1.4　Wi-Fi的关键技术

1.4.1　Wi-Fi的PHY层关键技术

Wi-Fi是一种能支持较高数据传输速率（1～54Mbit/s），采用微蜂窝和微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络，其关键技术大致有3种：DSSS/CCK技术、PBCC技术、OFDM技术。每种技术皆有其特点，目前调制扩频技术正成为主流，而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。

1．DSSS调制技术

基于DSSS的调制技术有3种：最初，IEEE 802.11标准制定在1Mbit/s数据速率下采用DBPSK；如提供2 Mbit/s的数据速率，要采用DQPSK，这种方法每次处理两个比特码元，成为双比特；第3种是基于CCK的QPSK，是IEEE 802.11b标准的基本数据调制方式。它采用了补码序列与直接序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过PSK方式传输数据，传输速率分别为1 Mbit/s、2 Mbit/s、5.5 Mbit/s和11 Mbit/s。CCK通过与接收端的Rake接收机配合使用，能够在高效率传输数据的同时有效地克服多径效应。IEEE 802.11b使用CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11 Mbit/s。但是传输速率超过11 Mbit/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。因此，IEEE 802.11工作组为了推动Wi-Fi的发展，又引入了新的调制技术。

2．PBCC调制技术

PBCC调制技术是由TI公司提出的，已作为IEEE 802.11g的可选项被采纳。PBCC也是单载波调制，但它与CCK不同，它使用了更多的信号星座图。PBCC采用8PSK，而CCK使用BPSK/QPSK；另外，PBCC使用了卷积码，而CCK使用区块码。因此，它们的解调过程是不同的。PBCC可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11 Mbit/s、22 Mbit/s和33 Mbit/s。

3．OFDM技术

OFDM技术其实是多载波调制（Multi-Carrier Modulation,MCM）的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。

由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱可以相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。在各个子信道中的这种正交调制和解调可以采用快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform,IFFT）和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）方法来实现，随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，IFFT和FFT都可以非常容易地实现。FFT的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性，提升了系统的性能。

无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远远大于上行链路中的数据传输量。因此无论从用户高速数据传输业务的需求，还是从无线通信自身来考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

由于无线信道存在频率选择性，所有的子信道不会同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上可以抵抗这种干扰。

另外，同单载波系统相比，OFDM还存在一些缺点，易受频率偏差的影响，存在较高的峰值平均功率比（PAR）。

OFDM系统结构框图如图1-18所示。

图1-18　OFDM系统结构框图

OFDM技术有非常广阔的发展前景，已成为第四代移动通信的核心技术。IEEE 802.11a、IEEE 802.11g标准为了支持高速数据传输均采用了OFDM调制技术。目前，OFDM结合时空编码、分集、干扰（包括符号间干扰ISI和邻道干扰ICI）抑制以及智能天线技术，最大程度地提高物理层的可靠性。如再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步优化。

4．多入多出（MIMO）

多入多出（MIMO）技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破。MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。普遍认为，MIMO将是下一代无线通信系统必然采用的关键技术。

在室内，电磁环境较为复杂，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道困难得多。多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径效应可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。图1-19所示为MIMO系统的原理图。传输信息流S（k）经过空时编码形成N个信息子流Ci（k），i＝1，…,N。这N个子流分别由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。

特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射、接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据传输速率必然提高。

图1-19　MIMO系统原理图

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而可实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰抵消处理。

系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N，M很大，则信道容量C近似为下式：

式（1-1）中，B为信号带宽，ρ为接收端平均信噪比，min（M，N）取M，N值较小者。

上式表明，功率和带宽固定时，MIMO的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。因此，MIMO技术对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。

5．MIMO-OFDM

MIMO-OFDM技术是通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和MIMO得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。图1-20和图1-21所示分别为MIMO-OFDM系统的发送、接收方案框图。

图1-20　MIMO-OFDM系统发送方案

MIMO-OFDM实现主要包括如下关键技术。

（1）发送分集。MIMO-OFDM调制方式相结合，对下行通路选用“时延分集”，它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一副天线发出的延迟一段时间。发送端引用这样的时延，可使接收的通路响应得到频率选择性。如采用适当的编码和内插，接收端可以获得“空间一频率”分集增益，而不需预知通路情况。

图1-21　MIMO-OFDM系统接收方案

（2）空间复用。为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术，也可以从两副基台天线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高的数据流分割为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线上对不同的数据流独立地编码、调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤波独立发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用，恢复出原始信号。

