实现PLCP功能,802.11标准规范了状态机的使用。

每种状态实现下面的一种功能:

□ 载波侦听:判断介质的状态。

□ 传送:发送数据帧的单个字节。

□ 接收:接收数据帧的单个字节。

这些功能的实现离不开物理层服务原语现对于原语作简要介绍。

物理层是通过12条服务原语与MC层通信的。

1)PHY-DATA.request:从MAC层向物理层传送数据的一个字节。这个原语只有在物理层发出PHY-TXSTART.confirm原语后,才有可能出现。

2)PHY-DATA.indication:从物理层向MAC层传送接收到的数据的一个字节。

3)PHY-DATA.confirm:一条物理层发向MAC层的原语,用于确认数据从MAC层传送到了物理层。

4)PHY-TXSTART.request:从MAC层发往物理层的请求原语,请求开始一个MPDU的传送。

5)PHY-TXSTART.confirm:从物理层发往MAC层一条原语,用于确认一个MPDU传送的开始。

6)PHY-TXEND.request:一条从MAC层发往物理层的请求原语,请求结束一个MPDU的传送。当MAC层接收MPDU的最后一条PHY-DATA.confirm原语后,就发布

PHY-TAEND.requesto

7)PHY-TXEND.confirm:一条从物理层发往PAC层原语,用于确认一个MPDU传送的结束。

8)PHY-CCARESET.request:一条从MAC层发往物理层的请求原语,用于确认信道评价状态机的复位。

9)PHY-CCARESET.confirm:一条物理层发往MAC层的原语,用于确认信道状态机的复位。

10)PHY-CCA.indication:一条从物理层发往MAC层的原语,用于指明介质的状态。只有两种状态:繁忙、空闲。每当信道状态发生变化时,物理层都要发送该原语。

11)PHY-RXSTART.indication:一个从物理层发往MAC层原语,用于指明PLCP已经收到了一个合法的开始帧定界帧定符和PLCP头(基于对头的CRC差错校验)。

12)PHY-RXEND.indication:一条从物理层发往MAC层的原语,用于确认接收状态机已经完成了一个MPDU的接收。

3.载波侦听功能

物理层是通过PMD检查介质状态来执行载波侦听操作的。如果工作站没有传送或接收帧,PLCP完成以下两点的侦听操作。

1)探测信号的到来(DetectionofIncomingSignals):工作站的PLCP持续地对介质进行侦听。介质忙时,PLCP将读取PLCP前同步码和帧头,并试图同步接收信号数据。

2)信道评价(ClearChannelAssessment):信道评价操作用于测定无线介质繁忙还是空闲。如果介质空闲,PLCP将发送一条状态字段表明为空闲的PHY-CCA.indication原语到MAC层;而如果介质忙,PLCP将发送一条状态字段表明为忙的PHY-CCA.indication原语到MPC层。从而MAC层就可以决定是否发送帧。

需要注意的是,在DSSS方式下,MAC层通过下面Subsequent模式中的一种进行信道评价:

模式1:PMD测量介质上的能量是否超过了一个确定的水平,即能量探测(ED)极限。

模式2:PMD探测介质上是否有DSSS信号,如果有,PMD就向PLCP层发送一条PMD-CS(载波侦听)原语。

模式3:PMD探测介质上的DSSS信号是否超过了一个确定的水平(ED极限)。如果超过,PMD则向PLCP层发送PMD-ED和PMD-CS原语。

当任何一种模式发生之后,PMD将向PLCP层发达一个PMD-ED原语,从而PLCP可以得到MAC层的信道评价。

4.传送功能

PLCP在接收到MAC层的PHY-TXSTART.request原语后便将PMD转换到传输模式。同时,MAC层将与接收到的请求发送一个字节数(0〜4095)和数据率的告示。然后,PMD通过天线在20ms内发射帧的前同步码。

发送器以1Mbps的速率发送前同步码和适配头,为接收器的接收提供特定的通用数据率。适配头的发送结束后,发送器将数据率改到适配头确定的速率。整个发送完成后,PLCP和MAC层发送一条PHY-TXTEND.confirm原语,关闭发送器,并将PMD电路转换到接收模式。

5.接收功能

如果信道评价检测到介质繁忙,同时有合法的即将到来帧的前同步码,则PLCP就开始监视该帧的适配头。当PMD侦听到的信号能量超过85dBm,它就认为介质忙。如果PLCP测定适配头是无误的,它将向MAC层发送一条PHY-RXSTART.indication原语,通知一个帧的到来。随同这个原语一起发送的,还有帧适配头的一些信息(如字节数、数据率等)。

PLCP根据PSDU(PLCP服务数据单元)适配头字段长度(LengthWordfield)的值,来设置字节计数器。计数器跟踪接收到的帧的数目,使PLCP知道帧什么时间结束。PLCP在接收数据的过程中,通过PHY-DAT.indication信息向MAC层发送PSDU的字节。接收到最后一个字节后,它向MAC层发送一条PHY-RXEND.indication原语,声明帧的结束。

