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綜合布線系統(tǒng)工程:無線局域網(wǎng)物理層

 

一、物理層三種接口方式

無線局域網(wǎng)的物理層共有三種接口方式,如下所示:

□跳頻擴(kuò)頻(FHSS)子層物理層接口。FHSS規(guī)范定義了物理層幀的格式,通過跳頻功能和頻移鍵控調(diào)制技術(shù)(PMD)利用它們將二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為適合無線電波傳播的信號,通過PMD使用FHSS發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

□直接序列擴(kuò)頻(DSSS)物理接口。DSSSPLCP規(guī)范定義了物理層幀的格式。DSSSPMD解釋工作站如何利用DSSS發(fā)送幀。通過PMD將二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成適合無線波傳播的信號。

□紅外線(IR)物理層接口。通過對PMD工作站利用紅外線物理層發(fā)送幀以及PMD利用調(diào)制技術(shù)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成適合紅外線光傳播的信號。

為了能夠說明這種物理接口,還需要介紹物理層結(jié)構(gòu)和物理層操作。

二、物理層結(jié)構(gòu)與功能

1.物理層結(jié)構(gòu)組成

物理層(Physical Layer)與mac層管理相連,為物理提供管理功能。物理層結(jié)構(gòu)由三部分組成,如圖1所示。

綜合布線系統(tǒng)工程:無線局域網(wǎng)物理層

 

圖1 物理層結(jié)構(gòu)

 

1)物理層會聚過程子層(Physical Layer Convergence Procedure,PLCP):MAC層和PLCP通過物理層服務(wù)訪問點(SAP)利用原語進(jìn)行通信。MAC層發(fā)出指示后,PLCP就開始準(zhǔn)備需要傳輸?shù)慕橘|(zhì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)OPLCP也從無線介質(zhì)向MAC層傳遞引入幀。

PLCP為MPDU附加字段,字段中包含物理層發(fā)送器和接收器所需的信息。802.11標(biāo)準(zhǔn)稱這個合成幀為PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)OPPDU的幀結(jié)構(gòu)提供了工作站之間MPDU的異步傳輸,因此,接收工作站的物理層必須同步每個單獨的即將到來的幀。

2)物理介質(zhì)依賴(PMD)子層:在PLCPT,PMD支持兩個工作站之間通過無線介質(zhì)實現(xiàn)物理層實體的發(fā)送和接收。為了實現(xiàn)以上功能,PMD需直接面向無線介質(zhì)(空氣),并向幀傳送提供調(diào)制和解調(diào)。PLCP和PMD之間通過原語通信,控制發(fā)送和接收功能。

3)三種物理介質(zhì)接口:FHSS物理介質(zhì)依賴(PMD)子層接口、DSSS物理介質(zhì)依賴(PMD)子層接口和IR物理介質(zhì)依賴(PMD)子層接口。

2.物理層接口操作與功能

物理層的三種接口操作基本相近。為了實現(xiàn)PLCP功能,802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了狀態(tài)機(jī)的使用。

每種狀態(tài)實現(xiàn)下面的一種功能:

□載波偵聽:判斷介質(zhì)的狀態(tài)。

□傳送:發(fā)送數(shù)據(jù)幀的單個字節(jié)。

□接收:接收數(shù)據(jù)幀的單個字節(jié)。

這些功能的實現(xiàn)離不開物理層服務(wù)原語現(xiàn)對于原語作簡要介紹。

物理層是通過12條服務(wù)原語與MC層通信的。

1)PHY-DATA.request:從MAC層向物理層傳送數(shù)據(jù)的一個字節(jié)。這個原語只有在物理層發(fā)出PHY-TXSTART.confirm原語后,才有可能出現(xiàn)。

2)PHY-DATA.indication:從物理層向MAC層傳送接收到的數(shù)據(jù)的一個字節(jié)。

3)PHY-DATA.confirm:一條物理層發(fā)向MAC層的原語,用于確認(rèn)數(shù)據(jù)從MAC層傳送到了物理層。

4)PHY-TXSTART.request:從MAC層發(fā)往物理層的請求原語,請求開始一個MPDU的傳送。

5)PHY-TXSTART.confirm:從物理層發(fā)往MAC層一條原語,用于確認(rèn)一個MPDU傳送的開始。

6)PHY-TXEND.request:一條從MAC層發(fā)往物理層的請求原語,請求結(jié)束一個MPDU的傳送。當(dāng)MAC層接收MPDU的最后一條PHY-DATA.confirm原語后,就發(fā)布PHY-TAEND.request。

