1.3　Wi-Fi物理层技术

1.3.1　传输技术概述

Wi-Fi的传输技术涉及采用的传输介质、选择的频段及调制方式。Wi-Fi所采用的传输技术主要有两种：红外线技术和微波技术，其中微波技术中又包含2.4GHz和5GHz两个频段。事实上，我们几乎见不到采用红外线技术的Wi-Fi产品，常见的都是采用微波技术进行通信的产品，而且其中以工作在2.4GHz频段上的符合IEEE 802.11b和IEEE 802.11g技术的产品为主，工作在5GHz频段上符合IEEE 802.11a技术的产品很少见到。

1.3.2　Wi-Fi物理层体系结构

1．Wi-Fi物理层传输原理

与一般的无线通信系统一样，Wi-Fi的物理层主要解决数据传输问题。其典型的传输过程如图1-12所示。

图1-12　典型Wi-Fi物理层传输原理

数字信源经信源编码（主要是数据压缩）处理后进行的另外一种编码处理称为信道编码。它用来引入冗余设计，使得在接收端能够检测和纠正传输错误。无线信道中的错误通常以突发形式出现。为了将此类在传输过程（遭受衰落）中出现的突发错误变换成随机错误，以便信道编码进行纠正，一般要对数据进行交织处理。因此，将信道编码和交织技术统称为控制编码。如果采用加密技术，只有授权的用户才能正确地检测和解密处理后的数据。为了适应无线信道的特性，进行有效的传播，将加密后的信号进行调制和放大，以一定的频率和一定的功率通过天线或发射器辐射出去。如果有多个信源共用此无线链路，通常还需进行多路复用处理，多址接入在多路复用后进行。

接收端的处理过程正好相反，但经常还需要用均衡机制来校正信号在传输过程中可能产生的相位和幅度失真。

从Wi-Fi物理层的横向结构来看，按照频率的高低和功能不同，将Wi-Fi物理层划分为天线、射频（Radio Frequency,RF）、中频（Intermediat Frequency,IF）和基带（Base Band,BB）等几部分。通常将天线和射频部分称为前端单元。射频与中频单元与收发信机的形式和结构有关。基带单元实现了Wi-Fi物理层的主要功能（如编解码、交织/解交织、基带调制解调、均衡、位同步甚至加解密等），并与上层联系紧密。

2．Wi-Fi物理层层次结构

从纵向的层次结构来看，Wi-Fi的物理层包括三个实体，如图1-13所示。

图1-13　Wi-Fi物理层结构

物理层管理实体PLME：与MAC层管理相连，执行本地物理层的管理功能。

物理层汇聚过程PLCP子层：是MAC与PMD子层或物理介质的中间桥梁。它规定了如何将MAC层协议数据单元（MPDU）映射为合适的帧格式用于收发用户数据和管理信息。

物理介质依赖PMD子层：在PLCP子层之下，直接面向无线介质。定义了两点和多点之间通过无线媒介收发数据的特性和方法，为帧传输提供调制和解调。

3．Wi-Fi物理层分类

Wi-Fi物理层传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段和调制方式等内容。而这些内容决定了Wi-Fi物理层的分类。Wi-Fi物理层分类情况如图1-14所示。

图1-14　Wi-Fi物理层分类

目前，Wi-Fi采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。对于采用无线电波作为传输媒体的Wi-Fi依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。

1.3.3　Wi-Fi射频技术

在Wi-Fi物理层中，在天线之后，基带单元之前的部分几乎都工作于射频，这部分电路与系统结构和技术体制有很大关系。5GHz的Wi-Fi会比2.4GHz的Wi-Fi在射频方面带来更大的挑战，如衰减增加、本振选择、交调失真、天线设计和宽带噪声等。

