提高WLAN前導(dǎo)碼檢測效率

前言
檢測前導(dǎo)碼可能是目前 802.11b/g WLAN 設(shè)計(jì)中耗電最多的任務(wù)。幸運(yùn)的是，可以采用一種簡單的檢測方案，讓設(shè)計(jì)人員在不同的功耗限制下進(jìn)行前導(dǎo)碼的檢測。
802.11 WLAN 功能已成為大量消費(fèi)類電子產(chǎn)品采用的主要技術(shù)，設(shè)計(jì)人員必須解決不同的功耗問題。由于 WLAN 設(shè)備只在約 3% 的時(shí)間中傳輸數(shù)據(jù)，因此 WLAN 設(shè)備在‘等待’WLAN 通信流量狀態(tài)下的功耗就成為一種關(guān)鍵性參數(shù)。有鑒于此，設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建具備 802.11b/g 功能的架構(gòu)時(shí)就必須特別注意前導(dǎo)碼檢測技術(shù)。
本文將討論上述挑戰(zhàn)，并談?wù)勗O(shè)計(jì) WLAN 前導(dǎo)碼檢測方法時(shí)遇到的各種問題與折中權(quán)衡。還將提供一種前導(dǎo)碼檢測方法，其可在不同的功耗限制條件下用于檢測 WLAN 數(shù)據(jù)包，此外，針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何根據(jù) WLAN 設(shè)備的操作環(huán)境做出選擇這一問題給出一些指導(dǎo)性意見。

前導(dǎo)碼格式
在符合 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)的 WLAN 設(shè)備中，基本有兩種前導(dǎo)碼：一個(gè)用于直接序列擴(kuò)頻 (DSSS) 模式，它由 802.11b 繼承而來；另一個(gè)則用于正交頻分復(fù)用 (OFDM)模式，它由 802.11a 繼承而來。
DSSS 前導(dǎo)碼是以11MHz的芯片速率傳輸?shù)囊幌盗?Barker-11序列。每個(gè)序列由偽隨機(jī)序列輸出進(jìn)行調(diào)制(即按定義傳輸或根據(jù)輸出逆向)。這是一個(gè)以時(shí)域?yàn)閷?dǎo)向的描述。前導(dǎo)碼的基本周期為1ms，如圖1所示。
在頻域中對(duì) OFDM 前導(dǎo)碼進(jìn)行了描述。它由一系列音調(diào) (tone) 組成，其頻率為 1.25MHz 的倍數(shù)，且調(diào)整后的相位可生成帶有小峰值與平均功率比的波形。這就在時(shí)域中形成一種每 0.8ms重復(fù)一次的模式。OFDM 前導(dǎo)碼的基本周期時(shí)域如圖 2所示。
WLAN 設(shè)備傳輸與跟隨數(shù)據(jù)模式相關(guān)聯(lián)的前導(dǎo)碼。傳統(tǒng)的 802.11b 數(shù)據(jù)模式(1、2、5.5 以及 11Mbit/s)以及可選的 802.11g 22Mbit/s 模式前面都有 DSSS 前導(dǎo)碼。基于 802.11a 的數(shù)據(jù)模式(6、9、12、18、24、36、48和54 Mbit/s)前面都有 OFDM 前導(dǎo)碼。為了獲得可用的最高吞吐量，接收設(shè)備必須在其開始抵達(dá)的4ms時(shí)間內(nèi)檢測上述前導(dǎo)碼。檢測到前導(dǎo)碼后，檢測確認(rèn)信息必須傳遞給媒體接入控制器(MAC)，以確保所有計(jì)劃中的傳輸都被延遲，直到媒體空閑時(shí)才進(jìn)行。媒體的狀態(tài)由信道空閑評(píng)估 (CCA) 指針信號(hào)傳遞。這樣，802.11 協(xié)議就能使傳輸過程中的沖突降低到最小限度。

前導(dǎo)碼的使用
