綜合布線系統工程：無線局域網物理層

一、物理層三種接口方式

無線局域網的物理層共有三種接口方式，如下所示：

□跳頻擴頻（FHSS）子層物理層接口。FHSS規范定義了物理層幀的格式，通過跳頻功能和頻移鍵控調制技術（PMD）利用它們將二進制數據幀轉換為適合無線電波傳播的信號，通過PMD使用FHSS發送數據幀。

□直接序列擴頻（DSSS）物理接口。DSSSPLCP規范定義了物理層幀的格式。DSSSPMD解釋工作站如何利用DSSS發送幀。通過PMD將二進制數據幀轉換成適合無線波傳播的信號。

□紅外線（IR）物理層接口。通過對PMD工作站利用紅外線物理層發送幀以及PMD利用調制技術將二進制數據幀轉換成適合紅外線光傳播的信號。

為了能夠說明這種物理接口，還需要介紹物理層結構和物理層操作。

二、物理層結構與功能

1.物理層結構組成

物理層（Physical Layer）與mac層管理相連，為物理提供管理功能。物理層結構由三部分組成，如圖1所示。

圖1 物理層結構

1）物理層會聚過程子層（Physical Layer Convergence Procedure，PLCP）：MAC層和PLCP通過物理層服務訪問點（SAP）利用原語進行通信。MAC層發出指示后，PLCP就開始準備需要傳輸的介質協議數據單元（MPDU）OPLCP也從無線介質向MAC層傳遞引入幀。

PLCP為MPDU附加字段，字段中包含物理層發送器和接收器所需的信息。802.11標準稱這個合成幀為PLCP協議數據單元（PPDU）OPPDU的幀結構提供了工作站之間MPDU的異步傳輸，因此，接收工作站的物理層必須同步每個單獨的即將到來的幀。

2）物理介質依賴（PMD）子層：在PLCPT，PMD支持兩個工作站之間通過無線介質實現物理層實體的發送和接收。為了實現以上功能，PMD需直接面向無線介質（空氣），并向幀傳送提供調制和解調。PLCP和PMD之間通過原語通信，控制發送和接收功能。

3）三種物理介質接口：FHSS物理介質依賴（PMD）子層接口、DSSS物理介質依賴（PMD）子層接口和IR物理介質依賴（PMD）子層接口。

2.物理層接口操作與功能

物理層的三種接口操作基本相近。為了實現PLCP功能，802.11標準規范了狀態機的使用。

每種狀態實現下面的一種功能：

□載波偵聽：判斷介質的狀態。

□傳送：發送數據幀的單個字節。

□接收：接收數據幀的單個字節。

這些功能的實現離不開物理層服務原語現對于原語作簡要介紹。

物理層是通過12條服務原語與MC層通信的。

1）PHY-DATA.request：從MAC層向物理層傳送數據的一個字節。這個原語只有在物理層發出PHY-TXSTART.confirm原語后，才有可能出現。

2）PHY-DATA.indication：從物理層向MAC層傳送接收到的數據的一個字節。

3）PHY-DATA.confirm：一條物理層發向MAC層的原語，用于確認數據從MAC層傳送到了物理層。

4）PHY-TXSTART.request：從MAC層發往物理層的請求原語，請求開始一個MPDU的傳送。

5）PHY-TXSTART.confirm：從物理層發往MAC層一條原語，用于確認一個MPDU傳送的開始。

6）PHY-TXEND.request：一條從MAC層發往物理層的請求原語，請求結束一個MPDU的傳送。當MAC層接收MPDU的最后一條PHY-DATA.confirm原語后，就發布PHY-TAEND.request。

7）PHY-TXEND.confirm：一條從物理層發往PAC層原語，用于確認一個MPDU傳送的結束。

8）PHY-CCARESET.request：一條從MAC層發往物理層的請求原語，用于確認信道評價狀態機的復位。

9）PHY-CCARESET.confirm：一條物理層發往MAC層的原語，用于確認信道狀態機的復位。

10）PHY-CCA.indication：一條從物理層發往MAC層的原語，用于指明介質的狀態。只有兩種狀態：繁忙、空閑。每當信道狀態發生變化時，物理層都要發送該原語。

11）PHY-RXSTART.indication：一個從物理層發往MAC層原語，用于指明PLCP已經收到了一個合法的開始幀定界幀定符和PLCP頭（基于對頭的CRC差錯校驗）。

