提高WLAN前導碼檢測效率

前言
檢測前導碼可能是目前 802.11b/g WLAN 設計中耗電最多的任務。幸運的是，可以采用一種簡單的檢測方案，讓設計人員在不同的功耗限制下進行前導碼的檢測。
802.11 WLAN 功能已成為大量消費類電子產(chǎn)品采用的主要技術，設計人員必須解決不同的功耗問題。由于 WLAN 設備只在約 3% 的時間中傳輸數(shù)據(jù)，因此 WLAN 設備在‘等待’WLAN 通信流量狀態(tài)下的功耗就成為一種關鍵性參數(shù)。有鑒于此，設計人員在構建具備 802.11b/g 功能的架構時就必須特別注意前導碼檢測技術。
本文將討論上述挑戰(zhàn)，并談談設計 WLAN 前導碼檢測方法時遇到的各種問題與折中權衡。還將提供一種前導碼檢測方法，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，針對系統(tǒng)設計人員如何根據(jù) WLAN 設備的操作環(huán)境做出選擇這一問題給出一些指導性意見。

前導碼格式
在符合 802.11g 標準的 WLAN 設備中，基本有兩種前導碼：一個用于直接序列擴頻 (DSSS) 模式，它由 802.11b 繼承而來；另一個則用于正交頻分復用 (OFDM)模式，它由 802.11a 繼承而來。
DSSS 前導碼是以11MHz的芯片速率傳輸?shù)囊幌盗?Barker-11序列。每個序列由偽隨機序列輸出進行調(diào)制(即按定義傳輸或根據(jù)輸出逆向)。這是一個以時域為導向的描述。前導碼的基本周期為1ms，如圖1所示。
在頻域中對 OFDM 前導碼進行了描述。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。這就在時域中形成一種每 0.8ms重復一次的模式。OFDM 前導碼的基本周期時域如圖 2所示。
WLAN 設備傳輸與跟隨數(shù)據(jù)模式相關聯(lián)的前導碼。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 前導碼?；?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 前導碼。為了獲得可用的最高吞吐量，接收設備必須在其開始抵達的4ms時間內(nèi)檢測上述前導碼。檢測到前導碼后，檢測確認信息必須傳遞給媒體接入控制器(MAC)，以確保所有計劃中的傳輸都被延遲，直到媒體空閑時才進行。媒體的狀態(tài)由信道空閑評估 (CCA) 指針信號傳遞。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。

