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IEEE 802.11與11b標準深探
 

【作者: 施銘鎧】   2005年02月01日 星期二

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在電信自由化的發展趨勢下,隨著無線通訊技術的演進,使全球無線通訊設備與服務的需求大幅成長,而世界各國也相繼投入大量人員資金致力於相關技術之研發,無非是希望增加系統傳輸速度。


從第一代的類比式行動通訊系統(1G)到第二代的數位式行動通訊系統(2G),都是以語音服務為主;2.5G是在原有的2G系統上增加數據傳輸的服務,但因為傳輸速率的限制,目前仍然無法提供如視訊會議、電影觀賞等多媒體應用服務。所以在3G系統下,除了提供高品質語音服務外,更要能夠提供即時多媒體的數據傳輸服務,但最高傳輸速率也只到2Mbps,相對於無線區域網路來說,802.11a/g的傳輸速率可達54Mbps,所以在3G還沒普及的情況下,11b已經有一定的市場普及率,因此本文先針對802.11與11b的標準做一介紹,再詳細介紹實體層架構,因為有線網路與無線網路最大的差異是實體層的不同。在無線通訊技術的不斷進步之下,相信未來的無線通訊產業會以行動數據寬頻加值服務為主。


無線區域網路系統介紹

目前市面上已有很多廠商提供了各種不同的無線區域網路解決方案,使得無線區域網路已經廣泛的使用在辦公室與家庭之中。(表一)中列舉出了很多現今仍在使用的無線區域網路共用標準。當然還有其他的標準存在,如日本的MMAC、無線ATM等等。


無線區域網路已制定的標準

Standard

Related Organization

FIRST Rel.

Uesd Frequency Bands

Spread Techn.

Modulation Technique

Supported Phy.Rates

802.11

IEEE 802 LMSC

1997

2.4 - 2.4835 GHZ

FHSS

DSSS

4GFSK, 2GFSK

DQPSK, DBPSK

2, 1 Mbps

2, 1 Mbps

802.11b

IEEE 802 LMSC

1999

2.4 - 2.4835 GHZ

DSSS

CCK

PBCC

11, 5.5 Mbps

11, 5.5 Mbps

802.11a

IEEE 802 LMSC

1999

5.15 – 5.35 GHz & 5.725 – 5.825 GHz

OFDM

BPSK, QPSK,16QAM, 64QAM

6 – 54 Mbps

HIPERLAN/1

ETSI BRAN

1996

5.15 – 5.30 GHz

-

GMSK

FSK

23,529 Mbps

1,470 Mbps

HIPERLAN/2

ETSI BRAN

2000

5.15 – 5.35 GHz & 5.470 – 5.725 GHz

OFDM

BPSK, QPSK

16QAM, 64QAM

6 – 54 Mbps

HomeRF 1.0

HomeRF WG

1999

2.4 – 2.4835 GHz

FHSS

FSK

1.6, 0.8 Mbps

HomeRF 2.0

HomeRF WG

2000

2.4 – 2.4835 GHz

FHSS

FSK

10, 5 Mbps

Bluthtooth

Bluetooth

1999

2.4 – 2.4835 GHz

FHSS

GFSK

1 Mbps

 

 

 

 

 

 

 


IEEE 802.11與11b的標準

在1990年IEEE組織中的區域網路LAN與都會區域網路MAN,就以IEEE 802系列最為有名。在其下設有各個工作小組,針對不同主題制定標準化作業,所以成立了一個標準委員會,專門用來開發802.11無線區域網路標準。在1997年首先釋放出一個可用的基本標準,此標準不但定義了區域網路系統的架構,而且還涵蓋媒體接取控制(MAC)協定和三種不同的實體層。(圖一)為不同標準成員之間的相互關係。



《圖一 802標準家族成員的關係》
《圖一 802標準家族成員的關係》

在現今使用廣泛的乙太網路產品,是使用802.3的標準。所有802標準的成員都定義了各自不同的MAC層協定,和一個或多個不同的實體層。任何的家族成員都可使用相同的邏輯連接控制層(LLC)協定802.2。指定了三種不同的實體傳輸方法,第一為跳頻展頻(FHSS)模式,工作在2.4GHz的ISM(Industry Science Medicine)頻帶上;第二為直接序列展頻(DSSS)模式,也工作在2.4GHz的ISM(Industry Science Medicine)頻帶上;第三為紅外線(IR)傳輸方法。在IR與FHSS系統中,它提供基本的資料傳輸率在1~2Mbps,而在DSSS系統中,它提供更高的傳輸速率1~11Mbps。所以本文只針對DSSS系統做探討。


在802.11基本標準中定義了相同的MAC協定層和不同的實體層。為了能使共用的MAC層與各種不同實體層完全相容的做存取,因此把實體層分為兩個次階層以提供作為無線傳輸接口,一為實體層匯聚協定(PLCP);另一為實體層媒體相依(PMD)。(圖二)為802.11標準所定義的階層。