12）PHY-RXEND.indication：一條從物理層發往MAC層的原語，用于確認接收狀態機已經完成了一個MPDU的接收。

3.載波偵聽功能

物理層是通過PMD檢查介質狀態來執行載波偵聽操作的。如果工作站沒有傳送或接收幀，PLCP完成以下兩點的偵聽操作。

1）探測信號的到來（Detection of Incoming Signals）：工作站的PLCP持續地對介質進行偵聽。介質忙時，PLCP將讀取PLCP前同步碼和幀頭，并試圖同步接收信號數據。

2）信道評價（Clear Channel Assessment）：信道評價操作用于測定無線介質繁忙還是空閑。如果介質空閑，PLCP將發送一條狀態字段表明為空閑的PHY-CCA.indication原語到MAC層；而如果介質忙，PLCP將發送一條狀態字段表明為忙的PHY-CCA.indication原語到MPC層。從而MAC層就可以決定是否發送幀。

需要注意的是，在DSSS方式下，MAC層通過下面Subsequent模式中的一種進行信道評價：

模式1：PMD測量介質上的能量是否超過了一個確定的水平，即能量探測（ED）極限。

模式2：PMD探測介質上是否有DSSS信號，如果有，PMD就向PLCP層發送一條PMD-CS（載波偵聽）原語。

模式3：PMD探測介質上的DSSS信號是否超過了一個確定的水平（ED極限）。如果超過，PMD則向PLCP層發送PMD-ED和PMD-CS原語。

當任何一種模式發生之后，PMD將向PLCP層發達一個PMD-ED原語，從而PLCP可以得到MAC層的信道評價。

4.傳送功能

PLCP在接收到MAC層的PHY-TXSTART.request原語后便將PMD轉換到傳輸模式。同時，MAC層將與接收到的請求發送一個字節數（0~4095）和數據率的告示。然后，PMD通過天線在20ms內發射幀的前同步碼。

發送器以1Mbps的速率發送前同步碼和適配頭，為接收器的接收提供特定的通用數據率。適配頭的發送結束后，發送器將數據率改到適配頭確定的速率。整個發送完成后，PLCP和MAC層發送一條PHY-TXTEND.confirm原語，關閉發送器，并將PMD電路轉換到接收模式。

5.接收功能

如果信道評價檢測到介質繁忙，同時有合法的即將到來幀的前同步碼，則PLCP就開始監視該幀的適配頭。當PMD偵聽到的信號能量超過85dBm，它就認為介質忙。如果PLCP測定適配頭是無誤的，它將向MAC層發送一條PHY-RXSTART.indication原語，通知一個幀的到來。隨同這個原語一起發送的，還有幀適配頭的一些信息（如字節數、數據率等）。

PLCP根據PSDU（PLCP服務數據單元）適配頭字段長度（Lengthwordfield）的值，來設置字節計數器。計數器跟蹤接收到的幀的數目，使PLCP知道幀什么時間結束。PLCP在接收數據的過程中，通過PHY-DAT.indication信息向MAC層發送PSDU的字節。接收到最后一個字節后，它向MAC層發送一條PHY-RXEND.indication原語，聲明幀的結束。

三、跳頻擴頻物理接口

建立無線局域網絡時，物理介質接口一般有三種：跳頻擴頻（FHSS）、直接序列擴頻（DSSS）和紅外線（IR）。物理層的接口選擇取決于實際應用的要求。

1.跳頻擴頻的特性

FHSS有以下特性：

□成本最低。

□能量耗費低。

□最強的抗信號干擾能力。

□單物理層數據傳輸率具有最小的電壓。

□多物理層具有最大的集成能力。

□發送范圍小于DSSS，但大于IR。

2.FHSS物理介質接口子層

PMD在PLCPT層實現PPDU的真正發送和接收。為了完成這一服務，PMD直接與無線介質（空氣）接口，并為幀的傳送提供FHSS調制和解調。FHSS物理介質對接口的依賴是很強的，其過程主要是依靠下述三點的原理和操作。

