无线网卡的天线的作用原理,希望物理达人们指点一二!谢谢!
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发布时间：2022-04-24 23:02
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时间：2023-10-16 01:33
通俗的来说就是微波射频技术
笔记本目前有WIFI、GPRS、CDMA等几种无线数据传输模式来上网，后两者由中国电信和中国联通来实现，前者电信或网通有所参与，但不多主要是自己拥有接入互联网的WIFI基站（其实就是WIFI路由器等）和笔记本用的WIFI网卡。要说基本概念是差不多的，通过无线形式进行数据传输。无线上网遵循802.1q标准
通过无线传输，有无线接入点发出信号，用无线网卡接受和发送数据
无线网络是实现移动Internet的基本物理网之一,它为移动计算机(移动终端)提供高速
的网络接入方法。目前,无线局域网提供的通信业务实际上是一个尚未开发的大市场,有着很
大的潜力。国际上许多大公司,如IBM、AT&T(Incent)、DEC、AMD等都在加紧研制无线网络产
品。现虽有部分产品面市,但只是实现了简单的计算机无线联网,真正支持移动通信的产品还
未见到。IEEE协会已推出了IEEE802.11协议,制订了无线局域网的媒体访问控制协议,我们研
制的网卡不但符合IEEE802.11协议,而且具有漫游和散步功能。
无线网卡的硬件组成包括Antenna & RF、IF、SS和NIC等几部分,如图所示。
@@49E19000.GIF;图1 网卡的硬件组成示意图@@
NIC是网络接口控制单元,它完成SS单元与计算机之间的接口控制。SS是扩频解扩频及解
调单元,它完成对发送数据的频谱扩展和对接收信号的解扩解调,同时,它还具有对数据进行
加、解扰处理的功能,在QPSK时还要进行并/串和串/并变换。在SS单元,还要对发射功率和分
集接收进行相应的控制,并具有信道能量检测(ED-Energy Detect,实际是接收信号强度指示
RSSI-Receive Signal Strength Indication)和载波强度(CS-CarrierSense,实际是信号
质量SQ-Signal Quality)检测等功能。IF是中频单元,它完成对已扩频信号的调制BPSK/QP
SK)和对接收信号的变频及其它处理。RF&Antenna单元完成对发送中频信号的向上和向下变
频、功率放大(PA)及低噪声放大(LNA)等功能,一般包括Antenna及分集开关、T/R开关、LNA
和PA、Local oscilator、向下/向下混频器、滤波器几个部分。
由RF&Antenna、IF和SS单元构成了扩频通信机(SS Transceiver)。
无线网卡的工作原理
按照IEEE802.11协议,无线局域网卡分为媒体访问控制(MAC)层和物理层(PHY Layer)在
两者之间,还定义了一个媒体访问控制-物理(MAC-PHY)子层(Sublayers)。MAC层提供主机与
物理层之间的接口,并管理外部存储器,它与无线网卡硬件的NIC单元相对应。
物理层具体实现无线电信号的接收与发射,它与无线网卡硬件中的扩频通信机相对应。
物理层提供空闲信道估计CCA信息给MAC层,以便决定是否可以发送信号,通过MAC层的控制来
实现无线网络的CCSMA/CA协议,而MAC-PHY子层主要实现数据的打包与拆包,把必要的控制信
息放在数据包的前面。
IEEE802.11协议指出,物理层必须有至少一种提供空闲信道估计CCA信号的方法。
无线网卡的工作原理如下:当物理层接收到信号并确认无错后提交给MAC-PHY子层,经过
拆包后把数据上交MAC层,然后判断是否是发给本网卡的数据,若是,则上交,否则,丢弃。
如果物理层接收到的发给本网卡的信号有错,则需要通知发送端重发此包信息。当网卡
有数据需要发送时,首先要判断信道是否空闲。若空,随机退避一段时间后发送,否则,暂不发
送。由于网卡为时分双工工作,所以,发送时不能接收,接收时不能发送。
扩频通信机
扩频通信机的功能和技术指标如下:
1.扩频和解扩
无线网卡几乎均采用了扩频技术,IEEE802.11也要求使用扩频技术,且规定扩频处理增益
不小于10dB。在无线网卡中使用扩频技术,主要有以下几方面的考虑:
·*发射功率谱密度,减小对其它设备的影响;
·提高抗干扰能力;
·有一定的加密作用;
·在多用户环境下提高强有力的多址功能。
IEE802.11推荐使用的扩频技术有直扩(DS)和跳频(FH)两种,对应的调制方式分别为PS和
FSK。在我们研制的网卡中,使用的是直扩方式。
2.基带时间的加扰与解扰
时间加解扰器分别对未编码和已解码的基带时间(Bit)进行加扰和解扰。对数据进行加
扰的目的有二:一是进一步扩展频谱,减小数据中"0"和"1"数目的不平衡性;二是可以获得一