三、跳频扩频物理接口

建立无线局域网络时,物理介质接口一般有三种:跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)和红外线(IR)。物理层的接口选择取决于实际应用的要求。

1.跳频扩频的特性

FHSS有以下特性:

□ 成本最低。

□ 能量耗费低。

□ 最强的抗信号干扰能力。

□ 单物理层数据传输率具有最小的电压。

□ 多物理层具有最大的集成能力。

□ 发送范围小于DSSS,但大于IR。

2.FHSS物理介质接口子层

PMD在PLCPT层实现PPDU的真正发送和接收。为了完成这一服务,PMD直接与无线介质(空气)接口,并为帧的传送提供FHSS调制和解调。FHSS物理介质对接口的依赖是很强的,其过程主要是依靠下述三点的原理和操作。

(1)FHSSPMD服务原语

图6列出了PLCP和PMD之间通信的原语,这些原语使PLCP指挥PMD何时发送数据、改变信道、从PMD接收数据等,FHSSPMD服务原语共有9条。

PLCP和PMD之间通信的原语

图6   PLCP和PMD之间通信的原语

1)PMD-DATA.request:从PLCP发往PMD的请求,请求传送一个1或0数据位。本原语通知PMD调制并在介质上发送这个数据位。

2)PMD-DATA.indicate:PMD通过执行这个原语向PLCP传送数据位。传送的值为1或0。

3)PMD-TXRX.request:PLCP利用这个请求,将PMD设置为发送或接收模式。传送的值为发送或接收。

4)PMD-PA-RAMP.request:从PLCP发往PMD请求原语,用于启用发送器功能放大器的发送或接收。

5)PMD-ANTSEL.request:PLCP发送该原语来为PMD选择天线。发送的值是一个1〜N之间的数字,N是PMD所能支持的天线总数。对于发送操作而言,该请求选择一个天线;而对于接收操作而言,PLCP可以选择天线组进行分集接收。

6)PMD-TXPWRLVL.request:发自PLCP请求,用于指明PMD的发送功率级别。.其值为1级、2级一直到8级,分别对应于管理信息库(MIB)中的功率级别。

7)PMD-FRCQ.request:从PLCP发往PMD的原语,用于指定发送频率。发送的值为信道标识(ID)。

8)PMD-RSSI.indicate:PMD使用该原语向PLCP返回持续的接收器介质信号强度指示。PLCP利用这个原语实现信道评价功能,其信号强度值可从0(最弱)到15(最强)。

9)PMD-PWRMGMT.request:一条从PLCP发向PMD的原语,用于将无线电收发机设置为节能的睡眠或待机模式。发送的值为on(正常工作模式)或off(待机或睡眠模式)。

(2)物理子层管理实体原语

物理子层管理实体,有4条原语,用以实现对MIB的访问。

1)PLME-GET.request:请求某个MIB属性的值。

2)PLME-GET.confirm:为应答一个PLME-GET.request而返回相应的MIB属性的值。

3)PLME-SET.request:请求某个MIB属性设置为一个特定的值。

4)MLME-SET.confirm:返回PLME-SET.request的状态。

(3)FHSSPMD操作

PMD将二进制的PPDU转换成适合发送的无线电信号。而FHSSPMD是通过跳频功能和频移键调控技术实现上述的转换。下面我们就来看看FHSSPMD是怎样进行的。

□ 跳频功能在讨论跳频功能时,首先了解一下国际上对跳频频带的分布。

802.11标准定义了一系列分布在2.4GHzISM(IndustrialScientificandMedicine)的工业、科学与医学频带的信道。信道的个数与地理位置有关,北美洲和大多数欧洲国家的信道数为79,而日本的信道数是23。

信道跨越一定的频带,频带也与地理位置有关。北美洲和大多数欧洲国家的符合802.11标准的工作站使用从2.402〜2.408GHz之间的频带,而日本的工作站却使用2.473到2.495GHz之间的频带。每个信道宽1MHz,所以美国的信道2(第一个信道)的中心操作频道是2.402GHz,信道3是2.403GHz,依次类推。

基于FHSS的PMD通过在信道之间跳跃的方式来发送PPDUO当跳频序列在AP上设置完成后,工作站会自动与跳频序列同步。802.11标准定义一个特殊的跳频序列,它为北美洲和大多数欧洲国家指定了78个序列,其作用是序列之间避免了长时间的相互干扰。

安装无线局域网时,需要选择跳频组和跳频序列。802.11标准定义了三个独立的跳频组(set),称为setl、set2和set3,每组都包含多个互不干扰的跳频序列。

跳频组和跳序列选择是任意的,实际上,可以直接使用商家提供的默认设置。

选好跳频组后,接下来就要从这个跳频组中选择一个跳频序列,产品供应商应符合802.11规范的号码来代表特定的跳频序列。

跳速是可调的,但是PMD必须以最小的跳速跳动。不同的国家对最小跳速有不同的规定,在美国,FHSS的最小跳速是每秒2.5跳。另外,北美洲和大多数欧洲国家的最小跳距是6MHz。