（1）FHSSPMD服務原語

圖2列出了PLCP和PMD之間通信的原語，這些原語使PLCP指揮PMD何時發送數據、改變信道、從PMD接收數據等，FHSSPMD服務原語共有9條。

圖2 PLCP和PMD之間通信的原語

1）PMD-DATA.request：從PLCP發往PMD的請求，請求傳送一個1或0數據位。本原語通知PMD調制并在介質上發送這個數據位。

2）PMD-DATA.indicate：PMD通過執行這個原語向PLCP傳送數據位。傳送的值為1或0o

3）PMD-TXRX.request：PLCP利用這個請求，將PMD設置為發送或接收模式。傳送的值為發送或接收。

4）PMD-PA-RAMP.request：從PLCP發往PMD請求原語，用于啟用發送器功能放大器的發送或接收。

5）PMD-ANTSEL.request：PLCP發送該原語來為PMD選擇天線。發送的值是一個1~N之間的數字，N是PMD所能支持的天線總數。對于發送操作而言，該請求選擇一個天線；而對于接收操作而言，PLCP可以選擇天線組進行分集接收。

6）PMD-TXPWRLVL.request：發自PLCP請求，用于指明PMD的發送功率級別。其值為1級、2級一直到8級，分別對應于管理信息庫（MIB）中的功率級別。

7）PMD-FRCQ.request：從PLCP發往PMD的原語，用于指定發送頻率。發送的值為信道標識（ID）。

8）PMD-RSSI.indicate：PMD使用該原語向PLCP返回持續的接收器介質信號強度指示。PLCP利用這個原語實現信道評價功能，其信號強度值可從0（最弱）到15（最強）。

9）PMD-PWRMGMT.request：一條從PLCP發向PMD的原語，用于將無線電收發機設置為節能的睡眠或待機模式。發送的值為on（正常工作模式）或off（待機或睡眠模式）。

（2）物理子層管理實體原語

物理子層管理實體，有4條原語，用以實現對MIB的訪問。

1）PLME-GET.request：請求某個MIB屬性的值。

2）PLME-GET.confirm：為應答一個PLME-GET.request而返回相應的MIB屬性的值。

3）PLME-SET.request：請求某個MIB屬性設置為一個特定的值。

4）MLME-SET.confirm：返回PLME-SET.request的狀態。

（3）FHSSPMD操作

PMD將二進制的PPDU轉換成適合發送的無線電信號。而FHSSPMD是通過跳頻功能和頻移鍵調控技術實現上述的轉換。下面我們就來看看FHSSPMD是怎樣進行的。

□跳頻功能在討論跳頻功能時，首先了解一下國際上對跳頻頻帶的分布。

802.11標準定義了一系列分布在2.4GHz ISM（Industrial Scientific and Medicine）的工業、科學與醫學頻帶的信道。信道的個數與地理位置有關，北美洲和大多數歐洲國家的信道數為79，而日本的信道數是23。

信道跨越一定的頻帶，頻帶也與地理位置有關。北美洲和大多數歐洲國家的符合802.11標準的工作站使用從2.402~2.408GHz之間的頻帶，而日本的工作站卻使用2.473到2.495GHz之間的頻帶。每個信道寬1MHz，所以美國的信道2（第一個信道）的中心操作頻道是2.402GHz，信道3是2.403GHz，依次類推。

基于FHSS的PMD通過在信道之間跳躍的方式來發送PPDUO當跳頻序列在AP上設置完成后，工作站會自動與跳頻序列同步。802.11標準定義一個特殊的跳頻序列，它為北美洲和大多數歐洲國家指定了78個序列，其作用是序列之間避免了長時間的相互干擾。

安裝無線局域網時，需要選擇跳頻組和跳頻序列。802.11標準定義了三個獨立的跳頻組（set），稱為setl、set2和set3，每組都包含多個互不干擾的跳頻序列。

跳頻組和跳序列選擇是任意的，實際上，可以直接使用商家提供的默認設置。

選好跳頻組后，接下來就要從這個跳頻組中選擇一個跳頻序列，產品供應商應符合802.11規范的號碼來代表特定的跳頻序列。

跳速是可調的，但是PMD必須以最小的跳速跳動。不同的國家對最小跳速有不同的規定，在美國，FHSS的最小跳速是每秒2.5跳。另外，北美洲和大多數歐洲國家的最小跳距是6MHz。

□HHSS頻率調制功能FHSSPMD以1Mbps的速度發送二進制數據，每一種速度對應不同的調制方式。PMD對1Mbps的數據流采用二級Gaussian頻移鍵控（GFSK）調制方法。GFSK的思想是通過改變載頻的率來表示不同的二進制符號。

