引言

Wi-Fi 是一种允许多台电子装置使用无线电波以无线方式交换数据或连接互联网的技术。IEEE 802.11 设备的主要优势是它们能够以更低的成本部署局域网(LANs)。

本文从整体上概括介绍了每项802.11 标准、其物理层特点以及测试要求。

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IEEE 802.11 标准和格式

IEEE 802.11 是用来实现无线局域网(WLAN) 通信的一套介质访问控制(MAC) 和物理层(PHY) 规范。

IEEE 802.11b

802.11b 的吞吐量大幅度提高( 与原来的标准相比) 及价格大幅度下降，导致802.11b 成为无可争议的无线局域网技术，并被迅速接受。

劣势：可能会给在2.4GHz 频段内工作的其他产品带来干扰问题。在2.4GHz 范围内工作的设备包括微波炉、无绳电话、蓝牙设备、婴儿监护器和其他业余爱好者无线设备。

IEEE 802.11a

802.11a是802.11 家族里第一个在5 GHz 频段中运行的标准。它采用52 个副载波正交频分复用(OFDM)，最大原始数据速率为54 Mbit/s，一般会实现20 Mbit/s左右的吞吐量。

优势：可用信道数量更高及附近没有其他干扰系统( 微波炉、无绳电话、婴儿监护器) 为802.11a 提供了明显优于802.11b/g 的带宽和可靠性。

劣势：802.11a 的有效范围略低于802.11b/g。802.11a 信号的穿透力不如802.11b，因为它们更容易被路径中的墙壁和其他固体物体吸收，同时信号强度的路径损耗与信号频率的平方成正比。

EEE 802.11g

更高的速度及降低制造成本。为防止干扰，规定有三条不重叠的可用信道（1、6、11）

劣势：和11b一样，工作在拥挤的2.4GHz范围内，存在干扰问题。

IEEE 802.11n

802.11n 增强功能：改善了WLAN 范围、可靠性和吞吐量。它在物理层(PHY) 增加了高级信号处理和调制技术，以利用多台天线和更宽的信道。在介质访问控制(MAC) 层，协议扩展可以更高效地利用可用带宽。这些高吞吐量(HT) 增强功能相结合，可以把数据速率提升到最高600 Mbps - 比54 Mbps802.11a/g 提高了10 倍。802.11n 同时在2.4 GHz 频段和5 GHz 频段运行。可以选择支持5 GHz 频段。IEEE 802.11n 在原来的802.11 标准基础上，在物理层增加了多输入多输出(MIMO) 和40 MHz 信道，在MAC 层增加了帧汇总功能。

大多数802.11n 增强功能的背后是能够通过多台天线同时接收和/ 或发送信息。802.11n 规定了多种"M xN" 天线配置，从"1 x 1" 到"4 x 4"。MIMO 使用多台天线，以相干方式解析的信息数量要超过使用一台天线。其实现方式之一是空分复用，即在空间中复用多条独立的数据流，并在一条频谱信道的带宽内同时传送这些数据流。随着解析的空间数据流数量提高，MIMO 可以明显提高数据吞吐量。每条空间流要求在发射机和接收机同时有一台离散天线。

同时传送的数据流数量受到链路两侧使用的最低天线数量限制。但是，单独的无线电台通常会进一步限制可以承载独特数据的空间流的数量。M x N = Z 这个符号有助于确定某个无线电台的功能。第一个字母M是无线电可以使用的最大发送天线数量。第二个字母N 是无线电可以使用的最大接收天线数量。第三个字母Z 是无线电可以使用的最大数据空间流数量。例如，如果一个无线电台能够在两台天线上发送信息，在三台天线上接收信息，但只能发送或接收两条数据流，那么结果为2 x 3 : 2。
另一个可选的802.11n 功能是40 MHz 信道。以前的802.11 产品使用的信道大约宽20 MHz。802.11n 产品可以选择使用宽20 或40 MHz 的信道，前提是接入点也有40 MHz 功能。以40 MHz 带宽工作的信道提供的物理层数据速率是一条20 MHz 通道的两倍。2.4 GHz 或5 GHz 模式可以实现更宽的带宽，但不得干扰使用相同频率的任何其他802.11 或非802.11 ( 如蓝牙) 系统。

IEEE 802.11ac

为了适应更多的应用场景，如从服务器快速上传/下载大文件、车间自动化、无线显示等。

802.11ac 规范已经预计至少1 Gbps 的多站WLAN吞吐量及至少500 Mbps 的单链路吞吐量。这通过扩展802.11n 采用的空中接口概念来实现：

更宽的 RF 带宽 ( 最高 160 MHz)
更多的 MIMO 空间流 ( 最多 8 条 )
多用户 MIMO
高密度调制 ( 最高 256-QAM)。

所有802.11ac 设备都必须支持20、40 和80 MHz 通道和1 条空间流。此外，802.11ac 中还规定了多种选配功能：

更宽的信道带宽 (80+80 MHz和 160 MHz)
更高的调制支持 ( 选配 256QAM)
两条或更多的空间流 ( 最多 8 条 )
多用户 MIMO (MU-MIMO)
400 ns短保护间隔
空时分组编码 (STBC)
低密度奇偶性校验 (LDPC)