前導(dǎo)碼最明顯的用途就是顯示 WLAN 數(shù)據(jù)包正在被發(fā)送。事實(shí)上，檢測前導(dǎo)碼是接收數(shù)據(jù)包的一個(gè)前提。如果未接到某個(gè)數(shù)據(jù)包，那么網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受影響。有鑒于此，只要前導(dǎo)碼存在，算法設(shè)計(jì)人員就要聲明檢測到數(shù)據(jù)包。
但是，如果虛假聲明檢測到數(shù)據(jù)包，也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致任何未決的傳輸發(fā)生不必要的延遲。虛假聲明數(shù)據(jù)包檢測還會(huì)造成另一結(jié)果，就是可能進(jìn)行額外的信號(hào)處理，從而消耗更多功率。在處理過程中它還會(huì)造成丟失真正數(shù)據(jù)包的風(fēng)險(xiǎn)。
了解到這一點(diǎn)，算法設(shè)計(jì)人員就必須認(rèn)真進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)人員即便在最壞的條件下也必須檢測數(shù)據(jù)包，以增大設(shè)備的操作覆蓋范圍，此外，只要確定存在數(shù)據(jù)包，就必須聲明檢測到數(shù)據(jù)包，從而最大程度地降低功耗。
除了采用前導(dǎo)碼檢測數(shù)據(jù)包之外，還必須決定正在接收的是哪一類型的傳輸，從而選擇適當(dāng)?shù)奶幚?。WLAN 設(shè)備還需要依靠前導(dǎo)碼校準(zhǔn)(train)其某些接收機(jī)功能。就 OFDM 前導(dǎo)碼的情況而言，WLAN 設(shè)備必須校準(zhǔn)其自動(dòng)增益控制 (AGC)，如果啟用多樣性則還應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)奶炀€，此外還要大致估計(jì)傳輸與接收設(shè)備間的頻率失調(diào)。OFDM校準(zhǔn)序列在這部分可能還要進(jìn)行其它校準(zhǔn)功能，但也可稍后進(jìn)行。
就DSSS前導(dǎo)碼的情況而言，WLAN 設(shè)備也應(yīng)在接收前導(dǎo)碼時(shí)校準(zhǔn)其 AGC，但是，由于 DSSS前導(dǎo)碼較長，因此 WLAN 設(shè)備可能延遲所有其它校準(zhǔn)，直到前導(dǎo)碼檢測確認(rèn)后再進(jìn)行。同樣，在啟用多樣性的情況下，還必須選擇適當(dāng)?shù)奶炀€。
顯然，檢測算法的設(shè)計(jì)必須能在 AGC 校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行工作。AGC校準(zhǔn)算法可能是迭代重復(fù)的，這種情況只在嘗試縮放信號(hào)達(dá)到ADC的轉(zhuǎn)換范圍時(shí)出現(xiàn)。這使得信號(hào)水平在檢測算法輸入處有所差異。除此之外，檢測算法還必須具備穩(wěn)健性，能夠抵御無線環(huán)境中存在的各種障礙性因素。
障礙性因素的影響
盡管前導(dǎo)碼的傳輸定義很明確，但實(shí)際接收的內(nèi)容則取決于發(fā)送器到接收機(jī)傳輸過程中遇到的障礙性因素。兩種前導(dǎo)碼的設(shè)計(jì)都具有低峰值到平均功率比，這樣就能最小化剪輯信號(hào)或信號(hào)分辨率的問題。但是，頻率失調(diào)、多路徑和熱噪聲等障礙性因素都會(huì)影響前導(dǎo)碼，使之難以辨認(rèn)。檢測算法必須考慮到上述所有因素。
頻率失調(diào)的影響是使頻域信號(hào)的頻譜偏移。此外，也可將其視作時(shí)域的滾動(dòng)。多路徑看起來像是原始信號(hào)的副本與不同的加權(quán)和相位拼加得來，因此某些情況下會(huì)使信號(hào)失真，難以辨認(rèn)。如果在接收范圍的極限處，熱噪聲可能和所需信號(hào)的水平相似，這也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)難以辨認(rèn)。由于802.11協(xié)議的靈活性，因此上述所有障礙性因素就各數(shù)據(jù)包而言各有差異，因此也是不能預(yù)見和去除的。