四、直序擴頻物理接口

直序列擴頻（DSSS）是物理層的一種接口。它與跳頻擴頻相比，具有以下特點：

□成本最高。

□能量消耗最大。

□接收口的數據率最高。

□和跳頻擴頻相比，它的多物理層集成能力最低。

□可支持的不同地理位置無線電小區的個數最小，所以限制了可提供的信道數。

□發送距離比跳頻擴頻和紅外線物理層都大。

它的通信方式采用的是不覆蓋脈沖，數據碼速率是HMbpSo占用的帶寬大概為26MHz，1SM的2.4GHz頻段分成11個相互覆蓋的頻道。每兩個信道之間的中心頻帶間隔是5MHz。

1.DSSS PMD服務用語

DSSS是在PLCP和PMD通過原語中進行通信，實現PLCP調度PMD發送數據、改變信道，從PLCP接收數據等功能。它使用以下幾個原語：

1）PMD-DATA.request：從PLCP發往PMD的請求發送一個數據符號的原語。如果以1Mbps發送，該請求發送的符號的值為1或0的數據位；而以2Mbps發送則為任一2位數據組合。該原語必須在真正的發送數據的PMD-DATA.request原語之前發送到PLCP。

2）PMD-DATA.indicate：PMD通過執行該原語發送符號到PLCP。和PMD-DATA.request原語對應，如果以1Mbps接收，發送符號的值為1或0數據位；而以2Mbps接收則為任一2位數據組合。

3）PMD-TXSTART.request：PLCP向PMD發送該原語，啟動真正的PPDU的發送。

4）PMD-TXEND.request：PLCP向PMD發送該原語，用于終止一個PPDU的發送。

5）PMD-ANTSEL.request：PLCP向PMD發送該原語，用于選擇PMD將使用的天線。

6）PMD-ANTSEL.indicate：這個原語指出物理層使用哪種方式無線接收最后的PPDU。

7）PMD-TXPWRLVL.request：來自PLCP的請求確定PMD的發送級別。其值為1級、2級，一直到8級，分別對應于MIB中相應的功率級別。

8）PMD-RATE.request：PLCP發送該原語到PMD，用于確定PPDU中的MPDU部分發送的數據率（1Mbps或2Mbps），這個數據率僅僅適用于發送速率。PMD一般可以由任何可能的數據率接收數據。

9）PMD-RATE.indicate：當PMD檢測PLCP前同步碼中的信號（Signaling）字段時，向PLCP發送該原語，用于確定被接收幀的數據率（1Mbps或2Mbps）0

10）PMD-RSSI.indicate：PMD在接收狀態利用這一原語向PLCP返回一個持續的接收器信號強度指示（RSSI），PLCP是為信道評價功能使用該原語的。RSSI的值有256級，由一個8位的數據字表示。

11）PMD-SQ.indicate：這個可選原語提供一個基于DSSSPN（偽噪聲）碼的信號質量（SQ）。信號質量的值是256級中的某一級，由一個8位數據字表示。

12）PMD-CS.indicate：PMD向PLCP發送該原語，指出正在對一個數據信號進行解調。也是用信號通知一個合法的802.11直接序列擴頻PPDU的接收。

13）PMD-ED.indicate：這是可選原語用于指出某個PMD-RSSI.indication，給定的能量值超出了預定極限（存放在MIB的Aed-Threshold參數中），當PMD-ED.indicate原語值為，lenabled"時，表示PMD-RSSLIndication的值超過了極限；為“disabled”時，表示PMD-RSSI.Indication的值在極限以下。該原語為檢測非802.11直接序列擴頻信號的存在提供了一條途徑，因為這些信號會超過預定義極限。

14）PMD-ED.request：PLCP使用這條原語設置能量檢測極限，可以檢測的最小信號。

15）PMD-CCA.indicate：一條從PMD發向PLCP的原語，用于指示基于CCA算法的射頻（BF）能量探測。

2.DSSS PMD操作

DSSS PMD操作負責將PPDU的二進制數表示形式換成適合發送的無線電信號。DSSS物理層將要發送的信息用偽噪聲（Pseudo-Noise，PN）碼擴展到一個很寬的頻帶上去。信號被擴展后，其表現形式就如同噪聲一樣。擴展的頻帶越寬，信號的功率就越低，甚至擴展到功率比噪聲極限還低，但同時又不損失任何信息。