只采用强制性参数(80 MHz 带宽、1 条空间流和64-QAM 5/6) 的802.11ac 设备将能够支持大约293
Mbps 的数据速率。采用选配参数(8 条空间流、160MHz 带宽和256-QAM 5/6 及短保护间隔) 的设备将能够实现近7 Gbps 的数据速率。

OSI模型

协议结构概述

开放系统互连参考模型或OSI 模型是由国际标准化组织( 缩写为ISO) 开发的。OSI 模型是一种分层模型，它描述了信息怎样从在一台联网计算机上运行的应用程序传送到在另一台联网计算机上运行的应用程序。从本质上看，OSI 模型规定了通过传输介质从一台联网设备把数据传送到另一台联网设备使用的步骤。

802.11 标准的重点是OSI 参考模型的数据链路层和物理层。

802.11 标准覆盖了无线网络的协议和操作。它只处理OSI 参考模型两个最低的层：物理层和数据链路层( 或介质访问控制层)。其目标是使所有802.11 系列标准能够向下兼容，并在介质访问控制层(MAC) 或数据链路层实现兼容。因此，各项802.11 标准的差异只在于物理层(PHY) 特点。

数据链路层

MAC 层为在网络实体之间传送数据、检测及可能校正物理层可能发生的错误提供了功能手段和程序手段。它可以访问不同类型的物理层上基于争用的业务或无争用的业务。在MAC 层中，职责分成MAC 子层和MAC 管理子层。MAC 子层定义了访问机制和分组格式。MAC 管理子层定义了功率管理、安全和漫游服务。

物理层

物理层规定了设备的电气参数和物理参数。特别是，它规定了设备与传输介质之间的关系。物理层执行的主要功能和服务如下：

与通信介质建立连接及拆除连接。
参与在多个用户之间有效共享通信资源的流程，如争用解决和流量控制。
用户设备中数字数据表示与通过通信信道传送的相应信号之间的调制或转换。这些信号是在物理线缆( 如铜缆或光纤) 上或通过无线链路运行的信号。

物理层分为三个子层。

1. 物理层收敛程序(PLCP) 作为适配层使用。
2. PLCP 负责无干扰信道评估(CCA) 模式，为不同的物理层技术构建分组。
3. 物理介质相关(PMD) 层规定了调制技术和编码技术。PHY 管理层负责信道调谐等管理问题。

电台管理子层负责协调MAC 层与PHY 层之间的交互。本文重点介绍PHY 层，因为采用802.11 标准的不同技术的设备硬件的设计要求在这里实现。

信道分配和频谱模板

11b、11g 和11n 标准的低频部分采用位于ISM 频段中的2.400 - 2.500 GHz 频谱。11a、11n 和11ac 标准采用管制更加严格的4.915 - 5.825 GHz 频段。这些频段通常称为"2.4 GHz 和5 GHz 频段"。每个频谱都细分成多条拥有一个中心频率和带宽的信道，其方式与商用频谱细分方式类似。

2.4 GHz 频段分成14 条相距5 MHz 的信道，信道1的中心频率为2.412 GHz 。由于各国之间的法规差异，5.725 - 5.875 GHz 频谱的信道编号直观度较差。

信道带宽

11a 无线电采用5 GHz 无需牌照的国家信息基础设施(UNII) 频段中12 条不重叠的20 MHz 信道中的一条信道。

802.11ac 将包括支持80 MHz 带宽，选配支持160MHz 带宽。802.11ac 设备必须支持20、40 和80
MHz 信道带宽接收和传输。80 MHz 通道将由两条相邻的不重叠的40 MHz 信道组成。160 MHz 信道将由两条80 MHz 信道组成，这两条信道可以相邻( 邻接)，也可以不相邻。但必需认识到，2.4 和5 GHz 频段不能变得更大了。所有802.11 标准的产品都必须共享相同的带宽。只有在有可用的频谱时，才能使用更宽的带宽。正因如此，许多802.11n WLAN 最后可能只使用5 GHz 频段中的40 MHz 信道。

频谱模板

11b标准的频谱模板

频谱模板规定了每条信道中允许的功率分配。频谱模板要求信号以指定的频率偏置衰减到特定电平( 从峰值幅度)。上图显示了802.11b 标准使用的频谱模板。能量从峰值下落得非常快，但必需注意仍会辐射到其他信道的RF 能量。我们在下一节中将进一步对此展开讨论。

802.11a/g/n/ac 使用的OFDM 频谱模板

对采用OFDM 编码方式的11a、11g、11n 和11ac 标准来说，它们都有一个看上去完全不同的频谱模板( 上图)。OFDM 可以实现更密集的频谱效率，从而实现高于802.11b 中的BPSK/QPSK 技术的数据吞吐量。

