一、物理层三种接口方式

无线局域网的物理层共有三种接口方式，如下所示：

□跳频扩频（FHSS）子层物理层接口。FHSS规范定义了物理层帧的格式，通过跳频功能和频移键控调制技术（PMD）利用它们将二进制数据帧转换为适合无线电波传播的信号，通过PMD使用FHSS发送数据帧。

□直接序列扩频（DSSS）物理接口。DSSSPLCP规范定义了物理层帧的格式。DSSSPMD解释工作站如何利用DSSS发送帧。通过PMD将二进制数据帧转换成适合无线波传播的信号。

□红外线（IR）物理层接口。通过对PMD工作站利用红外线物理层发送帧以及PMD利用调制技术将二进制数据帧转换成适合红外线光传播的信号。

为了能够说明这种物理接口，还需要介绍物理层结构和物理层操作。

二、物理层结构与功能

1.物理层结构组成

物理层（Physical Layer）与mac层管理相连，为物理提供管理功能。物理层结构由三部分组成，如图1所示。

 

图1 物理层结构

 

1）物理层会聚过程子层（Physical Layer Convergence Procedure，PLCP）：MAC层和PLCP通过物理层服务访问点（SAP）利用原语进行通信。MAC层发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的介质协议数据单元（MPDU）OPLCP也从无线介质向MAC层传递引入帧。

PLCP为MPDU附加字段，字段中包含物理层发送器和接收器所需的信息。802.11标准称这个合成帧为PLCP协议数据单元（PPDU）OPPDU的帧结构提供了工作站之间MPDU的异步传输，因此，接收工作站的物理层必须同步每个单独的即将到来的帧。

2）物理介质依赖（PMD）子层：在PLCPT，PMD支持两个工作站之间通过无线介质实现物理层实体的发送和接收。为了实现以上功能，PMD需直接面向无线介质（空气），并向帧传送提供调制和解调。PLCP和PMD之间通过原语通信，控制发送和接收功能。

3）三种物理介质接口：FHSS物理介质依赖（PMD）子层接口、DSSS物理介质依赖（PMD）子层接口和IR物理介质依赖（PMD）子层接口。

2.物理层接口操作与功能

物理层的三种接口操作基本相近。为了实现PLCP功能，802.11标准规范了状态机的使用。

每种状态实现下面的一种功能：

□载波侦听：判断介质的状态。

□传送：发送数据帧的单个字节。

□接收：接收数据帧的单个字节。

这些功能的实现离不开物理层服务原语现对于原语作简要介绍。

物理层是通过12条服务原语与MC层通信的。

1）PHY-DATA.request：从MAC层向物理层传送数据的一个字节。这个原语只有在物理层发出PHY-TXSTART.confirm原语后，才有可能出现。

2）PHY-DATA.indication：从物理层向MAC层传送接收到的数据的一个字节。

3）PHY-DATA.confirm：一条物理层发向MAC层的原语，用于确认数据从MAC层传送到了物理层。

4）PHY-TXSTART.request：从MAC层发往物理层的请求原语，请求开始一个MPDU的传送。

5）PHY-TXSTART.confirm：从物理层发往MAC层一条原语，用于确认一个MPDU传送的开始。

6）PHY-TXEND.request：一条从MAC层发往物理层的请求原语，请求结束一个MPDU的传送。当MAC层接收MPDU的最后一条PHY-DATA.confirm原语后，就发布PHY-TAEND.request。

7）PHY-TXEND.confirm：一条从物理层发往PAC层原语，用于确认一个MPDU传送的结束。

8）PHY-CCARESET.request：一条从MAC层发往物理层的请求原语，用于确认信道评价状态机的复位。

9）PHY-CCARESET.confirm：一条物理层发往MAC层的原语，用于确认信道状态机的复位。

10）PHY-CCA.indication：一条从物理层发往MAC层的原语，用于指明介质的状态。只有两种状态：繁忙、空闲。每当信道状态发生变化时，物理层都要发送该原语。

11）PHY-RXSTART.indication：一个从物理层发往MAC层原语，用于指明PLCP已经收到了一个合法的开始帧定界帧定符和PLCP头（基于对头的CRC差错校验）。