上述障礙性因素出現(xiàn)在純粹 WLAN 的環(huán)境中。由于 802.11g WLAN 設(shè)備的工作頻率與微波爐、藍(lán)牙或無繩電話相同，因此還要避免許多其它信號(hào)。干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致檢測算法虛假聲明檢測到WLAN前導(dǎo)碼。
另一個(gè)問題就是與其它WLAN設(shè)備過于接近。盡管5GHz 頻帶中的 WLAN 部署間有 20MHz 的間距，但802.11g WLAN部署只有 5MHz 的間距。這是 OFDM 前導(dǎo)碼中音調(diào)間距 1.25MHz 的數(shù)倍。上述信號(hào)要避免虛假檢測就要求特別注意檢測算法的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在上述情況下，WLAN 設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以聲明通道不可用，因此設(shè)計(jì)會(huì)讓檢測算法在干擾一停止就馬上返回等待狀態(tài)。

檢測架構(gòu)
在保證進(jìn)行最少量的信號(hào)處理情況下，檢測任何信號(hào)的最簡單方法就是等待環(huán)境中的能量是否增加，可實(shí)施模擬或數(shù)字域的能量檢測器。這里設(shè)置一個(gè)閾值，只要能量超過該閾值，就會(huì)啟動(dòng)數(shù)字處理。不過這樣做并不一定能實(shí)現(xiàn)真正的經(jīng)濟(jì)性，特別是在802.11g WLAN 設(shè)備潛在噪音環(huán)境較嚴(yán)重的情況下更是如此。如果環(huán)境中存在許多其它信號(hào)，或者需要較高的敏感度的話，那么功耗很多的數(shù)字信號(hào)處理就會(huì)多次啟動(dòng)。為了避免這種問題，應(yīng)利用信號(hào)的某些屬性。
如果檢測算法只需檢測OFDM前導(dǎo)碼，則可采用各種穩(wěn)健性很高的算法。有些算法以快速傅立葉變換(FFT)或梳狀濾波器利用信號(hào)頻率內(nèi)容，可以高效地利用上述算法。上述架構(gòu)對(duì)DSSS前導(dǎo)碼不適用。
與此類似，還可以采用簡單的匹配過濾器架構(gòu)來檢測 DSSS 前導(dǎo)碼，而且其穩(wěn)健性相當(dāng)高。這種架構(gòu)的問題不在于其穩(wěn)健性或復(fù)雜性，而在于反應(yīng)速度。盡管這是802.11 WLAN設(shè)備設(shè)計(jì)人員的首選方法，但新的要求必須在4ms內(nèi)或四個(gè)DSSS前導(dǎo)碼周期內(nèi)檢測前導(dǎo)碼，這就使得上述實(shí)施難以成立了。由于其長度的關(guān)系，該架構(gòu)也不適于 OFDM 前導(dǎo)碼。
更好的方法是采用前導(dǎo)碼的周期性特性。除了頻率失調(diào)極高的情況外，無線環(huán)境中不管受到什么障礙性因素影響，該屬性都存在。幸運(yùn)的是，最大頻率失調(diào)限制在就802.11g標(biāo)準(zhǔn)而言較低的水平上 (50ppm)。
為了充分利用前導(dǎo)碼的周期性，可采用自動(dòng)校正結(jié)構(gòu)。由于 DSSS 前導(dǎo)碼和 OFDM 前導(dǎo)碼都有清晰定義的周期，因此可以設(shè)計(jì)出一個(gè)適于兩種周期的結(jié)構(gòu)。將時(shí)域中接收的采樣與0.8ms和1ms前接收采樣相比較，就能得到兩種前導(dǎo)碼接收的匹配情況。當(dāng)然，DSSS前導(dǎo)碼調(diào)制必須剝離，這樣才能看到周期性。