定的保密性。
3.DBPSK/DQPSK调制与解调
差分BPSK/QPSK编解码器和调制解调器分别对发送和接收的BPSK/QPSK信号进行编解码和
调制解调。
4.上/下变频
对发送IF已调信号上变频至RF以便发射;对接收到的RF信号下变频至IF以便进一步处理
。
5.RF信号的发送和接收
6.无线分集接收
可实现通信的二重极化分集或二重空间分集,从而改善无线网卡物理层的性能。
7.载波检测(CS)或信号质量(SQ)检测
8.能量检测(ED)或接收信号强度指示(RSSI)
9.PA控制
根据需要可控制发射机的发射功率。
10.技术指标
·频率范围:2.1400GHz～2.500GHz;
·调制方式:DS/BPSK或DS/QPSK,参考码可编程;
·通信方式:半双工;
·发射功率:10mW/100mW,自适应选择;
·数据速率:2Mbps/4Mbps;
·PN码速及码长:11.264Mc/s,11chips-64chips可编程;
·相关方式:匹配滤波器;
·PN码同步捕获时间:一个伪码周期;
·天线分集:空间自适应分集;
·接收机灵敏度:-89dBm～-99.5dBm,BER10—6。
NIC
NIC的功能是:
·从驱动程序接收时间并装帧发送;
·从扩频通信机接收数据,拆帧并送至驱动程序;
·媒体访问控制(MAC);
·与主机的总线接口;
·移动管理:越区切换、用户登录与认证;
·网络同步:网络同步指的是本站与基站和WLAN的其它站达到时钟同步;
·节能管理:当无业务量或者业务量少时,使物理层处于睡眠状态或节能工作模式。
媒体访问控制协议
媒体访问控制协议,即IEEE802.11MAC,IEEE802.11MAC的基础是CSMA/CA,在它之上可配置
无竞争信道访问的接入机制,这就是中心网控方式(PCF)。在PCF方式中,时间域被划分为超帧
格式。在超帧的无竞争期,由中心控制节点(一般是AP)进行轮询,某一时刻仅允许一个站点发
送。而在超帧的竞争期,使用改进的CSMA/CA方式,或称分布接入方式(DCF)。这样,IEEE8021
1MAC除了能以竞争接入方式支持异步业务外,无竞争的访问方式还可支持同步业务或时限业
务。时限业务对于实时数据和语音通信是至关重要的。
1.CSMA/CA与DCF
a)基本的CSMA/CA与访问优先权
如上所述,IEEE802.11MAC有两种访问控制方式:分布式(DCF)和集中控制方式(PCF),二者
的基础是CSMA/CA。IEEE802.11MAC采用的基本的CSMA/CA算法非常简单:当监测到信道空闲期
间大于某一帧间隔(IFS)后立即开始发送帧;否则延迟接入直至监测到需要的帧间隔,然后选
择退避时延进入退避;退避结束后重新开始上述过程。基本的CSMA/CA利用物理层提供的载波
监测指示信号CS监测信道的忙闲。IEEE802.11MAC规定了三种访问优先权,依优先权不同,IS
不同。
Short优先级:对需要立即响应业务(如某些控制帧)的优先级。例如,MAC层的Ack帧,或当
采用PCF时主机对轮询的响应帧等。该优先级的帧间隔被称为SIFS。
PCF优先级:PCF接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为PIFS。
DCF优先级:DCF接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为DIFS。上述各IFS满足:DF
S>PIFS>SIFS。
b)增强型CSMA/CA
为了增强基本CSMA/CA对异步业务传输的可靠性,IEEE802.11MAC建立在基本CSMA/CA的基
础上使用MAC层确认机制,也就是CSMA/CA+Ack,这样可以在MAC层对帧丢失予以检测并重新发
送。此外,为了进一步减小在各种环境下的碰撞概率,源站与目的站可在数据传送前交换简短
的控制帧,即RTS/CTS,它们以Short优先级接入信道。RTS/CTS帧中的Duration字段被各站点
(目的站除外)用于设置它们的网络分配矢量(NAV:Net Allocation Vector),以确定信道将被
占用多长时间,这样,载波监测的功能可由监测、维护CS及NAV实现。IEEE802.11MAC要求DC方
式必须支持基本的CSMA/CA,可选地支持增强型CSMA/CA,即CSMA/CA+Ack与CSMA/CA+Ack+RS/C
TS。
c)延迟接入与退避算法
如上所述,欲发送帧的站检测到信道忙时就会延迟接入,直到监测到信道空闲时间大于I
FS/SIFS后选择一个退避时间值然后进入退避状态。这样可解决正在处于延迟的多个站间的
竞争。
在退避状态下,只有当检测到信道空闲时退避计时器才计时。如果检测到信道忙,则退避
计时器将停止计时,直到检测到信道空闲时间大于DIFS后计时器才重新继续计时。这一做法