重叠信道

信道对无线电来说，它们被分配到工作的特定频谱。从信道分布图及802.11 频谱模板所示，可以明显看出，大量的RF 能量正进入相邻信道。由于频谱模板只规定了特定频率偏置上的功率输出限制，因此通常假设信道的能量不会扩展到这些极限之上。更准确地说，鉴于信道之间的间隔，任意信道上的重叠信号应被足够衰减，以对任何其他信道上的发射机干扰达到最小。

对802.11 标准，只有部分信道被视为不重叠。

发送设备之间要求的信道间隔经常出现混淆。802.11b 标准基于DSSS 调制， 采用22 MHz 的信道带宽，得到三条“不重叠的”信道(1、6 和11)。802.11g 基于OFDM 调制，采用20 MHz 的信道带宽。得到三条“不重叠的”信道(1、6 和11)。上图重点介绍了2.4 GHz 频段中可能不重叠的信道。信道之间重叠可能会导致信号质量和吞吐量不可接受地劣化。

RF 能量“排放”到多条邻道的频率中，导致接入点可能实际占用多条重叠信道。

802.11b/g/n 信道重叠进一步提高了ISM 使用的复杂度。在802.11b/g/n 无线电传送信号时，被调制的信号设计成从信道中心频率落在其带宽内。但是，RF能量最终会“排放”到多条邻道的频率中。结果，每个802.11b/g/n 接入点实际上都会占用多条重叠信道( 参见上图)。在ISM 频段的40 MHz 802.11n 信道上传送数据加剧了这种稀缺性，它占用9 条信道：中心频率外加左右各4 条信道。在拥挤的ISM 频段中很少能找到没有使用的邻道，因此，40 MHz 802.11n 操作极可能会干扰现有的802.11b/g 接入点。为解决这个问题，使用40 MHz 信道的802.11n 接入点必须侦听传统设备( 或其他非40 MHz HT)，提供共存机制。(信道干扰的严重性)

各国法规

802.11 信道的提供情况由各国规定，在一定程度上受到各国为各种服务分配无线电频谱的方式限制( 表3和表4)。例如，日本允许802.11b 使用全部14 条信道，IEEE 使用“regdomain”一词表示法律规定的地区。不同国家规定了不同水平的允许的发射机功率、可以占用信道的时间以及提供的不同信道。IEEE 为美国、加拿大、ETSI( 欧洲)、西班牙、法国、日本和中国规定了域代码。regdomain 设置通常很难或不可能改变，这样就不会与本地法规机构( 如美国的联邦通信委员会) 产生冲突。

中心频率被给予宽20 MHz 或40 MHz 的信道。80 MHz 信道建有多条相邻的40 MHz信道。160 MHz 信道建有多条相邻的80 MHz 信道。80 MHz 和160 MHz 的中心频率与本表提供的中心频率不同。

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物理层(PHY) 帧结构

物理层(PHY) 帧结构

802.11 物理层使用突发传输或分组。每个分组包含一个前置码、包头和净荷数据( 图11)。前置码允许接收机获得时间和频率同步，估算信道特点、以实现均衡。这是一个位顺序，接收机观察这个位顺序，锁定到传输其余部分。包头提供了与包配置有关的信息，如格式、数据速率、等等。最后，净荷数据包含传送的用户净荷数据。
802.11 标准规定了数据传输及无线链路管理和控制使用的“帧”类型。在顶层，这些帧分成三种功能：管理帧、控制帧和数据帧。每个帧包含一个MAC 包头、净荷和帧校验顺序(FCS)。某些帧可能没有净荷。MAC 包头的前两个字节构成了一个帧控制字段，指明了帧的形式和功能。帧控制字段进一步分成下列子字段：

协议版本：两位，表示协议版本。目前使用的协议版本为零。其他值预留给将来使用。
类型：两位，指明 WLAN 帧的类型。控制帧、数据帧和管理帧是IEEE 802.11 中规定的不同帧类型。
子类型：四位，进一步区分各个帧。类型和子类型一起识别具体帧。
ToDS 和 FromDS：每个长度都为一位。它们指明数据帧是否指向分布系统。控制帧和管理帧把这些值设置为零。所有数据帧都设置其中一个位，但IBSS 网络内部的通信一直把这些位设置为零。
More Fragments(更多段)：在包分成多个帧传输时设置More Fragments( 更多段) 位。除包的最后的帧外，每个帧都设置这个位。
重试：有时候帧要求重传，为此有一个Retry(重试)位，在重新发送帧时，这个重试位设置成1。这可以帮助消除重复的帧。
功率管理：这个位指明帧交换结束后发送方的功率管理状态。接入点必须管理连接，永远不能设置节电装置位。
More Data( 更多数据 )：More Data( 更多数据 ) 位用来缓冲分布式系统中收到的帧。接入点使用这个位，便于电台使用节电模式。它表明至少有一个帧，并能满足连接的所有电台。
WEP：在处理帧之后修改 WEP 位。在一个帧已经被解密时，它拨到1；或者如果没有设置加密，那么它已经是1。
Order( 较老 )：只有在采用“严格排序”传送时才设置这个位。帧和段并不是一直按顺序发送的，因为它会引起传输性能代价。