（3）接收分集和干扰消除。如果基台和用户终端一侧三副接收天线，可取得接收分集的效果。利用“最大比合并”（Maximal Ratio Combining,MRC）算法，将多个接收机的信号合并，得到最大信噪比（Signal Noise Ratio,SNR），可以抑制自然干扰。但是，如有两个数据流互相干扰，或者从频率复用的邻区传来干扰，MRC就不能起抑制作用。这时，利用“最小的均方误差”（Minimum Mean Square Error,MMSE）算法，它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使“信号与干扰及噪声比”（Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR）最大。

（4）软译码。上述MRC和MMSE算法生成软判决信号，供软解码器使用。软解码和SINR加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3～4dB性能增益。

（5）信道估计。其目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一地识别每副发送天线到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于相干带宽，因此可以利用内插获得训练子载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向所有用户广播发送专用信道标识时隙。在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括训练和数据子载波。

（6）同步。在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照如下方式构成：在偶数序号子载波上发送数据与训练符号，而奇数序号子载波设置为零。这样经过IFFT变换之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。

（7）自适应调制和编码。为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统容量。根据两个用户在特定位置和时间内用户的SINR统计特征，以及用户QoS的要求，存在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。QAM级别可以介于4～64，编码可以包括凿孔卷积编码与Reed-solomon编码。因此存在6种调制和编码级别，即编码模式。链路适配层算法能够在SINR统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。

目前正在开发的设备由两组IEEE 802.11a收发器、收发天线各两个（2×2）和负责运算处理过程的MIMO系统组成，支持AP和客户端之间的最大传输速率为108Mbit/s，客户端不支持该技术时（IEEE 802.11a客户端的情况），通信速率为54Mbit/s。下一代Wi-Fi协议IEEE 802.11n传输速率高达320Mbit/s，净传输速率为108Mbit/s。

1.4.2　Wi-Fi的MAC层关键技术

Wi-Fi的MAC层综合了两种工作方式：分布式协调功能和点协调功能。

（1）分布式协调功能（Distributed Coordimation Faction,DCF），类似CDMA/CD，利用载波监听机制，适用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据，支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务。

CSMA作为随机竞争类MAC协议，算法简单而且性能丰富，所以在实际局域网中得到了广泛的应用。但是在Wi-Fi中，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，Wi-Fi的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面有别于有线局域网。因此Wi-Fi与有线局域网所采用的CSMA具备一定的差异。Wi-Fi采用CSMA/CA（CSMA/Collision Avoidance）协议，与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。

与CSMA/CD不同，Wi-Fi媒体访问控制（MAC）层采用的CSMA/CA（CSMA/Collision Avoidance）协议，由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替802.3协议使用的冲突检测，采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率，以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成。并且使用RTS、CTS和ACK（Acknowledgement，接收确认）帧减少冲突。数据加密与普通局域网的等同加密（WEP）算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法。

CSMA/CA工作过程如图1-22所示。

图1-22　带RTS/CTS的DCF机制工作过程

当发射端希望发送数据时，首先检测介质是否空闲。若介质空闲，送出RTS（Request To Send，请求发送），RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息。接收端收到RTS信号后，将响应允许发送信号（CTS,Clear To Send），CTS信号上也包括RTS内记录的持续发送的时间。当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包。接收端收到数据包后，将以包内的CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）的数值来检验包数据是否正确。若是检验结果正确，接收端将响应ACK包，告知发射端数据已经被成功地接收。当发射端没有收到接收端的ACK包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。

（2）点协调功能（Point Coordination Function,PCF），建立在DCF工作方式之上并且仅支持竞争型非实时业务，适用于具备中央控制器的网络。

其工作过程如下：

希望发送数据的主机首先向AP（Acess Point）发送Association Request（连接请求）帧，并在帧的功能性能字段的CF-Pollable（可轮询CF）子字段中表明希望加入轮询表。在收到AP的ACK信息以后，主机被列入轮询列表。轮询列表中的主机按连接标识（Association ID,AID）升序排列，AID是由AP主机分配的16bit标识符。

AP发出Beacon帧表明CFP期间的开始。然后AP依次向轮询列表中的主机发出Poll帧给AP，或发送Data帧给其他非AP主机；如果在PIFS时间间隔内没有响应，则表明主机无数据要发，AP继续发出下一个Poll帧。

轮询中特殊情况：

在一个CFP期间，如果轮询列表中的主机没有轮询完，那么在下次CFP期间将从未轮询主机开始轮询；如果轮询列表中的主机已经轮询完，还剩有一段时间，AP将随机选择主机发出轮询帧。