的作用是:当多个站延迟并进入随机退避状态后,退避时间值(Backoff)最小的站将在竞争中
获胜,从而获得对媒体的访问权:在竞争中失败的站会保持在退避状态直到下一个DIFS。这样
,这些主站就有可能比第一次进入退避的新站具有更短的退避时间。另外,退避过程也可重传
。
d)防止重帧
因为在IEEE802.11MAC中引入了确认和重传,所以可能产生重帧现象,即在接收站可能会
收到多个相同的帧。IEEE802.11MAC利用帧中的MPDU-ID域防止重帧现象。同一MPDU中的帧具
有相同的MPDU-ID值,在不同MPDU中的帧其MPDU-ID值不同。接收站保持一个MPDU-ID缓冲区它
将拒收那些MPDU-ID值与缓冲区某一MPDU-ID值相同的重传帧。
2.中心网控方式PCF
a)PCF支持的业务类型
如图2所示,PCF方式由上述CSMA/CA协议提供的访问优先级实现,它可支持无竞争型时限
业务及无竞争型异步业务。而DCF仅支持竞争型异步业务。
@@49E19001.GIF;图2 IEEE802.11 MAC的业务模型@@
b)超帧结构
@@49E19002.GIF;图3 PCF的超帧结构@@
IEEE802.11MAC使用图3所示的超帧实现PCF。在一个超帧期间(SFP),PCF使用无竞争期C
FP),DCF使用竞争期(CP)。
在超帧开始时,如果信道空闲则PCF获得信道访问权;否则PCF会延迟直到它检测到信道空
闲时间大于PIFS,才能获得信道访问权。这样,就可能引起超帧的扩展,导致超帧中CFP的起始
点可变,并且CFP的长度可变。DCF的异步业务将自动地延迟到CFP之后才能获得信道访问权。
c)PCF协议原理
PCF协议基于轮询机制。某站(如手持或固定站点)如希望提供无竞争服务,则需要向APA
ccess Point,即基站)发出请求,经许可后该站将被列入轮询序列,从而参与无竞争业务。
AP以PCF优先级向参与无竞争业务的站发送下行数据帧(CF-Down业务),具体使用帧头控
制域的轮询比特实现轮询。如果被轮询到的站有缓存的数据,则在检测到一个SIFS后立即将
数据发出。当AP发出轮询后,如果在PIFS时间内没有响应,那么AP将恢复对信道的控制,发出
下一个轮询帧。当发生下列情况时,参与无竞争业务的站不对AP的轮询进行响应:没有上行的
无竞争业务(CF-Up)等待发送,并且对前面收到的下行无竞争帧(CF-Down)也无须进行确认。
3.网同步
无线网络(WLAN)中每个站均有其内部时钟,所谓网同步指这些时钟的同步。在多区WLA中
,AP(基站)控制着网同步,它周期性地发送含有其自身时钟信息的信标帧,BSS内与AP连接的各
站对照此信标修改自己本地时钟。而在自组WLAN中,所有站均承担有定期发送网同步信标的
责任,各站根据确定的算法将本地时钟与"听"到的时间进行比较并调整,这样,在一定时间内
全网时钟能够达到同步。
无线网络中的许多功能都借助各站同步的时钟实现,例如,下面几个典型的功能就是利用
同步实现:
·节能管理,允许MT关闭其接收机直到下一信标到达为止。
·物理层管理,比如当物理层使用跳频扩展频谱方式时,网同步用于确定跳频定时。
·支持时限业务,利用网同步完成超帧定时。
尽管信标发送应该是定期的,但它也必须遵循CSMA/CA这一基本信道访问原则,因此确定
的"信标间隔"只能是预计发送时刻。信标中含有时戳、信标间隔等内容。信标以广播方式发
送,含有发送者的物理网地址(NID)。
如何在入网时获取同步,这一问题实际上是解决越区切换的基础。
4.节能管理
IEEE802.11MAC提供的节能管理机制允许网中各站点收发器在一段时间内关闭,使之工作
于低功耗节能模式。其基本原则是在不同环境中,使网中站点获得合理的性能/功耗比。
在多区WLAN中,当一个站希望进入节能模式时,应事先通知AP。而AP将暂存发往该站的数
据并在适当的时刻转发给该站。在由AP定时发送的信标中含有业务指示表TIM,该表中标识了
哪些站在AP中暂存有待收数据。工作于节能模式的站点仍需以一定的时间间隔定时"苏醒"以
便接收像信标帧这样的控制帧。在TIM被标识的站点应当向AP申请或做好等待接收被暂存数
据的准备。
在自组WLAN中,没有像AP这样的站点始终处于激活状态并为其它站点提供暂存服务。为
了支持节能工作模式,需要各站在全网同步的基础上定时"苏醒"。当某站要向一个处于节能
模式的站点发送数据时,就预先发送一种具有声明性质的控制帧(ATIM),这样可使处于节能模
式的目的站能定时打开收发器并维持一段时间的正常工作状态,以便接收源站点后续发来的
数据。
结论
对于无线网络,目前世界标准(IEEE802.11)已经确定,网卡硬件和相应的IC陆续推出,价
格逐渐下降,无线网卡的软件也已渐成熟,其市场将会越来越明朗,如再与移动Intenet网结合
,仿照移动电话蜂窝网的形式来组网,其前景将更看好。