12）PHY-RXEND.indication：一条从物理层发往MAC层的原语，用于确认接收状态机已经完成了一个MPDU的接收。

3.载波侦听功能

物理层是通过PMD检查介质状态来执行载波侦听操作的。如果工作站没有传送或接收帧，PLCP完成以下两点的侦听操作。

1）探测信号的到来（Detection of Incoming Signals）：工作站的PLCP持续地对介质进行侦听。介质忙时，PLCP将读取PLCP前同步码和帧头，并试图同步接收信号数据。

2）信道评价（Clear Channel Assessment）：信道评价操作用于测定无线介质繁忙还是空闲。如果介质空闲，PLCP将发送一条状态字段表明为空闲的PHY-CCA.indication原语到MAC层；而如果介质忙，PLCP将发送一条状态字段表明为忙的PHY-CCA.indication原语到MPC层。从而MAC层就可以决定是否发送帧。

需要注意的是，在DSSS方式下，MAC层通过下面Subsequent模式中的一种进行信道评价：

模式1：PMD测量介质上的能量是否超过了一个确定的水平，即能量探测（ED）极限。

模式2：PMD探测介质上是否有DSSS信号，如果有，PMD就向PLCP层发送一条PMD-CS（载波侦听）原语。

模式3：PMD探测介质上的DSSS信号是否超过了一个确定的水平（ED极限）。如果超过，PMD则向PLCP层发送PMD-ED和PMD-CS原语。

当任何一种模式发生之后，PMD将向PLCP层发达一个PMD-ED原语，从而PLCP可以得到MAC层的信道评价。

4.传送功能

PLCP在接收到MAC层的PHY-TXSTART.request原语后便将PMD转换到传输模式。同时，MAC层将与接收到的请求发送一个字节数（0~4095）和数据率的告示。然后，PMD通过天线在20ms内发射帧的前同步码。

发送器以1Mbps的速率发送前同步码和适配头，为接收器的接收提供特定的通用数据率。适配头的发送结束后，发送器将数据率改到适配头确定的速率。整个发送完成后，PLCP和MAC层发送一条PHY-TXTEND.confirm原语，关闭发送器，并将PMD电路转换到接收模式。

5.接收功能

如果信道评价检测到介质繁忙，同时有合法的即将到来帧的前同步码，则PLCP就开始监视该帧的适配头。当PMD侦听到的信号能量超过85dBm，它就认为介质忙。如果PLCP测定适配头是无误的，它将向MAC层发送一条PHY-RXSTART.indication原语，通知一个帧的到来。随同这个原语一起发送的，还有帧适配头的一些信息（如字节数、数据率等）。

PLCP根据PSDU（PLCP服务数据单元）适配头字段长度（Lengthwordfield）的值，来设置字节计数器。计数器跟踪接收到的帧的数目，使PLCP知道帧什么时间结束。PLCP在接收数据的过程中，通过PHY-DAT.indication信息向MAC层发送PSDU的字节。接收到最后一个字节后，它向MAC层发送一条PHY-RXEND.indication原语，声明帧的结束。

三、跳频扩频物理接口

建立无线局域网络时，物理介质接口一般有三种：跳频扩频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）和红外线（IR）。物理层的接口选择取决于实际应用的要求。

1.跳频扩频的特性

FHSS有以下特性：

□成本最低。

□能量耗费低。

□最强的抗信号干扰能力。

□单物理层数据传输率具有最小的电压。

□多物理层具有最大的集成能力。

□发送范围小于DSSS，但大于IR。

2.FHSS物理介质接口子层

PMD在PLCPT层实现PPDU的真正发送和接收。为了完成这一服务，PMD直接与无线介质（空气）接口，并为帧的传送提供FHSS调制和解调。FHSS物理介质对接口的依赖是很强的，其过程主要是依靠下述三点的原理和操作。

（1）FHSSPMD服务原语

图2列出了PLCP和PMD之间通信的原语，这些原语使PLCP指挥PMD何时发送数据、改变信道、从PMD接收数据等，FHSSPMD服务原语共有9条。

 