下面两个字节预留给Duration ID( 持续时间ID) 字段。这个字段可以采取三种形式之一：持续时间、无争用时间周期(CFP) 和关联号(AID)。一个802.11 帧最多有4 个地址字段。每个字段可以承载一个MAC 地址。地址1 是接收机，地址2 是发射机，地址3 用于接收进行过滤。Sequence Control( 顺序控制) 字段是一个两字节段，用来识别消息顺序，消除重复帧。前4 个位用于段号，最后12 个位是序列号。有一个可选的2 字节服务质量控制字段，这是802.11e 增加的字段。FrameBody( 帧体) 字段长度是可变的，长度为0 - 2304 字节外加来自安全封装的任何开销，它包含着来自更高层的信息。帧校验顺序(FCS) 是标准802.11 帧中最后4 个字节。它通常称为循环冗余校验(CRC)，允许校验检索的帧的完整性。要发送帧时，会计算和追加FCS。在电台收到一个帧时，它可以计算帧的FCS，并把它与收到的帧进行比较。如果两者匹配，则视为帧在传输过程中没有失真。

管理帧

管理帧用来维持通信。某些常用的802.11 子类型包括：

鉴权帧：802.11 鉴权过程首先使用无线网络接口控制器(WNIC) 向接入点发送一个鉴权帧，其中包含其身份。在开放系统鉴权中，WNIC 只发送一个鉴权帧，接入点应答一个自己的鉴权帧，指明接受或拒绝。在共享密钥鉴权中，在WNIC 发送初始鉴权请求后，它将从接入点中收到一个鉴权帧，其中包含质询文本。WNIC 把一个包含加密版质询文本的鉴权帧发送到接入点。通过使用自己的密钥解码，接入点确保文本使用正确密钥加密。这个流程的结果决定着WNIC 的鉴权状态。

关联请求帧：从一个电台发送，使得接入点能够分配资源及同步。这个帧承载与WNIC 有关的信息，包括支持的数据速率及电台希望关联的网络的SSID。如果请求被接受，接入点会预留内存，为WNIC 建立一个关联号。

关联应答帧：从接入点发送到电台，包含对关联请求的接受或拒绝信息。如果是接受，那么这个帧中将包含关联号及支持的数据速率等信息。

信标帧：定期从接入点发出，宣称其存在，为范围内的WNIC 提供SSIC 和其他参数。反

鉴权帧：从希望与另一个电台拆线的电台发出。

去关联帧：从希望拆线的电台发出。它提供了一种优异的方式，允许接入点释放内存分配，从关联表中删除WNIC。

探测请求帧：在要求另一个电台提供信息时从一个电台发出。

探测应答帧：在收到探测请求帧后从一个接入点发出，包含功能信息、支持的数据速率等。

再关联请求帧：WNIC 在从当前关联的接入点范围掉线，并发现另一个信号更强的接入点时，它会发出再关联请求。新接入点协调转发以前接入点缓冲器中仍包含的任何信息。

再关联响应帧：从接入点发出，包含对 WNIC 再关联请求帧的接受或拒绝。这个帧包含着关联要求的信息，如关联号和支持的数据速率。

控制帧

控制帧便于在电台之间交换数据帧。某些常用的802.11 控制帧包括：

确认 (ACK) 帧：在收到数据帧后，如果没有发现错误，接收站将向发送站发送一个ACK 帧。如果发送站在预定的时间周期内没有收到ACK 帧，那么发送站将重发这个帧。

发送请求 (RTS) 帧：RTS 和 CTS 帧为拥有隐藏站的接入点提供选配的碰撞减少方式。在发送数据帧之前，电台先发送一个RTS 帧，作为要求的双向握手的第一步。

发送清除(CTS)帧：电台对RTS帧应答一个CTS帧。它为请求站发送数据帧提供清除功能。通过包括一个时间值，CTS 提供碰撞控制管理，在这个时间内，在请求站传送信息时，所有其他站都抑制传输。

数据帧

数据帧在帧体中承载更高级的协议数据。根据数据帧的特定类型，图中某些字段可能不会使用。可以根据功能对不同的数据帧类型归类。其中一种分类是基于争用的服务使用的数据帧与无争用服务使用的数据帧。只在无争用周期内出现的任何帧永远都不能用于独立基本服务集(IBSS) 中。另一种分类方式是承载数据的帧与执行管理功能的帧。表5 说明了可以怎样根据这些界限划分不同类型的帧。

802.11n 包格式

有两种802.11n 运行模式：绿地模式(HT) 和混合模式( 非HT)。绿地模式只能用于没有传统系统的环境中。HT 系统不能在绿地模式和混合模式之间切换，它们只能使用其中一种模式。采用非HT 模式的802.11n接入点以老802.11a/g 格式发送所有帧，从而传统电台能够理解这些帧。这种接入点必须使用20 MHz 信道，本文中没有介绍HT 新功能。所有产品都必须支持这种模式，以保证向下兼容能力，但采用非HT 模式的802.11n接入点提供的性能不会优于802.11a/g。必须遵守的HT 混合模式是最常用的802.11n AP 工作模式。在这种模式下，HT 增强功能可以与HT 保护机制同时使用，HT 保护机制允许与传统电台通信。HT混合模式提供了向下兼容能力，但与绿地模式相比，802.11n 设备要付出明显的吞吐量代价。