《圖二 802.11標準所定義的階層》
《圖二 802.11標準所定義的階層》

定義傳輸方法

接下來將介紹在802.11標準的DSSS系統模式中,詳細的實體層基本架構。DSSS系統模式工作在2.4GHz的ISM頻帶上,除了與原有的802.11標準相容,也增加了兩種高傳輸率模式,並且把此技術增加到802.11b的標準之中。在11b的傳輸模式中,包含了四種資料傳輸率:1、2、5.5與11Mbps,對於1、2Mbps模式,已經建立在原有的802.11DSSS模式中。所有的傳輸模式是使用DSSS技術,其片碼率在11Mcps,佔據頻寬22MHz,通道間隔25MHz以確保通道不會重疊。


《圖三 DSSS訊號需要頻譜遮罩測試》
《圖三 DSSS訊號需要頻譜遮罩測試》

在標準中並沒有定義基頻濾波器的形式,是以頻譜遮罩測試來代替指定濾波器。其量測需設定頻譜分析儀在解析頻寬與視訊頻寬皆為100kHz條件下,滿足在(圖三)中紅色線之界線以下。


低速率的巴克碼調變(Barker Code Modulation)

對於改變資料傳輸率,必須使用不同的調變方式,如DBPSK調變方式,其傳輸率達1Mbps;DQPSK調變方式,傳輸率達2Mbps。(圖四)為兩者調變方式的相位差異表,其相位是以逆時針方向旋轉來定義。


《圖四 DBPSK(右邊)與DQPSK(左邊)的相位編碼表》
《圖四 DBPSK(右邊)與DQPSK(左邊)的相位編碼表》

調變之後,複數符號將利用11片碼巴克序列(11-chip Barker sequence)做展頻,由左到右為+1、-1、+1、+1、-1、+1、+1、+1、-1、-1、-1。而巴克碼有好的自相關特性,如(圖五)所示。


《圖五 11片碼的巴克碼自相關函數》
《圖五 11片碼的巴克碼自相關函數》

這個特性能夠使得訊號的旁波帶能量很低,所以在接收時僅需要針對集中在中心的能量做解碼即可。這個結果能夠使系統對於多重路徑干擾有高的抗干擾能力,並且能避免與其他的DSSS訊號發生碰撞的機會。多重路徑的訊號接收會在相關函數上看到不只一個峰值的訊號,只要這些峰值不會發生在中心的部分,則它的干擾將可忽略。這個方法意謂著只要多重路徑的延遲在1到10個片碼之間(90.9ns到909ns),則不必擔心它的影響。假設一個傳遞速率為3×108m/s,其結果在路徑上的差異大約為27到272公尺。較低的值需要使用其他的量測方式來處理,如分集式天線。


假如在接收時巴克碼已經與中心峰值的頻率同步,且展頻碼沒有重疊,那麼即使在接收時有相同大小的功率發生在旁波帶,依然可忽略它。


對一個使用展頻碼長度為11的方式,會導致展頻增益為10.4dB,這意謂所有的干擾,例如微波爐的散發必須衰減此因子。這樣的展頻方法就類似在CDMA通訊系統中的一個使用者,對不同使用者在重疊時是以不同的碼做區別。


高速率的互補碼(CCK)調變與封包二進制迴旋碼(PBCC)調變

對一高速的資料傳輸速率,定義了兩種方法:互補碼(CCK)與封包二進制迴旋碼(PBCC)。在CCK調變中,是以8個片碼的形式為一CCK符號,藉以維持片碼率為11Mcps。這將產生一個符號率為1.375Msps。每個CCK碼字是以正交子集為基底,其碼是[+1,+1,+1,-1,+1,+1,-1,+1]和衍生為:


《公式一》
《公式一》

所以碼字的8個值可寫成:


《公式二》
《公式二》

這個形式是一個廣義的哈德曼編碼(Hadamard encoding)。其中參數j1到j4為相位值,由這四個相位值的編碼可得到5.5Mbps和11Mbps的傳輸速率。在5.5Mbps中,是以一個符號表示四個資料位元;而11Mbps中,是以一個符號表示八個資料位元。在此兩種傳輸模式,是以最低的兩個位元為一對,並編為j1,如(表二)所示,至於奇數符號的相位要旋轉180度。剩餘的三個相位可允許64種變化的CCK碼字,而且幾乎是互相正交的。


DQPSK調變中j1的編碼

Dibit pattern (d0, d1)

(d0 is first in time)

Even symbols

Phase change

Odd symbols

Phase change

00

0

Π

01

π/2

3π/2(-π/2)

11

Π

0

10

3π/2(-π/2)

π/2


總體來說,CCK調變的展頻增益相當於11dB,但傳輸距離會低於巴克碼的展頻方式。在多重路徑干擾環境,CCK調變在5.5Mbps中能夠禁得起延遲到250ns;11Mbps中能夠禁得起延遲到100ns。


另外一個高速傳輸的調變方式為封包二進制迴旋碼(PBCC)調變,此調變方式是以碼率為1/2的迴旋碼來達到所需的編碼增益。在5.5Mbps中,是使用BPSK的調變方式來傳輸,因此一個資料位元輸入,會有兩個片碼輸出;11Mbps中,一個QPSK調變傳輸兩個位元,所以對於迴旋碼來說,一個資料位元相當於一個片碼。