7)PHY-TXEND.confirm:一條從物理層發(fā)往PAC層原語,用于確認(rèn)一個MPDU傳送的結(jié)束。

8)PHY-CCARESET.request:一條從MAC層發(fā)往物理層的請求原語,用于確認(rèn)信道評價狀態(tài)機(jī)的復(fù)位。

9)PHY-CCARESET.confirm:一條物理層發(fā)往MAC層的原語,用于確認(rèn)信道狀態(tài)機(jī)的復(fù)位。

10)PHY-CCA.indication:一條從物理層發(fā)往MAC層的原語,用于指明介質(zhì)的狀態(tài)。只有兩種狀態(tài):繁忙、空閑。每當(dāng)信道狀態(tài)發(fā)生變化時,物理層都要發(fā)送該原語。

11)PHY-RXSTART.indication:一個從物理層發(fā)往MAC層原語,用于指明PLCP已經(jīng)收到了一個合法的開始幀定界幀定符和PLCP頭(基于對頭的CRC差錯校驗)。

12)PHY-RXEND.indication:一條從物理層發(fā)往MAC層的原語,用于確認(rèn)接收狀態(tài)機(jī)已經(jīng)完成了一個MPDU的接收。

3.載波偵聽功能

物理層是通過PMD檢查介質(zhì)狀態(tài)來執(zhí)行載波偵聽操作的。如果工作站沒有傳送或接收幀,PLCP完成以下兩點的偵聽操作。

1)探測信號的到來(Detection of Incoming Signals):工作站的PLCP持續(xù)地對介質(zhì)進(jìn)行偵聽。介質(zhì)忙時,PLCP將讀取PLCP前同步碼和幀頭,并試圖同步接收信號數(shù)據(jù)。

2)信道評價(Clear Channel Assessment):信道評價操作用于測定無線介質(zhì)繁忙還是空閑。如果介質(zhì)空閑,PLCP將發(fā)送一條狀態(tài)字段表明為空閑的PHY-CCA.indication原語到MAC層;而如果介質(zhì)忙,PLCP將發(fā)送一條狀態(tài)字段表明為忙的PHY-CCA.indication原語到MPC層。從而MAC層就可以決定是否發(fā)送幀。

需要注意的是,在DSSS方式下,MAC層通過下面Subsequent模式中的一種進(jìn)行信道評價:

模式1:PMD測量介質(zhì)上的能量是否超過了一個確定的水平,即能量探測(ED)極限。

模式2:PMD探測介質(zhì)上是否有DSSS信號,如果有,PMD就向PLCP層發(fā)送一條PMD-CS(載波偵聽)原語。

模式3:PMD探測介質(zhì)上的DSSS信號是否超過了一個確定的水平(ED極限)。如果超過,PMD則向PLCP層發(fā)送PMD-ED和PMD-CS原語。

當(dāng)任何一種模式發(fā)生之后,PMD將向PLCP層發(fā)達(dá)一個PMD-ED原語,從而PLCP可以得到MAC層的信道評價。

4.傳送功能

PLCP在接收到MAC層的PHY-TXSTART.request原語后便將PMD轉(zhuǎn)換到傳輸模式。同時,MAC層將與接收到的請求發(fā)送一個字節(jié)數(shù)(0~4095)和數(shù)據(jù)率的告示。然后,PMD通過天線在20ms內(nèi)發(fā)射幀的前同步碼。

發(fā)送器以1Mbps的速率發(fā)送前同步碼和適配頭,為接收器的接收提供特定的通用數(shù)據(jù)率。適配頭的發(fā)送結(jié)束后,發(fā)送器將數(shù)據(jù)率改到適配頭確定的速率。整個發(fā)送完成后,PLCP和MAC層發(fā)送一條PHY-TXTEND.confirm原語,關(guān)閉發(fā)送器,并將PMD電路轉(zhuǎn)換到接收模式。

5.接收功能

如果信道評價檢測到介質(zhì)繁忙,同時有合法的即將到來幀的前同步碼,則PLCP就開始監(jiān)視該幀的適配頭。當(dāng)PMD偵聽到的信號能量超過85dBm,它就認(rèn)為介質(zhì)忙。如果PLCP測定適配頭是無誤的,它將向MAC層發(fā)送一條PHY-RXSTART.indication原語,通知一個幀的到來。隨同這個原語一起發(fā)送的,還有幀適配頭的一些信息(如字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)率等)。