1．物理信道及其划分

（1）物理信道

物理信道是按频域、时域、码域和空域定义的一条或多条射频信道的特定部分，其结构可能随时间变化，这取决于频谱可用性、业务要求等。在Wi-Fi中，物理信道是用于传送协议数据单元PDU的一种媒体实例，其划分间隔均匀，并能同时使用；同一物理层（PHY）可使用不同的（多个）信道，且由于相互干扰所造成的误帧率也较低。某些PHY仅提供一个信道，而一般提供多个信道。Wi-Fi中常用的物理信道类型如表1-4所示。

　　表1-4　　　　　物理信道的类型

（2）DSSS Wi-Fi物理信道划分

在2.4GHz的ISM频段，物理层为直接序列扩频（DSSS）时物理信道中心频率和信道号随地区不同是有差异的。每个信道的射频带宽是22MHz，相邻信道中心频率为5MHz。在多小区网络拓扑中，为了避免邻道干扰，相邻小区中心频率间隔至少为25MHz。因此，在整个2.4GHz的ISM频段中，只有三个互不重叠的网络信道，如图1-15所示。

图1-15　Wi-Fi物理信道划分

（3）FHSS Wi-Fi物理信道划分

各个国家和地区对于跳频传输技术工作的频率规定是有差异的，我们的规定是采用跳频技术的无线局域网工作在2.4～2.4835GHz，频段的可用部分是83.5MHz，但是实际只使用了79MHz。

信道中心频率是从第一个信道开始的，根据IEEE 802.11标准规定，信道之间以1MHz为间隔，所以可计算出工作的信道数。

在IEEE 802.11标准的规定中，第一信道的中心频率为2.402GHz，我们可以按照信道之间的间隔为1MHz进行递推。虽然我国的规定与此相同，但并不是所有的国家和地区都是这样，比如，日本的信道中心频率开始于2.473GHz，相邻信道也是1MHz。

（4）OFDM Wi-Fi物理信道划分

在5GHz频段，为了方便起见，从5GHz开始，以5MHz为步长，共有201个通道。OFDM Wi-Fi多工作于5GHz频段，IEEE 802.11a使用U-NII的5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz和5.725～5.825GHz频段的共300 MHz的射频信道。

2．双工方式

单一物理信道可以只用于单向传输（单工），但是无线系统特别是无线Internet业务中，一般需要双向通信或双工通信。双工可理解为收发信道的复用，双向通信就是靠双工技术来实现的。常用的双工方式有两种，即频分双工FDD和时分双工TDD。近年来，又提出了码分双工CDD的概念。

频分双工FDD：是一种传统的双工方式，它使用相互分隔开的两个不同的频率，在一个频率上发送，同时在另一个频率上接收。对于用户或终端，发送频率为上行频率，接收频率为下行频率。对于基站或接入点，刚好相反。

时分双工TDD：TDD方式上行链路和下行链路都工作在同一频率，使用同一信道，但是交替地用于发送和接收。实际上，TDD是用时间来分隔信道的，同一频率信道在不同的时间上被上行数据和下行数据所使用。

在WLAN系统中，IEEE 802.11x系列标准、HiperLAN2标准、蓝牙系统和HomeRF系统采用的都是TDD方式。

1.3.4　调制解调技术

调制解调技术是传输技术的核心。调制解调技术是Wi-Fi物理层的关键技术和核心内容。

调制分为基带调制和载波调制两种类型。在Wi-Fi中，对于红外线等短距离传输采用基带调制或脉冲调制；对于其他标准，通常采用无线电波的载波调制和扩频传输。为了提高传输速率，不仅可以采用多进制或多元的单载波调制和混合调制（如QAM），也可以采用多载波的调制（如OFDM）。结合Wi-Fi的不同要求和具体应用环境情况，用于Wi-Fi的调制解调方式有很多种。