图2 PLCP和PMD之间通信的原语

1）PMD-DATA.request：从PLCP发往PMD的请求，请求传送一个1或0数据位。本原语通知PMD调制并在介质上发送这个数据位。

2）PMD-DATA.indicate：PMD通过执行这个原语向PLCP传送数据位。传送的值为1或0o

3）PMD-TXRX.request：PLCP利用这个请求，将PMD设置为发送或接收模式。传送的值为发送或接收。

4）PMD-PA-RAMP.request：从PLCP发往PMD请求原语，用于启用发送器功能放大器的发送或接收。

5）PMD-ANTSEL.request：PLCP发送该原语来为PMD选择天线。发送的值是一个1~N之间的数字，N是PMD所能支持的天线总数。对于发送操作而言，该请求选择一个天线；而对于接收操作而言，PLCP可以选择天线组进行分集接收。

6）PMD-TXPWRLVL.request：发自PLCP请求，用于指明PMD的发送功率级别。其值为1级、2级一直到8级，分别对应于管理信息库（MIB）中的功率级别。

7）PMD-FRCQ.request：从PLCP发往PMD的原语，用于指定发送频率。发送的值为信道标识（ID）。

8）PMD-RSSI.indicate：PMD使用该原语向PLCP返回持续的接收器介质信号强度指示。PLCP利用这个原语实现信道评价功能，其信号强度值可从0（最弱）到15（最强）。

9）PMD-PWRMGMT.request：一条从PLCP发向PMD的原语，用于将无线电收发机设置为节能的睡眠或待机模式。发送的值为on（正常工作模式）或off（待机或睡眠模式）。

（2）物理子层管理实体原语

物理子层管理实体，有4条原语，用以实现对MIB的访问。

1）PLME-GET.request：请求某个MIB属性的值。

2）PLME-GET.confirm：为应答一个PLME-GET.request而返回相应的MIB属性的值。

3）PLME-SET.request：请求某个MIB属性设置为一个特定的值。

4）MLME-SET.confirm：返回PLME-SET.request的状态。

（3）FHSSPMD操作

PMD将二进制的PPDU转换成适合发送的无线电信号。而FHSSPMD是通过跳频功能和频移键调控技术实现上述的转换。下面我们就来看看FHSSPMD是怎样进行的。

□跳频功能 在讨论跳频功能时，首先了解一下国际上对跳频频带的分布。

802.11标准定义了一系列分布在2.4GHz ISM（Industrial Scientific and Medicine）的工业、科学与医学频带的信道。信道的个数与地理位置有关，北美洲和大多数欧洲国家的信道数为79，而日本的信道数是23。

信道跨越一定的频带，频带也与地理位置有关。北美洲和大多数欧洲国家的符合802.11标准的工作站使用从2.402~2.408GHz之间的频带，而日本的工作站却使用2.473到2.495GHz之间的频带。每个信道宽1MHz，所以美国的信道2（第一个信道）的中心操作频道是2.402GHz，信道3是2.403GHz，依次类推。

基于FHSS的PMD通过在信道之间跳跃的方式来发送PPDUO当跳频序列在AP上设置完成后，工作站会自动与跳频序列同步。802.11标准定义一个特殊的跳频序列，它为北美洲和大多数欧洲国家指定了78个序列，其作用是序列之间避免了长时间的相互干扰。

安装无线局域网时，需要选择跳频组和跳频序列。802.11标准定义了三个独立的跳频组（set），称为setl、set2和set3，每组都包含多个互不干扰的跳频序列。

跳频组和跳序列选择是任意的，实际上，可以直接使用商家提供的默认设置。

选好跳频组后，接下来就要从这个跳频组中选择一个跳频序列，产品供应商应符合802.11规范的号码来代表特定的跳频序列。

跳速是可调的，但是PMD必须以最小的跳速跳动。不同的国家对最小跳速有不同的规定，在美国，FHSS的最小跳速是每秒2.5跳。另外，北美洲和大多数欧洲国家的最小跳距是6MHz。

□HHSS频率调制功能FHSSPMD以1Mbps的速度发送二进制数据，每一种速度对应不同的调制方式。PMD对1Mbps的数据流采用二级Gaussian频移键控（GFSK）调制方法。GFSK的思想是通过改变载频的率来表示不同的二进制符号。

四、直序扩频物理接口

直序列扩频（DSSS）是物理层的一种接口。它与跳频扩频相比，具有以下特点：

□成本最高。

□能量消耗最大。

□接收口的数据率最高。

□和跳频扩频相比，它的多物理层集成能力最低。

□可支持的不同地理位置无线电小区的个数最小，所以限制了可提供的信道数。

□发送距离比跳频扩频和红外线物理层都大。

它的通信方式采用的是不覆盖脉冲，数据码速率是HMbpSo占用的带宽大概为26MHz，1SM的2.4GHz频段分成11个相互覆盖的频道。每两个信道之间的中心频带间隔是5MHz。

