WIFI基础入门--802.11--物理层概述--15

1.物理层结构

物理层被分成两个子层：物理层会聚过程(Physical Layer Convergence Procedure简称PLCP)子层以及物理媒体相关(Physical Medium Dependent简称PMD)子层。PLCP的功能在于结合来自MAC的帧与空中所传输的无线电波。PLCP同时会为帧加上自己的标头。通常，帧中会包含前导码(preamble)以协助接收数据的同步操作。不过，每种调制方式所采用的前导码均不相同，因此PLCP会为准备传送的所有帧加上自己的标头。接着由PMD负责将PLCP所传来的每个位利用天线传送至空中。物理层还包含了空闲信道评估(clear channel assessment简称CCA)功能，用来指示MAC是否检测到了信号。

2.无线链路

802.11最初的版本颁布于1997年，其中包含了三种物理层标准：
a.跳频(Frequency-hopping简称FH)扩频(spread-spectrum)无线电物理层(radio PHY)
b.直接序列(Direct-sequence简称DS)扩频无线电物理层
c.红外线(Infrared light简称IR)物理层
后来，进一步开放了三种以无线电技术为基础的物理层：
1.802.11a:正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing简称OFDM)物理层
2.802.11b:高速直接序列(High-Rate Direct Sequence简称HR/DS或HR/DSSS)物理层
3.802.11g:增强速率物理层(Extended Rate PHY简称ERP)
4.未来的802.11n，俗称多进多出(MIMO)或高吞吐量(High-Throughput)物理层

许可证与规则

通常要以特定频率传送电波必须事先取得许可证。许可证限制了可以使用哪些频率与传输功率以及可以传送到哪些地区。

频率分配与无需许可证的频带

无线频谱可以被划分为许多频带，每个频带针对特定的使用目的。每个频带定义了特定应用可以使用的频率。其中，防护频带用来防止传送信号的溢散影响到其他频带。有些频带是保留不必使用许可证的应用。FCC(以及其他各国类似的管理机构)指定了一些特定频带给"工业、科学、医疗、民用"设备使用，这些频带通常称为ISM频带。2.4GHz频带在全世界均可不经授权使用。

其他不必使用许可证的频带

其他无需使用许可证的频带范围位于5GHz。以下是全世界各个国家允许使用的一系列频谱：
a.4.92~4.98GHz(日本)
a.5.04~5.08GHz(日本)
a.5.15~5.25GHz(美国、日本)
a.5.25~5.35GHz(美国)
a.5.47~5.725GHz(美国、欧洲)
a.5.725~5.825GHz(美国)

扩频

扩频技术时使用ISM频带传送数据的基础。传统无线电通信的焦点在于如何尽可能地在最窄的频带中塞入最多的信号。扩频的运作原理是利用数学函数将信号功率分散至较大的频率范围。只要在接收端进行反向操作，就可以将这些信号重组为窄带信号。更重要的是，所有窄带噪声都会被过滤掉，因此信号可以清楚地重现。对于传统的窄带接收器而言，传输信号展开至较宽频段之后和噪声没有两样。
这不意味着扩频是可以解决干扰问题。扩频设备甚至可能与其他通信系统相互干扰，传统的窄带RF设备也是这样。虽然扩频在处理干扰问题上比其他调制技术高明，但问题并未因此而消失。但更多RF设备占据无线网络的覆盖范围时，噪声也会增多，信噪比就会因此而降低，可靠的通信范围也会跟着缩小。
为了将设备之间的干扰降至最小，限制了扩频传输所能使用的功率。

扩频的类型

802.11所采用的无线电物理层使用了三种不同的扩频技术：
1.跳频(Frequency hopping简称FH或FHSS)
跳频系统是以某种随机样式在频率间不断跳换，每个子信道只进行瞬间的传输。
2.直接序列(Direct sequence简称DS或DSSS)
直接序列系统利用数学编码函数将功率分散于较宽的频带。标准中规范了两种直接序列物理层。
3.正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing简称OFDM)
OFDM将可用信道划分为一些子信道，然后对每个子信道所要传送的部分信号进行平行编码。这种技术类似于某些DSL调制解调器所使用的离散多音频(Discrete Multi-Tone简称DMT)调制技术。

这三者中以跳频系统的价格最为低廉。虽然跳频的控制必须精确计时，但不必经过复杂的信号处理即可从无线电波信号中取出位流。直接序列系统需要较复杂的信号处理，即需要消耗更多的电力以及特殊的硬件。直接序列技术所能使用的数据传输率也比跳频系统高。

3.RF传播

在固定式网络中，信号只能在电缆限定的路劲中移动，因此网络工程师不必知道电子信号传播的物理特性。只要依循一些规则计算出每个网段所允许的最大电缆长度，就很少会出现什么问题。

信号接收与性能

空气中到处都是随机的电磁波，只要将收音机调整到没有电台的频率就可以轻易听见。无线电通信必须从背景的噪声中分辨出信号。一旦接收条件变差，信号就容易被噪声淹没。性能绝大部分取决于信噪比(signal-to-noise ratio简称SNR)这个决定性因素。以信号峰值与本底噪声之间的差异值来表示信噪比。
信号强度十分重要，但不代表一切。在充满噪声的环境中反而难以获取过强的信号。在某些情况下，可以通过加大功率作为对本底噪声太高的补偿。无许可证网络很难采用提高功率的手段，因为受到了严格的管制。因此，业界通常将比较多的精力放在如何降低噪声，即在解读电波信号之前尽量避免产生额外的噪声。