1．Wi-Fi中的传输技术

Wi-Fi是利用空中通信收发数据的一种通信方式，其物理层的传输有无线射频传输和红外传输两种方式。射频传输主要工作于微波频段，有扩频传输和载波传输两类。载波传输通常采用基带数字调制解调方式，可以是窄带或宽带形式。扩频传输是一种宽带传输方式，主要有直接序列扩频DSSS和跳频扩频FHSS两种方式，还有跳时扩频THSS、线性调频以及混合扩频等方式。IEEE 802.11规定使用前两种方式。

1．基带传输：信号不需载波调制而直接发射出去。

2．载波传输：利用调制信号（基带）去控制或改变载波的一个或几个参数（幅度、频率、相位），使调制后的信号含有原来调制信号的全部信息，即载波的某些参数按调制信号的规律变化。载波调制的目的是把要传输的信号变换成适合于在信道上传输的信号，与信道相匹配，从而有效传输信息。

3．扩频传输

扩频传输与传统的载波传输的根本区别在于，扩频传输的信号所占有的频带宽度远大于所传信息所需的最小带宽。与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

（1）DSSS方式

DSSS就是把要传送的信息直接由高码率的宽频码序列编码后，对载波进行调制以扩展信号的频谱。而在收端，用相同的宽频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息，其组成框图如图1-16所示。

图1-16　DSSS系统的组成框图

在扩频传输中用得最多的扩频码序列是伪噪声（PN）序列，其最重要的特性是具有类似于随机信号的性能。

DSSS系统的主要特点如下：有较强的抗干扰能力；扩频信号的谱密度很低，占有频带宽，具有很强的抗截获和防侦查、防窃听能力；频带利用率高；抗多径干扰能力强。

（2）FHSS方式

FHSS是用伪随机码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地、随机地跳变，这样的通信方式比较隐蔽也难以被截获，其基本组成如图1-17（a）所示。

FHSS系统中常用伪随机序列改变载波频率，我们把载波频率改变的规律称为跳频图案，它是时间与频率的函数，如图1-17（b）所示。当通信收发双方的跳频图案完全一致时，就可以建立跳频通信了。一般来说，跳频速率越高抗干扰性越好，但相应的设备要求复杂度和成本也将越高。

图1-17　FHSS系统组成原理图

FHSS系统的主要特点如下：容易与目前的窄带系统兼容；具有较强的抗干扰能力；具有码分多址和频带共享的组网通信能力，可以提高频谱的利用率；具有抗多径、抗衰落的能力。

2．Wi-Fi中的数字调制方式

常用的数字调制解调方式很多，如频移键控（Frequency Shift Keying,FSK）、最小移频键控（Minimum Shift Keying,MSK）、相移键控（Phase Shift Keying,PSK）、差分相移键控（Differential Phase Shift Keying,DPSK）和正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,OAM）等。用于Wi-Fi中的有FSK、MSK、BPSK、QPSK和QAM等。

IEEE 802.11协议族中采用了多种强制和可选的调制解调方法，如IEEE 802.11a的物理层采用的是OFDM，这是一种多载波的高速扩频传输技术，其调制方式有BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM。IEEE 802.11b协议则定义了高速PLCP子层，其调制方式有DBPSK、DQPSK、补码键控（CCK）和可选的分组二进制卷积码（PBCC）。IEEE 802.11g标准规定OFDM为强制执行技术，以便在2.4 GHz频段上提供IEEE 802.11a的数据传输速率，同时还要求实现IEEE 802.11b模式，并将CCK-OFDM和PBCC-22作为可选模式。这在IEEE 802.11b和IEEE 802.11a两者之间架起了一座清晰的桥梁，为真正意义上的多模无线局域网产品提供了一种更简便的手段。

下面介绍一下正交频分复用（OFDM）调制技术原理。

OFDM是一种特殊的多载波技术。它的主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的频率选择性信道，但是每个信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽可以大大消除由于多径时延造成的码间干扰的影响。

OFDM技术有如下几方面的优点：有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速传输；通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；抗窄带干扰能力很强；频谱利用率高。