1.DSSS PMD服务用语

DSSS是在PLCP和PMD通过原语中进行通信，实现PLCP调度PMD发送数据、改变信道，从PLCP接收数据等功能。它使用以下几个原语：

1）PMD-DATA.request：从PLCP发往PMD的请求发送一个数据符号的原语。如果以1Mbps发送，该请求发送的符号的值为1或0的数据位；而以2Mbps发送则为任一2位数据组合。该原语必须在真正的发送数据的PMD-DATA.request原语之前发送到PLCP。

2）PMD-DATA.indicate：PMD通过执行该原语发送符号到PLCP。和PMD-DATA.request原语对应，如果以1Mbps接收，发送符号的值为1或0数据位；而以2Mbps接收则为任一2位数据组合。

3）PMD-TXSTART.request：PLCP向PMD发送该原语，启动真正的PPDU的发送。

4）PMD-TXEND.request：PLCP向PMD发送该原语，用于终止一个PPDU的发送。

5）PMD-ANTSEL.request：PLCP向PMD发送该原语，用于选择PMD将使用的天线。

6）PMD-ANTSEL.indicate：这个原语指出物理层使用哪种方式无线接收最后的PPDU。

7）PMD-TXPWRLVL.request：来自PLCP的请求确定PMD的发送级别。其值为1级、2级，一直到8级，分别对应于MIB中相应的功率级别。

8）PMD-RATE.request：PLCP发送该原语到PMD，用于确定PPDU中的MPDU部分发送的数据率（1Mbps或2Mbps），这个数据率仅仅适用于发送速率。PMD一般可以由任何可能的数据率接收数据。

9）PMD-RATE.indicate：当PMD检测PLCP前同步码中的信号（Signaling）字段时，向PLCP发送该原语，用于确定被接收帧的数据率（1Mbps或2Mbps）0

10）PMD-RSSI.indicate：PMD在接收状态利用这一原语向PLCP返回一个持续的接收器信号强度指示（RSSI），PLCP是为信道评价功能使用该原语的。RSSI的值有256级，由一个8位的数据字表示。

11）PMD-SQ.indicate：这个可选原语提供一个基于DSSSPN（伪噪声）码的信号质量（SQ）。信号质量的值是256级中的某一级，由一个8位数据字表示。

12）PMD-CS.indicate：PMD向PLCP发送该原语，指出正在对一个数据信号进行解调。也是用信号通知一个合法的802.11直接序列扩频PPDU的接收。

13）PMD-ED.indicate：这是可选原语用于指出某个PMD-RSSI.indication，给定的能量值超出了预定极限（存放在MIB的Aed-Threshold参数中），当PMD-ED.indicate原语值为，lenabled"时，表示PMD-RSSLIndication的值超过了极限；为“disabled”时，表示PMD-RSSI.Indication的值在极限以下。该原语为检测非802.11直接序列扩频信号的存在提供了一条途径，因为这些信号会超过预定义极限。

14）PMD-ED.request：PLCP使用这条原语设置能量检测极限，可以检测的最小信号。

15）PMD-CCA.indicate：一条从PMD发向PLCP的原语，用于指示基于CCA算法的射频（BF）能量探测。

2.DSSS PMD操作

DSSS PMD操作负责将PPDU的二进制数表示形式换成适合发送的无线电信号。DSSS物理层将要发送的信息用伪噪声（Pseudo-Noise，PN）码扩展到一个很宽的频带上去。信号被扩展后，其表现形式就如同噪声一样。扩展的频带越宽，信号的功率就越低，甚至扩展到功率比噪声极限还低，但同时又不损失任何信息。

五、红外线物理接口

红外线（IR）是物理层的一种接口，其特点如下：

□成本最低。

□对无线频率（Radio Frequency，RF）干扰的容忍度最高。

□相对扩频无线电系统，红外线的传播距离最短。

□抗窃听能力最强。

□多工作在有顶篷的地方（主要是在户内），顶篷作为红外线信号的反射点。

□在全世界范围内都没有频率限制。

IEEE 802.11标准推荐技术，使用时它的光波长规定在850~950mm之间。

——END——