WIFI基础入门--802.11--跳频物理层(FH/FHSS)--11

1.跳频传输

跳频(Frequency-hopping)是以一种预定的伪随机模式快速变换传输频率，分为频隙(frequency slot)和时隙(time slot)。这些隙的使用方式由跳频模式来控制。正确掌握跳频时间是关键，发送端与接收端必须同步，这样接收端才可以随时与发送端的频率保持一致。
跳频有点类似于频分复用(Frequency Division Multiple Access，简称FDMA)，不过有项重要差异，FDMA系统会为每个设备分配固定的频率。这些设备共同分享可用的无线频谱，各自使用不同的频率。跳频系统所使用的频率会依时间而有所不同，并非一成不变。每个频率只使用一小段时间，称为驻留时间(dwell time)。
跳频可以避免设备干扰某个频带的主要用户。这种做法之所以可行，是因为各个窄频带的主要用户有权使用较高的功率，传送足以覆盖无线局域网络的信号。跳频用户对主要用户只会造成瞬间干扰，因为跳频会将能量分散至较宽的频带。同样地，主要用户只会影响扩频设备的某个频隙，就像是瞬间的噪声一样。
如果两个跳频系统需要共享相同频带，可以指定不同的跳频顺序，如此便不会互相干扰。在同一时间内，每个跳频系统必须使用不同的频隙。只要两个系统使用不同的频隙，就不会互相干扰。彼此不相重叠的跳频序列称为正交。在同一个区域使用多个802.11网络时，正交跳频序列可以使总吞吐量达到最高。

2.信道分布

802.11将ISM微波频带划分为一系列1MHz的信道。几乎99%的微波能量都被限制在信道中。802.11所使用的调制方式会将数据位编码成信道中央所传送频率的偏移量。信道时以中心频率来定义的，信道0的中心频率为2.400GHz。之后每个信道会依次加上1MHz，信道1的中心频率为2.401GHz，一直到中心频率为2.495GHz的第95信道。不同管制区所使用的信道。

管制区	可用信道
美国(FCC)	2至79(2.402~2.479GHz)
加拿大(IC)	2至79(2.402~2.479GHz)
欧洲(不包括法国与西班牙)(ETSI)	2至79(2.402~2.479GHz)
法国	48至82(2.448~2.482GHz)
西班牙	47至73(2.447~2.473GHz)
日本(MKK)	73至95(2.473~2.495GHz)

802.11 FH系统所使用的驻留时间为390个单位时间，相当于0.4秒。当802.11 FH PHY在信道间进行切换时，整个跳频过程不能超过224微秒。

3.跳频序列

用以推算跳频集合的数学函数属于FH PHY规范的一部分，进一步将跳频序列区分为彼此不重叠的集合，同一个集合的成员(即跳频序列)间彼此正交。不同管制区中跳频集合的大小如下：

管制区	跳频集合的大小
美国(FCC)	26
加拿大(IC)	26
欧洲(不含法国与西班牙)(ETSI)	26
法国	27
西班牙	35
日本(MKK)	23

4.加入跳频网络

跳频序列的标准化使加入跳频网络成为可能。FH网络的Beacon帧包含时间戳以及FH参数集元素。FH参数集元素包含跳频模式编号(hop pattern number)以及跳频索引(hop index)。收到Beacon帧后，工作站就会知道如何同步本身的跳频模式。
工作站可根据跳频序列编号得知自己的跳频次序。工作站收到Beacon帧，根据参数判断该BSS使用了编号为1的北美/欧洲跳频序列，而且当前的跳频索引为2。只要查询跳频序列，该工作站就可以判断下个信道为65。跳频时间也有明确的定义。每个Beacon帧均包含一个Timestamp(时间戳)字段，当以时间戳对Beacon帧中驻留时间取模的结果为0，就会发生跳频。

5.ISM发射量规定与最大吞吐量

802.11跳频系统受到频谱分配策略的规范。
a.频带必须至少包含75个可供跳频的信道，占用83.5MHz带宽
b.跳频信道所使用的带宽不得大于1MHz
c.设备必须平等对待每个可用信道，30秒的周期内，每个信道不能驻留超过0.4秒
在这些规定中，以第b项最为重要，无论使用什么样的编码机制，任何时刻都只能使用1MHz带宽。虽然因为另两项规定，信道会不断变动，但第二项规定无疑限制了用来编码数据的信号变化量。
如果采用两级编码，每个周期可以编码一个位。以每周期一个位而言，1MHz可以提供1Mbps的数据传输率。较复杂的调制与解调制机制可以提高传输率。四级编码可以在一个周期内封装两个位，因此1-MHz带宽可以提供2Mbps的传输率。