轮询结束过程：AP发出End帧，表明CFP期间的结束，CP期间的开始。图1-23为PCF中帧传输的一个例子。

图1-23　PCF中帧传输的一个例子

1.4.3　Wi-Fi的服务质量与QoS

IEEE 802.11e工作会议上针对QoS要求的不同，将应用分为语音（Voice）、音频（Audio）、视频（Video）、交互式多媒体（Interactive Multimedia）、无仲裁的点对点通信（Peer-to-Peer communication with-out intermediary）和视频会议。

QoS是一些技术的总和，网络管理员可以通过对这些技术优化网络资源的利用，而不是简单增加带宽，达到管理网络拥塞的能力。转发设备上转发流量的接口的容量是一种基本的网络资源，QoS机制通过在流之间分配这种资源来提供不同的服务质量。它的研究内容包括体系结构、价格策略、接入控制、分类策略、转发策略等。

1．RSVP和IntServ

资源预留协议（Reservation Protocol,RSVP）是一种信令协议，主机用它在网络中预约资源。综合服务（Integrated Services,IntServ）是一个体系结构，用来提供端对端服务。它为应用程序提供了选择多个和可控制等级转发服务的能力。它有两种服务模型：有保证服务和可控制负载的服务。IntServ基于网络能够提供流量处理机制的前提下提供端到端的服务，流量处理机制是保证每个业务流的服务与其他业务流的服务严格独立的一种机制；RSVP是一种能够在网络设备中配置流量处理的机制。IntServ可以利用RSVP来建立通路和预约资源。RSVP/IntServ可以提供严格的端到端服务质量。RSVP的主要特点如下。

（1）在RSVP节点建立“软状态”信息。

（2）为接受端驱动的协议，接受端控制约束请求。

（3）能灵活地控制预约共享和子流的转发。

（4）适用于IP多播。它不是路由协议，只关心分组得到所需的QoS。RSVP有两个用途：由终端向网络为某个流申请QoS和网络节点向一个流所经的路上的所有的节点通告QoS请求。RSVP节点包含分组分类器、管理控制部分和分组调度器。

IntServ功能由四部分实现：信令协议、管理控制路由、分类器和分组调度器。管理控制路由判断一个请求能否被满足；分类器对分组进行分类并放入相应的队列；分组调度器按照制定算法分组以满足它们的QoS要求。要求有保证服务或可控制负载服务的应用在传输数据之前应建立路径并预约资源。

2．区分服务DiffServ

RSVP/IntServ存在的主要问题：

（1）节点的状态信息随流数增加而增加，扩展性差；

（2）每个节点必须都支持RSVP；

（3）有保证业务的开发工作量巨大；

（4）管理功能复杂，灵活性差。

由于RSVP/IntServ难于实现，IETF提出了区分服务DiffServ。DiffServ在IP头定义了DS域，利用该域值DSCP（DiffServ CodePoint）定义了一组每跳行为PHB以提供不同的转发机制。根据不同DSCP，转发结点采用不同PHB，提供不同等级的区分服务。

为了获得区分服务，用户应先与网络服务提供商（Internet Service Provider,ISP）协商服务等级协议（Service Level Agreement,SLA），SLA定义了网络所能提供的服务等级、每个等级所能允许的最大流量等信息。SLA可以是静态和动态的。

用户负责标识分组的DS域（也可由ISP的入口节点标识）。ISP的入口节点对分组进行分类、整形、策略，并且根据DSCP对流进行聚合，将成千上万的任务流聚合成数目很少的聚合流。内部节点不需要分类、整形、策略，只根据PHB转发分组。当分组从一个DS域进入另一个DS域，其DSCP可能会被重新标识。

DiffServ优势如下。

（1）节点的状态信息和服务等级的数目成正比，扩展性好。

（2）只在边缘节点进行分类、重标识、整形、策略，在中间节点只对聚合流进行操作。

（3）ISP之间的SLA容易扩展。其缺点在于相对区分服务不能提供端到端的服务质量保证；绝对区分服务虽然能提供，其实现要比相对区分服务复杂。

将RSVP和聚合流量处理机制组合就能解决其扩展性的问题。RSVP给网络提供了健壮的分组分类标准，通过检测RSVP分组，管理系统可以获得可靠和实时的分类信息。另外，RSVP的消息分组中包含的请求的服务类型、描述流量特征的参数、哪个网络节点影响性能等信息能沿着特定路径协调流量处理机制的配置，避免了管理员参与动态管理流量容量。基于每个会话的信令协议和聚合流处理机制的结合可以建立一个提供健壮的、高质量保证的QoS网络，同时具有很好的扩展性。