PLCP根據(jù)PSDU(PLCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元)適配頭字段長度(Lengthwordfield)的值,來設(shè)置字節(jié)計數(shù)器。計數(shù)器跟蹤接收到的幀的數(shù)目,使PLCP知道幀什么時間結(jié)束。PLCP在接收數(shù)據(jù)的過程中,通過PHY-DAT.indication信息向MAC層發(fā)送PSDU的字節(jié)。接收到最后一個字節(jié)后,它向MAC層發(fā)送一條PHY-RXEND.indication原語,聲明幀的結(jié)束。

三、跳頻擴(kuò)頻物理接口

建立無線局域網(wǎng)絡(luò)時,物理介質(zhì)接口一般有三種:跳頻擴(kuò)頻(FHSS)、直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和紅外線(IR)。物理層的接口選擇取決于實際應(yīng)用的要求。

1.跳頻擴(kuò)頻的特性

FHSS有以下特性:

□成本最低。

□能量耗費低。

□最強(qiáng)的抗信號干擾能力。

□單物理層數(shù)據(jù)傳輸率具有最小的電壓。

□多物理層具有最大的集成能力。

□發(fā)送范圍小于DSSS,但大于IR。

2.FHSS物理介質(zhì)接口子層

PMD在PLCPT層實現(xiàn)PPDU的真正發(fā)送和接收。為了完成這一服務(wù),PMD直接與無線介質(zhì)(空氣)接口,并為幀的傳送提供FHSS調(diào)制和解調(diào)。FHSS物理介質(zhì)對接口的依賴是很強(qiáng)的,其過程主要是依靠下述三點的原理和操作。

(1)FHSSPMD服務(wù)原語

圖2列出了PLCP和PMD之間通信的原語,這些原語使PLCP指揮PMD何時發(fā)送數(shù)據(jù)、改變信道、從PMD接收數(shù)據(jù)等,F(xiàn)HSSPMD服務(wù)原語共有9條。

綜合布線系統(tǒng)工程:無線局域網(wǎng)物理層

 

圖2 PLCP和PMD之間通信的原語

1)PMD-DATA.request:從PLCP發(fā)往PMD的請求,請求傳送一個1或0數(shù)據(jù)位。本原語通知PMD調(diào)制并在介質(zhì)上發(fā)送這個數(shù)據(jù)位。

2)PMD-DATA.indicate:PMD通過執(zhí)行這個原語向PLCP傳送數(shù)據(jù)位。傳送的值為1或0o

3)PMD-TXRX.request:PLCP利用這個請求,將PMD設(shè)置為發(fā)送或接收模式。傳送的值為發(fā)送或接收。

4)PMD-PA-RAMP.request:從PLCP發(fā)往PMD請求原語,用于啟用發(fā)送器功能放大器的發(fā)送或接收。

5)PMD-ANTSEL.request:PLCP發(fā)送該原語來為PMD選擇天線。發(fā)送的值是一個1~N之間的數(shù)字,N是PMD所能支持的天線總數(shù)。對于發(fā)送操作而言,該請求選擇一個天線;而對于接收操作而言,PLCP可以選擇天線組進(jìn)行分集接收。

6)PMD-TXPWRLVL.request:發(fā)自PLCP請求,用于指明PMD的發(fā)送功率級別。其值為1級、2級一直到8級,分別對應(yīng)于管理信息庫(MIB)中的功率級別。

7)PMD-FRCQ.request:從PLCP發(fā)往PMD的原語,用于指定發(fā)送頻率。發(fā)送的值為信道標(biāo)識(ID)。

8)PMD-RSSI.indicate:PMD使用該原語向PLCP返回持續(xù)的接收器介質(zhì)信號強(qiáng)度指示。PLCP利用這個原語實現(xiàn)信道評價功能,其信號強(qiáng)度值可從0(最弱)到15(最強(qiáng))。

9)PMD-PWRMGMT.request:一條從PLCP發(fā)向PMD的原語,用于將無線電收發(fā)機(jī)設(shè)置為節(jié)能的睡眠或待機(jī)模式。發(fā)送的值為on(正常工作模式)或off(待機(jī)或睡眠模式)。

