基于IP的WPAN和WLAN技术详解

# 基于IP的无线个人局域网（WPAN）和无线局域网（WLAN）技术解析 ## 1. 2.4 GHz频段信道使用规则 在2.4 GHz频段存在14个信道，但信道的使用受地区和国家的限制。不同地区和国家对信道的允许使用情况如下： | 地区/国家 | 允许使用的信道 | | --- | --- | | 北美 | 1 - 11 | | 日本 | 802.11b：全部14个；802.11g/n：1 - 13 | | 西班牙 | 10 - 11 | | 法国 | 10 - 13 | 设计者需要了解这些国家限制，IEEE使用“regdomain”术语来描述影响物理层（PHY）的国家信道、功率和时间限制。 ## 2. IEEE 802.11调制与编码技术 ### 2.1 基本原理 数字数据通过射频（RF）信号传输时，必须转换为模拟信号，这一过程在物理层完成。模拟载波信号会被离散数字信号调制，形成符号或调制字母表。以钢琴为例，若有四个键，每个键代表两位（00、01、10、11），每秒弹奏100个键，意味着每秒可传输100个符号，每个符号代表两位，则相当于一个200 bps的调制器。 ### 2.2 基本编码形式 - **幅度移位键控（ASK）**：这是一种幅度调制形式，二进制0和1分别由不同的调制幅度表示。简单形式如图所示，更高级的形式可利用额外的幅度电平以组的形式表示数据。 - **频率移位键控（FSK）**：该调制技术通过调制载波频率来表示0或1。最简单的形式是二进制频率移位键控（BPSK），用于802.11等协议。蓝牙和Z - Wave协议使用高斯频率移位键控（GFSK），它通过高斯滤波器对数据进行滤波，平滑数字脉冲并限制频谱宽度。 - **相移键控（PSK）**：主要用于802.11b、蓝牙和RFID标签，通过调制参考信号（载波信号）的相位来传输数据。PSK使用有限数量的符号，每个符号由不同的相位变化表示，每个相位编码相同数量的比特。接收端需要一个对比参考信号，计算差异以提取符号并解调数据。另一种方法是差分相移键控（DPSK），接收端无需参考信号，通过检查信号是否有相位变化来解调数据，用于802.11b。 ### 2.3 正交幅度调制（QAM） QAM是一种分层调制技术，其星座图在二维笛卡尔系统中表示编码。向量的长度代表幅度，到星座点的角度代表相位。一般来说，可编码的相位比幅度更多。例如，16 - QAM有三个幅度电平，总共12个相位角，可编码16位。802.11a和802.11g可使用16 - QAM甚至更高密度的64 - QAM。星座越密集，可表示的编码越多，吞吐量越高。但QAM有实际限制，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）产生的噪声会引入量化误差和噪声，需要高速采样信号，且信噪比（SNR）必须超过一定值才能实现良好的误码率（BER）。 ### 2.4 干扰缓解技术 802.11标准采用不同的干扰缓解技术，将信号分散在一个频段上： - **跳频扩频（FHSS）**：在2.4 GHz工业、科学和医疗（ISM）频段，将信号分散在79个1 MHz宽的非重叠信道上。使用伪随机数发生器启动跳频过程，驻留时间指跳频前使用一个信道的最短时间（400 ms）。 - **直接序列扩频（DSSS）**：首次用于802.11b协议，信道宽度为22 MHz。每个比特在传输信号中由多个比特表示，传输的数据与噪声发生器相乘，使用伪随机数序列（伪噪声PN码）将信号均匀地分散在整个频谱上。每个比特以11位码片序列（相移键控）传输，结果信号是比特与11位随机序列的异或。考虑码片速率，DSSS每秒可传输约1100万个符号。 - **正交频分复用（OFDM）**：用于IEEE 802.11a及更新的协议，将单个20 MHz信道划分为52个子信道（48个用于数据，4个用于同步和监控），使用QAM和PSM编码数据。通过快速傅里叶变换（FFT）生成每个OFDM符号，每个子信道周围有一组冗余数据，称为保护间隔（GI），用于防止相邻子载波之间的符号间干扰（ISI）。子载波非常窄，且没有用于信号保护的保护带，因为每个子载波的间隔等于符号时间的倒数，所有子载波传输完整数量的正弦波周期，解调时总和为零，设计简单，无需额外的带通滤波器成本。IEEE 802.11a每秒使用250,000个符号。OFDM通常比DSSS更高效、更密集，因此带宽更大，用于较新的协议。 ### 2.5 调制与编码方案（MCS） 每个标准可用的不同调制集合称为调制与编码方案（MCS），MCS是一个包含可用调制类型、保护间隔和编码速率的表格，可通过索引引用该表格。 ## 3. IEEE 802.11 MIMO技术 ### 3.1 基本概念 MIMO即多输入多输出，利用了之前提到的多径射频现象。多径传输意味着信号会从墙壁、门、窗户和其他障碍物反射，接收端会看到许多通过不同路径在不同时间到达的信号，这会导致信号失真和干扰，降低信号质量（多径衰落）。通过增加多个天线，MIMO系统可以通过简单地添加更多天线来线性增加给定信道的容量。 ### 3.2 MIMO的两种形式 - **空间分集**：指发射和接收分集，使用空时