物理层调制格式

物理层调制格式和编码速率决定着怎样在空中及以什么数据速率发送802.11 数据。例如，直序扩频(DSSS)用于早期802.11 标准中，正交频分复用(OFDM) 则正在被许多之后的标准使用。一般来说，调制方式和编码速率越新，效率越高，保持的数据速率也越高，但其仍支持较老的调制方法和速率，以实现向下兼容能力。表6 重点介绍了每项802.11 标准的调制格式。这一节更详细地讨论了当前使用的两种主要调制技术：DSSS 和OFDM。

DSSS-直序扩频

对最初的传统802.11 和802.11b 标准，它们采用直序扩频(DSSS) 调制技术。与其他扩频技术一样，发送的信号占用的带宽要超过调制载波或广播频率的信息信号。“扩频”一词源于载波信号发生在设备发送频率的整个带宽( 频谱) 上这一事实。直序扩频传输把发送的数据乘以一个“噪声”信号。这个噪声信号是由1 和-1 两个值组成的伪随机序列，其频率远远高于原始信号。得到的信号类似于白噪声，与“静态”的音频记录类似。然后可以使用这种类似噪声的信号，通过把它乘以相同的伪随机号(PN) 顺序( 因为1 × 1 = 1 和-1× -1 = 1)，在接收端精确地重建原始数据。这个流程称为“反扩”，它以数字方式在发送的PN 顺序与接收机认为发射机正在使用的PN顺序之间建立关联。增强信道上信噪比的效应称为处理增益。通过采用更长的PN 顺序及每个位更多的码片，可以进一步扩大这种效应，但用来生成PN 顺序的物理设备会给可以实现的处理增益带来实际限制。如果一台不希望的发射机在同一条信道上传送信号，但其采用不同的PN 顺序( 或根本没有顺序)，反扩流程对该信号不会产生处理增益。这种效应是DSSS 码分多址(CDMA) 特性的基础，允许多台发射机在PN顺序交叉关联特点的极限范围内共享同一条信道。

图18 显示了发送的波形图以载频为中心大体呈钟状，就像正常AM 传输一样，但有一点除外，增加的噪声会导致分布远远宽于AM 传输。相比之下，跳频扩频以伪随机方式重新调谐载波，而不是在数据中增加伪随机噪声，后者会得到正态频率分布，其宽度由伪随机数字发生器的输出范围确定。

DSSS 调制采用一种两阶段流程。在第一阶段，1 位或2 位数据使用差分BPSK (DBPSK) 或差分QPSK (DQPSK) 方式编码。这两种编码方式都以1 M符号/ 秒的速度生成复数值IQ 符号。由于DBPSK 每个符号承载1个位，因此它会得到1 Mbps数据吞吐量，DQPSK 则得到2 Mbps 吞吐量，把DBPSK 的容量有效翻一番。DQPSK 更高效地使用频谱，但降低了抗噪声和抗其他干扰的能力。根据差分编码，其应用11码片巴克码扩展，把速率为1 M 符号/ 秒的符号转换成11 M 码片/ 秒的码片顺序。然后，这些码片在RF为把数据速率提高到2 Mbps 以上，802.11b 还规定了互补键控(CCK) 技术，其中包括适用于5.5 Mbps和11 Mbps 数据速率的一套8 片代码字。CCK 代码字拥有独特的数学属性，即使在存在明显噪声和多径干扰时，接收机仍正确把它们区分开来。5.5 Mbps 速率使用CCK，每个符号编码4 个比特；11 Mbps 速率每个符号编码4 个比特。这两种速度都采用QPSK 作为调制技术，可以实现更高的数据速率( 图20)。

CCK

DSSS有Barker和CCK两种码结构模式，最后对应到物理层的速率会不一样。Barker码速率是1M/2Mbps。11b的基本单元是chip，chip rate是11Mbps。根据其采用的扩频编码的效率，比如Barker码效率是1/11，故最终计算速率就是1Mbps。相当于11个chip组成一个symbol，传递1个bit。

Barker就是一串编码，用11位表示一个位。最大的特制就是位移自相关处处接近于0，这点导致其可以有效识别多径并做后期处理。

CCK编码时方向会发生变化，结合相位同时进行编码，故可以提高编码效率。注意图20中CCK没有巴克码，直接传输11M码片/秒。

正交频分复用(OFDM)

正交频分复用(OFDM) 是一种在多个副载频上编码数字数据的方法。通过把数据分成多条隔行扫描的、在一个单独副载波上调制的并行码流，OFDM 可以传输宽带高数据速率信息。这种调制技术为消除多路传播和符号间干扰(ISI) 的负面效应提供了一个强健的解决方案。由于能够提供多种调制和编码方式，它可以简便地适应并改善信道质量。多种选择允许系统适应当前信号条件下最优的数据速率。图22 显示了802.11acOFDM 信号实例。