□ HHSS频率调制功能FHSSPMD以1Mbps的速度发送二进制数据,每一种速度对应不同的调制方式。PMD对1Mbps的数据流采用二级Gaussian频移键控(GFSK)调制方法。GFSK的思想是通过改变载频的率来表示不同的二进制符号。

四、直序扩频物理接口

直序列扩频(DSSS)是物理层的一种接口。它与跳频扩频相比,具有以下特点:

□ 成本最高。

□ 能量消耗最大。

□ 接收口的数据率最高。

□ 和跳频扩频相比,它的多物理层集成能力最低。

□ 可支持的不同地理位置无线电小区的个数最小,所以限制了可提供的信道数。

□ 发送距离比跳频扩频和红外线物理层都大。

它的通信方式采用的是不覆盖脉冲,数据码速率是HMbpSo占用的带宽大概为26MHz,1SM的2.4GHz频段分成11个相互覆盖的频道。每两个信道之间的中心频带间隔是5MHz。

1.DSSSPMD服务用语

DSSS是在PLCP和PMD通过原语中进行通信,实现PLCP调度PMD发送数据、改变信道,从PLCP接收数据等功能。它使用以下几个原语:

1)PMD-DATA.request:从PLCP发往PMD的请求发送一个数据符号的原语。如果以1Mbps发送,该请求发送的符号的值为1或0的数据位;而以2Mbps发送则为任一2位数据组合。该原语必须在真正的发送数据的PMD-DATA.request原语之前发送到PLCP。

2)PMD-DATA.indicate:PMD通过执行该原语发送符号到PLCP。和PMD-DATA.request原语对应,如果以1Mbps接收,发送符号的值为1或0数据位;而以2Mbps接收则为任一2位数据组合。

3)PMD-TXSTART.request:PLCP向PMD发送该原语,启动真正的PPDU的发送。

4)PMD-TXEND.request:PLCP向PMD发送该原语,用于终止一个PPDU的发送。

5)PMD-ANTSEL.request:PLCP向PMD发送该原语,用于选择PMD将使用的天线。

6)PMD-ANTSEL.indicate:这个原语指出物理层使用哪种方式无线接收最后的PPDU。

7)PMD-TXPWRLVL.request:来自PLCP的请求确定PMD的发送级别。其值为1级、2级,一直到8级,分别对应于MIB中相应的功率级别。

8)PMD-RATE.request:PLCP发送该原语到PMD,用于确定PPDU中的MPDU部分发送的数据率(1Mbps或2Mbps),这个数据率仅仅适用于发送速率。PMD一般可以由任何可能的数据率接收数据。

9)PMD-RATE.indicate:当PMD检测PLCP前同步码中的信号(Signaling)字段时,向PLCP发送该原语,用于确定被接收帧的数据率(1Mbps或2Mbps)0

10)PMD-RSSI.indicate:PMD在接收状态利用这一原语向PLCP返回一个持续的接收器信号强度指示(RSSI),PLCP是为信道评价功能使用该原语的。RSSI的值有256级,由一个8位的数据字表示。

11)PMD-SQ.indicate:这个可选原语提供一个基于DSSSPN(伪噪声)码的信号质量(SQ)。信号质量的值是256级中的某一级,由一个8位数据字表示。

12)PMD-CS.indicate:PMD向PLCP发送该原语,指出正在对一个数据信号进行解调。也是用信号通知一个合法的802.11直接序列扩频PPDU的接收。

13)PMD-ED.indicate:这是可选原语用于指出某个PMD-RSSI.indication,给定的能量值超出了预定极限(存放在MIB的Aed-Threshold参数中),当PMD-ED.indicate原语值为,lenabled"时,表示PMD-RSSLIndication的值超过了极限;为“disabled”时,表示PMD-RSSI.Indication的值在极限以下。该原语为检测非802.11直接序列扩频信号的存在提供了一条途径,因为这些信号会超过预定义极限。

14)PMD-ED.request:PLCP使用这条原语设置能量检测极限,可以检测的最小信号。

15)PMD-CCA.indicate:一条从PMD发向PLCP的原语,用于指示基于CCA算法的射频(BF)能量探测。

2.DSSSPMD操作

DSSSPMD操作负责将PPDU的二进制数表示形式换成适合发送的无线电信号。DSSS物理层将要发送的信息用伪噪声(Pseudo-Noise,PN)码扩展到一个很宽的频带上去。信号被扩展后,其表现形式就如同噪声一样。扩展的频带越宽,信号的功率就越低,甚至扩展到功率比噪声极限还低,但同时又不损失任何信息。

五、红外线物理接口

红外线(IR)是物理层的一种接口,其特点如下:

□ 成本最低。

□ 对无线频率(RadioFrequency,RF)干扰的容忍度最高。

□ 相对扩频无线电系统,红外线的传播距离最短。

□ 抗窃听能力最强。

□ 多工作在有顶篷的地方(主要是在户内),顶篷作为红外线信号的反射点。

□ 在全世界范围内都没有频率限制。

IEEE802.11标准推荐技术,使用时它的光波长规定在850〜950mm之间。