(2)物理子層管理實體原語

物理子層管理實體,有4條原語,用以實現(xiàn)對MIB的訪問。

1)PLME-GET.request:請求某個MIB屬性的值。

2)PLME-GET.confirm:為應(yīng)答一個PLME-GET.request而返回相應(yīng)的MIB屬性的值。

3)PLME-SET.request:請求某個MIB屬性設(shè)置為一個特定的值。

4)MLME-SET.confirm:返回PLME-SET.request的狀態(tài)。

(3)FHSSPMD操作

PMD將二進(jìn)制的PPDU轉(zhuǎn)換成適合發(fā)送的無線電信號。而FHSSPMD是通過跳頻功能和頻移鍵調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)換。下面我們就來看看FHSSPMD是怎樣進(jìn)行的。

□跳頻功能 在討論跳頻功能時,首先了解一下國際上對跳頻頻帶的分布。

802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列分布在2.4GHz ISM(Industrial Scientific and Medicine)的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)學(xué)頻帶的信道。信道的個數(shù)與地理位置有關(guān),北美洲和大多數(shù)歐洲國家的信道數(shù)為79,而日本的信道數(shù)是23。

信道跨越一定的頻帶,頻帶也與地理位置有關(guān)。北美洲和大多數(shù)歐洲國家的符合802.11標(biāo)準(zhǔn)的工作站使用從2.402~2.408GHz之間的頻帶,而日本的工作站卻使用2.473到2.495GHz之間的頻帶。每個信道寬1MHz,所以美國的信道2(第一個信道)的中心操作頻道是2.402GHz,信道3是2.403GHz,依次類推。

基于FHSS的PMD通過在信道之間跳躍的方式來發(fā)送PPDUO當(dāng)跳頻序列在AP上設(shè)置完成后,工作站會自動與跳頻序列同步。802.11標(biāo)準(zhǔn)定義一個特殊的跳頻序列,它為北美洲和大多數(shù)歐洲國家指定了78個序列,其作用是序列之間避免了長時間的相互干擾。

安裝無線局域網(wǎng)時,需要選擇跳頻組和跳頻序列。802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了三個獨立的跳頻組(set),稱為setl、set2和set3,每組都包含多個互不干擾的跳頻序列。

跳頻組和跳序列選擇是任意的,實際上,可以直接使用商家提供的默認(rèn)設(shè)置。

選好跳頻組后,接下來就要從這個跳頻組中選擇一個跳頻序列,產(chǎn)品供應(yīng)商應(yīng)符合802.11規(guī)范的號碼來代表特定的跳頻序列。

跳速是可調(diào)的,但是PMD必須以最小的跳速跳動。不同的國家對最小跳速有不同的規(guī)定,在美國,F(xiàn)HSS的最小跳速是每秒2.5跳。另外,北美洲和大多數(shù)歐洲國家的最小跳距是6MHz。

□HHSS頻率調(diào)制功能FHSSPMD以1Mbps的速度發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù),每一種速度對應(yīng)不同的調(diào)制方式。PMD對1Mbps的數(shù)據(jù)流采用二級Gaussian頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方法。GFSK的思想是通過改變載頻的率來表示不同的二進(jìn)制符號。

四、直序擴(kuò)頻物理接口

直序列擴(kuò)頻(DSSS)是物理層的一種接口。它與跳頻擴(kuò)頻相比,具有以下特點:

□成本最高。

□能量消耗最大。

□接收口的數(shù)據(jù)率最高。

□和跳頻擴(kuò)頻相比,它的多物理層集成能力最低。

□可支持的不同地理位置無線電小區(qū)的個數(shù)最小,所以限制了可提供的信道數(shù)。

□發(fā)送距離比跳頻擴(kuò)頻和紅外線物理層都大。

它的通信方式采用的是不覆蓋脈沖,數(shù)據(jù)碼速率是HMbpSo占用的帶寬大概為26MHz,1SM的2.4GHz頻段分成11個相互覆蓋的頻道。每兩個信道之間的中心頻帶間隔是5MHz。

1.DSSS PMD服務(wù)用語

DSSS是在PLCP和PMD通過原語中進(jìn)行通信,實現(xiàn)PLCP調(diào)度PMD發(fā)送數(shù)據(jù)、改變信道,從PLCP接收數(shù)據(jù)等功能。它使用以下幾個原語:

1)PMD-DATA.request:從PLCP發(fā)往PMD的請求發(fā)送一個數(shù)據(jù)符號的原語。如果以1Mbps發(fā)送,該請求發(fā)送的符號的值為1或0的數(shù)據(jù)位;而以2Mbps發(fā)送則為任一2位數(shù)據(jù)組合。該原語必須在真正的發(fā)送數(shù)據(jù)的PMD-DATA.request原語之前發(fā)送到PLCP。