过去，信道之间的间隔通常要高于符号速率，以避免频谱重叠。但在OFDM 系统中，多个副载波重叠在一起，节约了带宽。使多个副载波相互保持正交可以控制副载波干扰。正交意味着多个副载波之间存在着数学关系。在OFDM 中，高速率数据信号被均等地分布在多个副载波中。这降低了数据速率，提高了副载波的符号持续时间，从而降低了多径延迟扩展在时间上导致的相对色散量。相位噪声和非线性失真给正交损耗的影响最大，导致了载波间干扰(ICI)。它增加了一个保护间隔，帮助防止ICI 及ISI。数据速率较慢的信号耐多径衰减和干扰的能力更强。

OFDM 较单载波方案的主要优势是其能够处理严峻的信道条件( 如由于多径导致的频选衰落)，而不需使用复杂的均衡滤波器。信道均衡得到简化，因为OFDM可以视为使用多个缓慢调制的窄带信号，而不是迅速调制的宽带信号。低符号速率可以经济地利用符号之间的保护间隔，可望消除符号间干扰(ISI)，并采用回声和时间扩展，实现分集增益，即改善信噪比。

数据调制和编码(FEC) 组合

前向纠错(FEC) 或信道编码技术用来控制通过不可靠的或有噪声的通信信道传输数据时的错误。其中心理念是发送方使用纠错代码(ECC)，以冗余方式对消息编码。冗余使得接收方可以检测消息中任何地方发生的数量有限的错误，通常在不需重传的情况下校正这些错误。FEC 使得接收机能够校正错误，而不需反向信道请求重传数据，但其代价是占用固定的更高的前向信道带宽。

在数字通信中，码片是直序扩频(DSSS) 代码的一个脉冲。代码的码片速率是代码传送( 或接收) 的每秒脉冲数量( 每秒码片数)。码片速率大于符号速率，也就是说，多个码片代表一个符号。

调制和编码方式(MCS)

这是高吞吐量(HT) 物理层(PHY) 参数的一个指标，其中由调制顺序( 如BPSK,QPSK, 16-QAM, 64-QAM) 和前向纠错(FEC) 编码速率( 如1/2, 2/3, 3/4, 5/6) 组成。

剖析WLAN 设备

Wi-Fi 网络结构

Wi-Fi 的网络结构包括两种模式：基础结构模式（Infrastructure mode）和 自组网模式（Ad Hoc）

基础结构模式

无线网络中设备包括： 至少一个无线接入点（AP），若干个无线终端设备（STA）

一个AP和若干个STA组成基本服务集合 （BSS Basic Service Set）

两个或者多个基本服务集（BSS）构成扩展服务集 (ESS Extended Service Set)。

自组网模式

Ad Hoc (ADaptive Heuristic for Opponent Classification)， 是一种、无中心的、自组织无线网络。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。
Ad Hoc模式又称为点对点（pear to pear）模式。
在Wi-Fi中，Ad Hoc网络相当于独立式基本服务集（IBSS， Independent Basic Service Set）。IBSS由若干终端设备（STA）组成临时性网络，各个STA之间可以直接通信。

WLAN 工作流程

为连接到WLAN 网络上，设备必须配备一个无线网络接口控制器。计算机和接口控制器的组合称为一个电台(STA)。所有电台都共享一条无线频率通信信道。传送范围内所有电台都接收这条信道上传送的数据。每个电台在无线频率通信信道上不断调谐，以捡拾提供的传输。在位于配置成允许连接的无线网络的范围内时，支持Wi-Fi 的设备可以连接到互联网。一个或多个( 互连)接入点的覆盖范围可以从最小几个房间的区域扩展到几平方英里的范围。更大面积的覆盖范围可能要求覆盖范围相互叠加的一组接入点。
构成联合的一组无线电台(STA) 称为基本服务集或BSS。BSS 有两种：特定BSS 和基础设施BSS。特定BSS 在多个STA 之间提供直接通信，但不包括中央控制。在基础设施BSS 中，多个STA 与一个接入点(AP) 关联，接入点还可以连接到网络上( 图24)。本节概括介绍在802.11 设备之间建立通信链路和传送数据的WLAN 工作流程。

剖析WLAN 设备

图25 是是无线电系统简单的WLAN 设计方框图。与大多数电子系统一样，无线电设计越新，集成度越高，但在性能上必须做出折衷。

接收机灵敏度非常重要，因为它决定着WLAN 链路可以工作的最大范围。另外还有辅助的系统优势。如果一条链路由于错包率较低导致比另一条链路更快地结束传输，那么它可以降低电池耗电量，同时减少对其他用户的干扰。在真实世界环境中，干扰抑制和线性度将直接影响无线电的性能。在短训练序列中进行的接收信号强度指示(RSSI) 测试决定着特定突发切换到哪条路径。
在发送一侧，通常必需包括一个外部功放(PA)。成本、耗电量和线性度相结合，需要在进行这一选择时特别注意细节。尽管可以隔离测试模拟硬件，但它必需与基带电路的DSP ( 数字信号处理) 结合在一起，才能构成一台完整的收发机。