前導碼的使用
前導碼最明顯的用途就是顯示 WLAN 數(shù)據(jù)包正在被發(fā)送。事實上，檢測前導碼是接收數(shù)據(jù)包的一個前提。如果未接到某個數(shù)據(jù)包，那么網(wǎng)絡性能會受影響。有鑒于此，只要前導碼存在，算法設計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，也會影響網(wǎng)絡性能，因為這會導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)包檢測還會造成另一結果，就是可能進行額外的信號處理，從而消耗更多功率。在處理過程中它還會造成丟失真正數(shù)據(jù)包的風險。
了解到這一點，算法設計人員就必須認真進行選擇。設計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?shù)奶幚?。WLAN 設備還需要依靠前導碼校準(train)其某些接收機功能。就 OFDM 前導碼的情況而言，WLAN 設備必須校準其自動增益控制 (AGC)，如果啟用多樣性則還應選擇適當?shù)奶炀€，此外還要大致估計傳輸與接收設備間的頻率失調(diào)。OFDM校準序列在這部分可能還要進行其它校準功能，但也可稍后進行。
就DSSS前導碼的情況而言，WLAN 設備也應在接收前導碼時校準其 AGC，但是，由于 DSSS前導碼較長，因此 WLAN 設備可能延遲所有其它校準，直到前導碼檢測確認后再進行。同樣，在啟用多樣性的情況下，還必須選擇適當?shù)奶炀€。
顯然，檢測算法的設計必須能在 AGC 校準時進行工作。AGC校準算法可能是迭代重復的，這種情況只在嘗試縮放信號達到ADC的轉(zhuǎn)換范圍時出現(xiàn)。這使得信號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
盡管前導碼的傳輸定義很明確，但實際接收的內(nèi)容則取決于發(fā)送器到接收機傳輸過程中遇到的障礙性因素。兩種前導碼的設計都具有低峰值到平均功率比，這樣就能最小化剪輯信號或信號分辨率的問題。但是，頻率失調(diào)、多路徑和熱噪聲等障礙性因素都會影響前導碼，使之難以辨認。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的頻譜偏移。此外，也可將其視作時域的滾動。多路徑看起來像是原始信號的副本與不同的加權和相位拼加得來，因此某些情況下會使信號失真，難以辨認。如果在接收范圍的極限處，熱噪聲可能和所需信號的水平相似，這也會導致信號難以辨認。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 設備的工作頻率與微波爐、藍牙或無繩電話相同，因此還要避免許多其它信號。干擾信號會導致檢測算法虛假聲明檢測到WLAN前導碼。
另一個問題就是與其它WLAN設備過于接近。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 前導碼中音調(diào)間距 1.25MHz 的數(shù)倍。上述信號要避免虛假檢測就要求特別注意檢測算法的設計。當然，在上述情況下，WLAN 設備設計人員可以聲明通道不可用，因此設計會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
在保證進行最少量的信號處理情況下，檢測任何信號的最簡單方法就是等待環(huán)境中的能量是否增加，可實施模擬或數(shù)字域的能量檢測器。這里設置一個閾值，只要能量超過該閾值，就會啟動數(shù)字處理。不過這樣做并不一定能實現(xiàn)真正的經(jīng)濟性，特別是在802.11g WLAN 設備潛在噪音環(huán)境較嚴重的情況下更是如此。如果環(huán)境中存在許多其它信號，或者需要較高的敏感度的話，那么功耗很多的數(shù)字信號處理就會多次啟動。為了避免這種問題，應利用信號的某些屬性。
如果檢測算法只需檢測OFDM前導碼，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頻率內(nèi)容，可以高效地利用上述算法。上述架構對DSSS前導碼不適用。
與此類似，還可以采用簡單的匹配過濾器架構來檢測 DSSS 前導碼，而且其穩(wěn)健性相當高。這種架構的問題不在于其穩(wěn)健性或復雜性，而在于反應速度。盡管這是802.11 WLAN設備設計人員的首選方法，但新的要求必須在4ms內(nèi)或四個DSSS前導碼周期內(nèi)檢測前導碼，這就使得上述實施難以成立了。由于其長度的關系，該架構也不適于 OFDM 前導碼。
更好的方法是采用前導碼的周期性特性。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。幸運的是，最大頻率失調(diào)限制在就802.11g標準而言較低的水平上 (50ppm)。
為了充分利用前導碼的周期性，可采用自動校正結構。由于 DSSS 前導碼和 OFDM 前導碼都有清晰定義的周期，因此可以設計出一個適于兩種周期的結構。將時域中接收的采樣與0.8ms和1ms前接收采樣相比較，就能得到兩種前導碼接收的匹配情況。當然，DSSS前導碼調(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)分兩種前導碼。為了讓檢測的把握性更高，可監(jiān)控數(shù)個周期。一系列4ms采樣很方便，因為這涵蓋了DSSS前導碼的四個周期和OFDM前導碼的五個周期。這樣，為了實現(xiàn)穩(wěn)健而快速并能區(qū)別兩種前導碼的檢測算法，只需找到關聯(lián)4ms以上周期采樣的延遲線并將關聯(lián)與閾值相比較即可。
為了優(yōu)化實施，需要AGC步進變化。AGC的變化必須同時發(fā)生，這樣分組檢測撤出采樣以實現(xiàn)完全精確關聯(lián)的性能。為了免除上述復雜性并節(jié)約功耗，可以將關聯(lián)剛好減少至接收采樣符號位的水平，從而 實現(xiàn)這一目的。該技術實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構。
在4ms內(nèi)聲明檢測到前導碼確實會導致?lián)p失一定的可靠性。理想狀態(tài)下，檢測會在更長的時間內(nèi)進行。在802.11標準中，在最初采用DSSS前導碼時，接收機有15ms的時間做出決定。在802.11a標準中，最初采用OFDM前導碼時，即便在相當好的條件下，信噪比(SNR)為 10dB 時，檢測也只預計達到90%的準確度。由于上述原因，WLAN設計人員確實需要一種方法來保證引發(fā)數(shù)據(jù)包檢測的信號確實是所需的前同步代碼?？刹捎脴藴势ヅ溥^濾器來實現(xiàn)此目的，因為信道聲明為占用后會有確認的時間。匹配過濾器只需接收采樣的符號位就可操作，這與關聯(lián)器一樣。這樣就可以利用相當簡單而穩(wěn)健性又較高的確認方法。進行該確認后，只需打開完全精確的信號處理。這樣，WLAN 設備就可具備低功率檢測電路和低功率確認電路。圖4顯示了802.11g WLAN設備中所得的信號流。
一旦聲明了前導碼，設備就肯定會表明媒體被占用。如果檢測到真正的前導碼的話，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，那就會損失吞吐量。為了最小化吞吐量的損失，設計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設備只有在前導碼特別強的情況下才會聲明數(shù)據(jù)包檢測。當然，這又會提高設備丟失有效數(shù)據(jù)包的可能性。設計人員必須在可能損失吞吐量和可能丟失有效數(shù)據(jù)包間進行折中選擇，這可能要由應用決定，不過由于上述情況僅由改變閾值決定，因此也與信號質(zhì)量有關。

結語
顯然，設計人員應調(diào)節(jié)其前導碼檢測方案以滿足實施 WLAN 技術的不同系統(tǒng)的要求。正如前面討論中所指出的一種相當簡單的檢測方案，設計人員用它可快速找到前導碼，同時又能滿足PDA、手機、小區(qū)網(wǎng)關以及其它通信設備的不同功耗要求。■