Shannon极限

无线电信道能够承载多少数据在理论上并没有极限。传输信道性能在理论上的极限，一般统称此定理为Shannon极限或Shannon性能。举一个例子，以带宽为20MHz的单一信道传送信号，数据率最高可达54Mbps，信噪比为7.4dB。

路径损耗、传输距离与吞吐量

在802.11中，网络的速度受到距离远近的影响。不同的802.11标准定义出了不同的调制方式，速度范围从1Mbps到54Mbps。接收器电路必须能够分辨不同的状态，才能将位数据从电波信号中取出。较高速的调制方式在特定时间内可封装更多的位，因此需要比较干净的信号(以及更高的信噪比)方能成功解码。
电波信号经过空间时会衰减。在802.11网络的有限范围内，本底噪声还不至于有太大的波动。不过距离一长，信号的衰减就会影响接收端的信噪比。当工作站逐渐远离接入点，信号电平就会不断下滑。即使本底噪声不变，信号的衰减就会造成信噪比的下降。与接入点间的距离增加，接收到的信号就越趋近本底噪声。距接入点较近的工作站有较高的信噪比，当信噪比过低以至于无法使用较高的速率时，工作站就会降速，以便使用信噪比要求较低的数据率。
开放空间的损耗有时也称为路径损耗，因为它是预期中经过特定长度的路径的最小损耗。路径损耗受到距离与无线电波频率的影响。距离越远或频率越高，路劲损耗就越大。802.11a的传输距离之所以比802.11b与802.11g的短，是因为802.11a所使用的5GHz的路径损耗最大。不过，路径损耗不仅受距离的影响，墙面或窗户等障碍物也会影响信号，至于天线或放大器则可用来加强信号，补偿传输时的损耗。计算距离通常会加上一种称为链路边界的虚构因素来代表无法预料的损耗。
总损耗=传输功率+传输天线增益-路径损耗-障碍物损耗-链路边界+接收天线增益

多径干扰

虽然有相当简单的公式可以预测无线电波的传播，但也只是针对802.11网络的粗略估算。除了直线的路径损耗，还有其他现象会影响802.11信号的接收。困扰无线网络的一个主要问题是多径衰落。波与波之间具有叠加性。当多个波聚集与某一个点时，所产生的波即是所有波的总和。当两个波之间几乎完全相反，叠加之后相当于什么也没有，在这种情况下，接收端就无法察觉信号的传输，因为根本没有收到信号。由于干扰是相同的传输在不同路径迟延的结果，这个现象就称为多径衰落或者多径干扰。有时候，调整接收端的方向或摆设位置即可解决多径干扰问题。

符号间干扰(ISI)

多径衰落属于符号间干扰(Inter-symbol interference简称ISI)的特例。从发送端至接收端，经过不同路径的电波，其路径不尽相同，因此彼此之间会有延迟落差，波与波之间具有叠加性，因此会造成整个波形的混淆扭曲。在实际情况中，来自不同路径的波形会互相叠加。最先到达的波形与最后到达的多径回波，两者之间的时间差称为延迟扩展。延迟扩展较长，就必须采用比较稳定的编码机制。802.11b网络可以处理500ns以下的延迟扩展，如果延迟扩展较短，性能就会更好。如果延迟扩展实在太长，有些网络就会降低传输速率。

4.802.11的RF功能

802.11一直以惊人的速度为人们所采用。如今所要面对的局域网络时在充满噪声，容易出错而且变化多端的无线链路上运行。802.11之所以能够在数据网络领域获得成功，与RF工程脱离不了关系。

RF零件

RF系统不但延伸了有线网络的范围，也和有线网络形成了互补关系。虽然RF系统的零件会因所使用的频率及信号的传送距离而异，不过所有系统基本上是相同的，其所使用的零件也不多。802.11的用户可能对两种RF零件特别感兴趣：天线与放大器。在RF系统中，天线是有形的实体，而放大器和天线形成互补关系，可以让天线输出更大的功率。

天线

天线(antenna)是RF系统中最关键的零件，因为它们负责将线路中的电子信号转换为电波以及将电波反转为电路信号。
天线必须以导电材料才能运作。无线电波遇到天线时，电子就会流入导体而产生电流；同样地，在电线施加电流就会在天线周围产生电场。施加在天线上的电流不同，电场也会随着改变。变动的电场就会产生磁场，因此形成电波。
天线的长短取决于频率：频率越高，天线越短。

放大器

放大器可以增强信号。信号的放大或增益程度是以分贝(decibel简称dB)作为测量单位。放大器大致上可以分为三种：低噪声、高功率与其它种类。低噪声放大器(Low-noise amplifier简称LNA)通常与天线连接，用来将接收到的信号放大到与RF系统连接的电子零件可识别的程度。LNA同时也可以就噪声系数区分等级，噪声系数可用来评定放大器本身所带来的不相干信息。噪声系数越小，接收器就可以识别越细微的信号，因此可以涵盖较长的距离。至于高功率放大器(High-power amplifier简称HPA),则是用来将信号提升至最大功率后传送。输出功率是以dBm作为测量单位。

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