建立联系

在设备第一次开机时，MAC 层上方的软件会激励设备建立联系。设备将使用主动扫描或被动扫描。IEEE 规范支持不同的实现方式，因此设备之间的特点会有所差异。

被动扫描使用信标和探测请求。在选择一条信道后，扫描设备侦听来自其他设备的信标或探测请求。在被动扫描中，客户端要等待接收来自接入点的信标帧。信标从一个接入点传送，包含与接入点有关的信息及定时参考。与其他传输一样，它们要经过无干扰信道测试，因此可能会发生延迟。设备搜索网络，它侦听信道，直到发现一个可以加入的合适网络。

在主动扫描中，设备试图通过发送探测请求帧来定位接入点，并等待接入点发回探测响应。寻求建立联系的设备侦听无干扰信道，发送探测请求。探测请求帧可以是定向请求，也可以是广播探测请求。来自接入点的探测响应帧与信标帧类似。根据接入点的响应，客户端做出与连接接入点有关的决策。主动扫描建立联系的速度较快，但它耗用的电池电量较高。

同步

接入点按定期间隔周期性地广播一个信标帧或包，一般为每100 ms 一次，这称为目标信标发送时间或TBTT。信标承载法规、功能和BSS 管理信息，包括：

支持的数据速率
SSID - 服务集合 ID ( 接入点的昵称 )
时间标记 ( 同步 )

接入点还使用信标宣称其功能，被动扫描的客户端使用这些信息，制订连接接入点的决策。这对保持所有客户端与接入点同步，以使客户端执行节能等功能必不可少。

鉴权

然后，接入点必需对电台鉴权，以便加入接入点网络。在开放网络中，设备发送一个鉴权请求，接入点发回结果。在安全网络中，有更正式的鉴权流程。802.1X鉴权涉及三方：接入点、设备和鉴权服务器，鉴权服务器一般是一台主机，运行着支持要求的协议的软件。接入点提供安全功能，保护网络。只有设备的身份经过验证并得到授权时，才允许设备通过接入点接入网络受保护的一侧。如果鉴权服务器确定凭证有效，那么将允许请求方( 客户端设备) 接入位于网络上受保护一方的资源。

关联

鉴权之后是关联，它可以在设备和接入点之间传送数据。设备把一个关联请求帧发到接入点，接入点对客户端应答一个关联响应帧，要么允许关联，要么不允许关联。一旦关联成功，接入点会向客户端发行一个关联号，把客户端增加到其连接的客户端数据库中。

交换数据

只有在鉴权和关联之后，才允许传送数据。如果没有正确鉴权和关联就试图向接入点发送数据，会导致接入点应答反鉴权帧。数据帧会一直被确认。如果设备向接入点发送一个数据帧，那么接入点必须发送一个确认。如果接入点向设备发送一个数据帧，那么设备必须发送一个确认。接入点将把从客户端收到的数据帧转发到有线网络上要求的目的地。它还转发从有线网络定向到客户端的数据。接入点还可以在两个客户端之间转换业务，但这种情况并不常见。

进行发射机测量

发射机损伤会降低WLAN 系统的性能，甚至阻碍RF设备协同工作。发射机测试具有重要意义，因为通过先分析发送的输出，可以迅速发现某些收发机问题。由于在发送侧和接收侧之间共享本振(LO)，因此在发射机测试期间将看到影响接收机的任何本振问题。本节重点介绍已经指定的、确保设备满足802.11 标准及性能的测试。

发射机测试条件

IEEE 802.11 标准决定着发射机测试条件，但它不包括测试模式功能的任何空中控制。必须通过可以在WLAN 设备或模块接入的测试端口来执行测试。在测试设备时，要确认其没有与其他WLAN 设备交互。此外，必需控制测试的特定标准(a,b,g,..)。通常需要特定设备软件或专有软件，控制设备完成特定测试模式。标准规定了各种测试模式，控制着无线电的工作状态和发射机参数。使用独立测试设备和软件控制这些设备要求测试工程师要特别注意测量触发和定时。

发射机测试

发射机功率

跳频扩频(FHSS) PHY (14.7.14.2) 的PMD 发送规范中规定了帧的标称发送功率。人们根据地区法规机构规定的作法测量允许的最大输出功率。否则，人们会作为整个分组上的平均功率完成测量，而不是信号类型。

发送频谱模板

每个标准变种都规定了发送频谱模板。这个模板提供了信道上允许分配的信号功率的极限。对DSSS PHY，fc - 22 MHz < f < fc -11 MHz 和fc +11 MHz< f < fc + 22 MHz的发送频谱产物应小于-30 dBr (相对于SINx/x 峰值的dB)，f < fc -22 MHz 和f > fc +22 MHz 的发送频谱产物应小于-50 dBr，其中fc 是信道中心频率。图7 显示了发送频谱模板。应使用100 kHz 解析带宽和30 kHz 视频带宽进行测量。对OFDM PHY，发送频谱模板还可以由法规限制界定。在存在额外的法规限制时，设备必需同时满足法规要求及IEEE 标准规定的模板，其辐射在任何频率偏置上不能高于法规和默认模板中规定的最小值。发送的信号的发送频谱密度应落在频谱模板内，如图8 所示。可以使用频谱模板诊断信号中存在的失真( 如压缩)或到邻道的、可能损害邻道信号质量的任何泄漏。