6.干扰效应

802.11是第二个使用2.4-GHz ISM频带的标准，因此不得不接受来自其他传输的干扰，这些传输通常有较高的优先级。严重的干扰可能导致某个信道不能使用，不过其他信道却不受影响。以美国和欧洲的大约80个可用信道来讲，一个信道收到干扰，最多会使媒介的原始位率降低1.25%(在IP层通常必须付出较高的代价，因为还要将帧间间隔、确认信息、帧头以及物理层会聚过程标头计算在内)。有越多信道受到干扰，传输量就会越低。

7.高斯频移键控(GFSK)

FH PHY采用了高斯频移键控(Gaussian frequency shift keying简称GFSK)。频移键控就是将数据编码成载波中一系列的频率变动。将数据编码成频率的好处是噪声通常会随信号的振幅而改变，而振幅无关的调制系统通常能够免于噪声的干扰。GFSK中的"Gaussian"意指电波脉冲的形状，GFSK将能量的发散限定在相对较窄的频带中，因此适合作为频带的再利用工具。防止RF能量泄漏的信号处理技术着实不错，对某个频带的再利用而言这尤其重要。

7.1 两级GFSK

最基本的GFSK实现称为两级GFSK。其中使用了两种频率，分别表示0或1。要传送1，就会将载波频率提高一个特定量；至于0，则是将载波频率减少一个特定量。通过系统所传输的数据率称为符号率。由于必须经过几个周期以后才有办法判断所使用的载波频率以及其所传送的信号究竟为1还是0，通常符号率只是载波频率的零头。
GFSK的频率变动并不剧烈。瞬间频率变动较大则需要使用较贵的电子零件以及较高的功率。较缓和的频率变动可以降低设备的成本，RF泄漏也较低。

7.2 四级GFSK

利用此机制，可以有两种传送更多数据的方式：使用较高的符号率，或者在每个符号中编码更多位信息。四级GFSK基本上和两级GFSK采用相同的方式，不过使用四种符号。这四种符号(00,01,10与11)会分别对应到特定的离散频率，因此在符号率相同的条件下，四级GFSK可以传送两倍的数据。

8.FH PLCP

在帧被跳变至RF载波之前，来自MAC的帧必须先经过物理层会聚过程(Physical Layer Convergence Procedure简称PLCP)加以处理。不同的物理层可能有不同的需求，因此802.11允许物理层在处理即将传送至空气的MAC帧时可以有某种程序的自由。

8.1 成帧与白化

FH PHY所使用的PLCP会在MAC传来的帧前面加上标头，其中包含5个字段。PLCP是位于MAC以及PMD无线接口之间的中继站。以ISO参考模型的术语来讲，从MAC传来的帧属于PLCP服务数据单元(PLCP service data unit简称PSDU)。
为了让所要传送的数据比较像是随机的白噪音，FH PHY将会以一种白化算法对MAC帧进行处理。此算法会在电波传送之前对数据进行扰频，接收器则是通过逆向处理来还原数据。

9.FH PHY的特性

FH PHY尚有一些参数可供调整，让802.11跳频系统各部分的延迟能够维持均衡，其中包括MAC、PLCP、收发器等的延迟变量以及收发器电子零件个别变异的相关参数。另外值得注意的是，同一区域所有跳频网络的整体吞吐量相当高。整体吞吐量是跳频集合大小的函数。在每个跳频集合中，所有序列彼此保持正交关系，不会互相干扰。在欧洲大部分地区，每个区域同时可以构建26个跳频网络。如果每个网络的传输率为2Mbps，其中有一半时间是用来传递有效载荷数据，只要ISM频带没有什么干扰存在，该区的总吞吐量即可高达26Mbps。FH PHY参数：

参数	值	备注
时隙时间	50微秒	无
SIFS时间	28微秒	SIFS可用来推演出其他帧间间隔值(DIFS、PIFS以及EIFS)
竞争窗口的大小	15至1023个时隙	无
前导码持续时间	96微秒	前导码符号以1MHz的速率进行传输，因此传输每个符号需要1微秒，96个位则需要96个符号时间
PLCP标头持续时间	32微秒	PLCP标头有32个位，因此需要用到32个符号时间
最大MAC帧	4095个字节	802.11建议最多使用400个符号(1Mbps使用400个字节)，以便在不同环境下维持性能的一致性
最低灵敏度	-80dBm	无

WIFI基础入门–802.11–直接序列物理层(DSSS)–12

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