周期性的差異可用來區(qū)分兩種前導(dǎo)碼。為了讓檢測的把握性更高，可監(jiān)控?cái)?shù)個(gè)周期。一系列4ms采樣很方便，因?yàn)檫@涵蓋了DSSS前導(dǎo)碼的四個(gè)周期和OFDM前導(dǎo)碼的五個(gè)周期。這樣，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健而快速并能區(qū)別兩種前導(dǎo)碼的檢測算法，只需找到關(guān)聯(lián)4ms以上周期采樣的延遲線并將關(guān)聯(lián)與閾值相比較即可。
為了優(yōu)化實(shí)施，需要AGC步進(jìn)變化。AGC的變化必須同時(shí)發(fā)生，這樣分組檢測撤出采樣以實(shí)現(xiàn)完全精確關(guān)聯(lián)的性能。為了免除上述復(fù)雜性并節(jié)約功耗，可以將關(guān)聯(lián)剛好減少至接收采樣符號(hào)位的水平，從而 實(shí)現(xiàn)這一目的。該技術(shù)實(shí)施方法簡單而且效率較高。圖3顯示了以上各段介紹的算法基本結(jié)構(gòu)。
在4ms內(nèi)聲明檢測到前導(dǎo)碼確實(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p失一定的可靠性。理想狀態(tài)下，檢測會(huì)在更長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。在802.11標(biāo)準(zhǔn)中，在最初采用DSSS前導(dǎo)碼時(shí)，接收機(jī)有15ms的時(shí)間做出決定。在802.11a標(biāo)準(zhǔn)中，最初采用OFDM前導(dǎo)碼時(shí)，即便在相當(dāng)好的條件下，信噪比(SNR)為 10dB 時(shí)，檢測也只預(yù)計(jì)達(dá)到90%的準(zhǔn)確度。由于上述原因，WLAN設(shè)計(jì)人員確實(shí)需要一種方法來保證引發(fā)數(shù)據(jù)包檢測的信號(hào)確實(shí)是所需的前同步代碼?？刹捎脴?biāo)準(zhǔn)匹配過濾器來實(shí)現(xiàn)此目的，因?yàn)樾诺缆暶鳛檎加煤髸?huì)有確認(rèn)的時(shí)間。匹配過濾器只需接收采樣的符號(hào)位就可操作，這與關(guān)聯(lián)器一樣。這樣就可以利用相當(dāng)簡單而穩(wěn)健性又較高的確認(rèn)方法。進(jìn)行該確認(rèn)后，只需打開完全精確的信號(hào)處理。這樣，WLAN 設(shè)備就可具備低功率檢測電路和低功率確認(rèn)電路。圖4顯示了802.11g WLAN設(shè)備中所得的信號(hào)流。
一旦聲明了前導(dǎo)碼，設(shè)備就肯定會(huì)表明媒體被占用。如果檢測到真正的前導(dǎo)碼的話，這就反映了協(xié)議是如何避免沖突的。但是，如果檢測是假的，那就會(huì)損失吞吐量。為了最小化吞吐量的損失，設(shè)計(jì)人員可提高用于聲明數(shù)據(jù)包檢測的閾值，這就讓聲明數(shù)據(jù)包變得更為困難。WLAN設(shè)備只有在前導(dǎo)碼特別強(qiáng)的情況下才會(huì)聲明數(shù)據(jù)包檢測。當(dāng)然，這又會(huì)提高設(shè)備丟失有效數(shù)據(jù)包的可能性。設(shè)計(jì)人員必須在可能損失吞吐量和可能丟失有效數(shù)據(jù)包間進(jìn)行折中選擇，這可能要由應(yīng)用決定，不過由于上述情況僅由改變閾值決定，因此也與信號(hào)質(zhì)量有關(guān)。

結(jié)語
顯然，設(shè)計(jì)人員應(yīng)調(diào)節(jié)其前導(dǎo)碼檢測方案以滿足實(shí)施 WLAN 技術(shù)的不同系統(tǒng)的要求。正如前面討論中所指出的一種相當(dāng)簡單的檢測方案，設(shè)計(jì)人員用它可快速找到前導(dǎo)碼，同時(shí)又能滿足PDA、手機(jī)、小區(qū)網(wǎng)關(guān)以及其它通信設(shè)備的不同功耗要求。■