频谱平坦度

频谱平坦度是衡量OFDM 信号中副载波功率变化的指标。它应用来保证功率均匀扩展到信道中，检测输出滤波器性能问题。802.11n 标准(HT PHY) 对频谱平坦度的规定如下：在20 MHz 信道及40 MHz 信道相应的20 MHz 传输中，指数为+1 到+16 和+1 到+16 的每个副载波中的星座图的平均能量距其平均能量的偏移量不得超过± 4 dB。指数为-28 到-17 和+17 到+28 的每个副载波的平均能量距指数为-16到-1 和+1 到+16 的副载波的平均能量的偏移量不得超过+4/-6 dB。

在40 MHz 传输中( 不包括MCS 32 格式和非HT 复制格式)，指数为-42 到-2 和+2 到+42 的每个副载波中的星座图的平均能量距其平均能量的偏移量不得超过± 4 dB。指数为-43 到-58 和+43 到+58的副载波的平均能量距指数为-42 到-2 和+2 到+42 的每个副载波的平均能量的偏移量不得超过+4/-6 dB。

在MCS 32 格式和非HT 复制格式下，指数为-42到-33、-31 到-6、+6 到+31 和+33 到+42 的每个副载波中的星座图的平均能量距平均能量的偏移量不得超过± 4 dB。指数为-43 到-58 和+43 到+58的每个副载波的平均能量距指数为-42 到-33、-31到-6、+6 到+31 和+33 到+42 的副载波的平均能量的偏移量不得超过+4/-6 dB。频谱平坦度要求的测试可以使用空间映射执行。

发送中心频率容限

发射机中心频率容限对5 GHz 频段最大为± 20ppm，对2.4 GHz 最大为± 25 ppm。不同的发送链中心频率(LO) 及每个发送链符号时钟频率均应从相同的参考振荡器中导出。

发送中心频率泄漏

某些发射机实现方案可能会导致中心频率成分泄漏。这些载波泄漏可能会由于DC 偏置而发生在某些发射机中。这种问题在接收机一侧表现为发送中心频率的能量。基于OFDM 的接收机系统通常采用某种方式，来消除载波泄漏。对20 MHz 信道宽度中的传输，IEEE 强制要求发射机中心频率泄漏相对于整体发送功率不得超过-15 dB，或相对于其余副载波的平均能量不得超过+2 dB。对40 MHz 信道宽度中的传输，中心频率泄漏相对于整体发送功率不得超过-20dB，或相对于其余副载波的平均能量不得超过0dB。对40 MHz 信道中的上方或下方20 MHz 传输，中心频率泄漏(40 MHz 信道的中心) 相对于整体发送功率不得超过-17 dB，或相对于其余副载波的平均能量不得超过0 dB。

对802.11ac，除RF LO 落在两个频段之外的不相邻的80+80 MHz 以外，所有格式和带宽都应满足下述要求：

在 RF 本振位于发送带宽中心时，在使用 312.5kHz 分辨率在传输带宽中心测得的功率不得超过发送的突发每个副载波的平均功率。在RF本振没有在发送带宽的中心时，在使用312.5kHz 分辨率在传输带宽中心测得的功率相对于总发送功率不得超过-32 dB，不得超过-20 dBm。对RF 本振落到两个频段之外的80+80 MHz 传输，RF本振应遵守标准中规定的频谱模板要求。发送中心频率泄漏按每个天线规定。

发射机星座误差

发送调制测试包括检验星座图及测量误差矢量幅度(EVM)。这些测试提供了与整个发送链中可能会影响信号质量的各类失真有关的关键信息。

发送星座误差（也称为EVM RMS）是实际星座点距星座图中理想的无差错位置的RMS 平均偏差( 用%RMS 或dB 表示)。RMS 误差在多个副载波、OFDM帧和包上平均。这个指标可以检测压缩、动态范围、I/Q 误差、干扰和相位噪声等不理想特点。IEEE 强制要求在至少20 个帧(Nf) 上执行测试，每个帧至少长16个OFDM 符号。这些符号使用随机数据。

发射机调制精度(EVM) 测试

这一测试基本重复发射机星座误差。

符号时钟频率容限

符号时钟频率容限对5 GHz 频段最大为± 20 ppm，对2.4 GHz 频段最大为± 25 ppm。所有发送天线的发送中心频率和符号时钟频率应从相同的参考振荡器中导出。

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IEEE802.11发射机要求

802.11 和802.11b 发射机要求

802.11a 发射机要求

802.11g 和802.11n 发射机要求

802.11ac 发射机要求