實體層匯聚協定(PLCP)

對所有現存的或開發中的實體層來說,媒體存取層(MAC)都是一樣的,它定義在802.11中,而媒體層中會有一協定層來接取不同的實體層。在PLCP中定義了每一種傳輸方式的差異。基本上在11b的DSSS系統模式中,增加了PLCP前置碼(preamble)與PLCP標頭(header)在實體層業務數據信息(PSDU)前面,做為與MAC層接取的識別資訊。此兩種資訊又可分為長形式與短形式,如(圖六)、(圖七)所示。



《圖六 PLCP PPDU的長形式》
《圖六 PLCP PPDU的長形式》

《圖七 PLCP PPDU的短形式》
《圖七 PLCP PPDU的短形式》

前置碼部分包含了同步(SYNC)位元與開始訊框定義欄位(SFD field)位元, 在任何的訊框中都將以1Mbps的巴克展頻碼來傳送。同步欄位在長形式的PPDU中包含了128個scrambled ones;短形式的PPDU中包含了56個scrambled zeros。它是做為與接收端的訊號同步之用,SFD欄位提供一16位元碼來幫助接收端決定正確訊框開始的時間。PLCP標頭(Header)包含了48個位元資訊,用來幫助接收端解調PSDU。而訊號(SIGNAL)欄位用來指定PSDU資料傳輸率;服務(SERVICE)欄位指定了PSDU的調變形式是CCK或PBCC(在高資料傳輸模式)。長度(Length)欄位提供傳輸時間的資訊,迴圈冗餘檢驗(CRC)做為誤碼檢驗。標頭欄位一樣包含兩種形式,在長形式的標頭中是以傳輸1Mbps的DBPSK調變方式;短形式的標頭中是以傳輸2Mbps的DQPSK調變方式,兩者皆屬於巴克展頻碼。而短形式的PLCP前置碼與標頭的傳輸時間為長形式的一半。所以無線區域網路卡必須與原始的802.11DSSS系統模式相容,僅僅不能產生與解碼短形式的PLCP前置碼與標頭。


PSDU指定了四種可用的資料傳輸率,在長形式的PLCP前置碼與標頭可選用四種傳輸率,分別為1、2、5.5與11Mbps,但在短形式的PLCP前置碼與標頭中,僅能使用2、5.5與11Mbps的傳輸率。


最後把PSDU與PLCP前置碼與標頭做結合,即為一完整的傳輸封包,稱為PLCP協定數據信息(PPDU)。(作者為R&S台灣羅德史瓦茲系統應用工程師)


<參考資料:


1. Generating Signals for Wireless LANs, Part I: IEEE 802.11b Application Note 1GP49, Rohde & Schwarz, 2002


2. ANSI/IEEE Std 802.11 [ISO/IEC 8802-11:1999(E)], Part 11: Wireless LAN MAC and PHY Specifications, LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, 1999 Edition


3. IEEE Std 802.11b-1999, Part 11: Wireless LAN MAC and PHY Specifications, Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, 1999>


延 伸 閱 讀

IEEE 802.11g最近獲選為無線區域網路標準草案,它使用2.4 GHz頻帶,最高可提供54 Mbps傳輸速率。相關介紹請見「IEEE 802.11g確立無線區域網路未來的新標準草案」一文。

目前雖然國際景氣低迷,但是通訊產品研發的腳步卻依然快速,為了能提高投資報酬率,廠商們都積極地欲整合數種技術於同一類產品之中。你可在「IEEE 802.11b與藍芽的共存方案」一文中得到進一步的介紹。

由於家用網路被視為無線LAN的應用範圍,其中5GHz的「IEEE802.11a」將被應用於動畫與聲音的傳輸轉送,因此國外各大廠商正式展開各種應用產品的開發。在「IEEE802.11a/b/g規格對無線LAN的影響」一文為你做了相關的評析。

最新消息
Atheros Communications日前宣佈支持IEEE新制定的802.11j標準。此標準是現有802.11標準的修正案,其規格是採用日本最新的4.9~5GHz頻譜範圍,以提供室內外無線網路的連結應用。相關介紹請見「Atheros支援最新IEEE 802.11j室內外無線網路標準 」一文。
科勝訊系統(Conexant Systems)宣佈其IEEE 802.11a/b/g雙頻帶PRISM WorldRadio MiniPCI模組參考設計,已經取得Wi-Fi多媒體WMM(Wi-Fi Multimedia)與新安全規範WPA2(Wi-Fi Protected Access 2)認證。你可在「科勝訊PRISM 802.11a/b/g WLAN解決方案取得WMM與WPA2認證」一文中得到進一步的介紹。
在三星電子、NEC、北電網絡、先鋒、Gibson Guitar、Broadcom 公司以及其他廠商的推動下,日前在美國舉行的IEEE 802會議上,決定成立住宅乙太網 路研究小組。在「IEEE 802.3委員會成立住宅乙太網路研究小組」一文為你做了相關的評析。
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