2)PMD-DATA.indicate:PMD通過執(zhí)行該原語發(fā)送符號到PLCP。和PMD-DATA.request原語對應(yīng),如果以1Mbps接收,發(fā)送符號的值為1或0數(shù)據(jù)位;而以2Mbps接收則為任一2位數(shù)據(jù)組合。

3)PMD-TXSTART.request:PLCP向PMD發(fā)送該原語,啟動真正的PPDU的發(fā)送。

4)PMD-TXEND.request:PLCP向PMD發(fā)送該原語,用于終止一個PPDU的發(fā)送。

5)PMD-ANTSEL.request:PLCP向PMD發(fā)送該原語,用于選擇PMD將使用的天線。

6)PMD-ANTSEL.indicate:這個原語指出物理層使用哪種方式無線接收最后的PPDU。

7)PMD-TXPWRLVL.request:來自PLCP的請求確定PMD的發(fā)送級別。其值為1級、2級,一直到8級,分別對應(yīng)于MIB中相應(yīng)的功率級別。

8)PMD-RATE.request:PLCP發(fā)送該原語到PMD,用于確定PPDU中的MPDU部分發(fā)送的數(shù)據(jù)率(1Mbps或2Mbps),這個數(shù)據(jù)率僅僅適用于發(fā)送速率。PMD一般可以由任何可能的數(shù)據(jù)率接收數(shù)據(jù)。

9)PMD-RATE.indicate:當(dāng)PMD檢測PLCP前同步碼中的信號(Signaling)字段時,向PLCP發(fā)送該原語,用于確定被接收幀的數(shù)據(jù)率(1Mbps或2Mbps)0

10)PMD-RSSI.indicate:PMD在接收狀態(tài)利用這一原語向PLCP返回一個持續(xù)的接收器信號強(qiáng)度指示(RSSI),PLCP是為信道評價功能使用該原語的。RSSI的值有256級,由一個8位的數(shù)據(jù)字表示。

11)PMD-SQ.indicate:這個可選原語提供一個基于DSSSPN(偽噪聲)碼的信號質(zhì)量(SQ)。信號質(zhì)量的值是256級中的某一級,由一個8位數(shù)據(jù)字表示。

12)PMD-CS.indicate:PMD向PLCP發(fā)送該原語,指出正在對一個數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解調(diào)。也是用信號通知一個合法的802.11直接序列擴(kuò)頻PPDU的接收。

13)PMD-ED.indicate:這是可選原語用于指出某個PMD-RSSI.indication,給定的能量值超出了預(yù)定極限(存放在MIB的Aed-Threshold參數(shù)中),當(dāng)PMD-ED.indicate原語值為,lenabled"時,表示PMD-RSSLIndication的值超過了極限;為“disabled”時,表示PMD-RSSI.Indication的值在極限以下。該原語為檢測非802.11直接序列擴(kuò)頻信號的存在提供了一條途徑,因為這些信號會超過預(yù)定義極限。

14)PMD-ED.request:PLCP使用這條原語設(shè)置能量檢測極限,可以檢測的最小信號。

15)PMD-CCA.indicate:一條從PMD發(fā)向PLCP的原語,用于指示基于CCA算法的射頻(BF)能量探測。

2.DSSS PMD操作

DSSS PMD操作負(fù)責(zé)將PPDU的二進(jìn)制數(shù)表示形式換成適合發(fā)送的無線電信號。DSSS物理層將要發(fā)送的信息用偽噪聲(Pseudo-Noise,PN)碼擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上去。信號被擴(kuò)展后,其表現(xiàn)形式就如同噪聲一樣。擴(kuò)展的頻帶越寬,信號的功率就越低,甚至擴(kuò)展到功率比噪聲極限還低,但同時又不損失任何信息。

五、紅外線物理接口

紅外線(IR)是物理層的一種接口,其特點如下:

□成本最低。

□對無線頻率(Radio Frequency,RF)干擾的容忍度最高。

□相對擴(kuò)頻無線電系統(tǒng),紅外線的傳播距離最短。

□抗竊聽能力最強(qiáng)。

□多工作在有頂篷的地方(主要是在戶內(nèi)),頂篷作為紅外線信號的反射點。

□在全世界范圍內(nèi)都沒有頻率限制。

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)推薦技術(shù),使用時它的光波長規(guī)定在850~950mm之間。

——END——

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