提高WLAN前导码检测效率

前言
检测前导码可能是目前 802.11b/g WLAN 设计中耗电最多的任务。幸运的是，可以采用一种简单的检测方案，让设计人员在不同的功耗限制下进行前导码的检测。
802.11 WLAN 功能已成为大量消费类电子产品采用的主要技术，设计人员必须解决不同的功耗问题。由于 WLAN 设备只在约 3% 的时间中传输数据，因此 WLAN 设备在‘等待’WLAN 通信流量状态下的功耗就成为一种关键性参数。有鉴于此，设计人员在构建具备 802.11b/g 功能的架构时就必须特别注意前导码检测技术。
本文将讨论上述挑战，并谈谈设计 WLAN 前导码检测方法时遇到的各种问题与折中权衡。还将提供一种前导码检测方法，其可在不同的功耗限制条件下用于检测 WLAN 数据包，此外，针对系统设计人员如何根据 WLAN 设备的操作环境做出选择这一问题给出一些指导性意见。

前导码格式
在符合 802.11g 标准的 WLAN 设备中，基本有两种前导码：一个用于直接序列扩频 (DSSS) 模式，它由 802.11b 继承而来；另一个则用于正交频分复用 (OFDM)模式，它由 802.11a 继承而来。
DSSS 前导码是以11MHz的芯片速率传输的一系列 Barker-11序列。每个序列由伪随机序列输出进行调制(即按定义传输或根据输出逆向)。这是一个以时域为导向的描述。前导码的基本周期为1ms，如图1所示。
在频域中对 OFDM 前导码进行了描述。它由一系列音调 (tone) 组成，其频率为 1.25MHz 的倍数，且调整后的相位可生成带有小峰值与平均功率比的波形。这就在时域中形成一种每 0.8ms重复一次的模式。OFDM 前导码的基本周期时域如图 2所示。
WLAN 设备传输与跟随数据模式相关联的前导码。传统的 802.11b 数据模式(1、2、5.5 以及 11Mbit/s)以及可选的 802.11g 22Mbit/s 模式前面都有 DSSS 前导码。基于 802.11a 的数据模式(6、9、12、18、24、36、48和54 Mbit/s)前面都有 OFDM 前导码。为了获得可用的最高吞吐量，接收设备必须在其开始抵达的4ms时间内检测上述前导码。检测到前导码后，检测确认信息必须传递给媒体接入控制器(MAC)，以确保所有计划中的传输都被延迟，直到媒体空闲时才进行。媒体的状态由信道空闲评估 (CCA) 指针信号传递。这样，802.11 协议就能使传输过程中的冲突降低到最小限度。

前导码的使用
前导码最明显的用途就是显示 WLAN 数据包正在被发送。事实上，检测前导码是接收数据包的一个前提。如果未接到某个数据包，那么网络性能会受影响。有鉴于此，只要前导码存在，算法设计人员就要声明检测到数据包。
但是，如果虚假声明检测到数据包，也会影响网络性能，因为这会导致任何未决的传输发生不必要的延迟。虚假声明数据包检测还会造成另一结果，就是可能进行额外的信号处理，从而消耗更多功率。在处理过程中它还会造成丢失真正数据包的风险。
了解到这一点，算法设计人员就必须认真进行选择。设计人员即便在最坏的条件下也必须检测数据包，以增大设备的操作覆盖范围，此外，只要确定存在数据包，就必须声明检测到数据包，从而最大程度地降低功耗。
除了采用前导码检测数据包之外，还必须决定正在接收的是哪一类型的传输，从而选择适当的处理。WLAN 设备还需要依靠前导码校准(train)其某些接收机功能。就 OFDM 前导码的情况而言，WLAN 设备必须校准其自动增益控制 (AGC)，如果启用多样性则还应选择适当的天线，此外还要大致估计传输与接收设备间的频率失调。OFDM校准序列在这部分可能还要进行其它校准功能，但也可稍后进行。
就DSSS前导码的情况而言，WLAN 设备也应在接收前导码时校准其 AGC，但是，由于 DSSS前导码较长，因此 WLAN 设备可能延迟所有其它校准，直到前导码检测确认后再进行。同样，在启用多样性的情况下，还必须选择适当的天线。
显然，检测算法的设计必须能在 AGC 校准时进行工作。AGC校准算法可能是迭代重复的，这种情况只在尝试缩放信号达到ADC的转换范围时出现。这使得信号水平在检测算法输入处有所差异。除此之外，检测算法还必须具备稳健性，能够抵御无线环境中存在的各种障碍性因素。
障碍性因素的影响
尽管前导码的传输定义很明确，但实际接收的内容则取决于发送器到接收机传输过程中遇到的障碍性因素。两种前导码的设计都具有低峰值到平均功率比，这样就能最小化剪辑信号或信号分辨率的问题。但是，频率失调、多路径和热噪声等障碍性因素都会影响前导码，使之难以辨认。检测算法必须考虑到上述所有因素。
频率失调的影响是使频域信号的频谱偏移。此外，也可将其视作时域的滚动。多路径看起来像是原始信号的副本与不同的加权和相位拼加得来，因此某些情况下会使信号失真，难以辨认。如果在接收范围的极限处，热噪声可能和所需信号的水平相似，这也会导致信号难以辨认。由于802.11协议的灵活性，因此上述所有障碍性因素就各数据包而言各有差异，因此也是不能预见和去除的。
上述障碍性因素出现在纯粹 WLAN 的环境中。由于 802.11g WLAN 设备的工作频率与微波炉、蓝牙或无绳电话相同，因此还要避免许多其它信号。干扰信号会导致检测算法虚假声明检测到WLAN前导码。
另一个问题就是与其它WLAN设备过于接近。尽管5GHz 频带中的 WLAN 部署间有 20MHz 的间距，但802.11g WLAN部署只有 5MHz 的间距。这是 OFDM 前导码中音调间距 1.25MHz 的数倍。上述信号要避免虚假检测就要求特别注意检测算法的设计。当然，在上述情况下，WLAN 设备设计人员可以声明通道不可用，因此设计会让检测算法在干扰一停止就马上返回等待状态。

检测架构
在保证进行最少量的信号处理情况下，检测任何信号的最简单方法就是等待环境中的能量是否增加，可实施模拟或数字域的能量检测器。这里设置一个阈值，只要能量超过该阈值，就会启动数字处理。不过这样做并不一定能实现真正的经济性，特别是在802.11g WLAN 设备潜在噪音环境较严重的情况下更是如此。如果环境中存在许多其它信号，或者需要较高的敏感度的话，那么功耗很多的数字信号处理就会多次启动。为了避免这种问题，应利用信号的某些属性。
如果检测算法只需检测OFDM前导码，则可采用各种稳健性很高的算法。有些算法以快速傅立叶变换(FFT)或梳状滤波器利用信号频率内容，可以高效地利用上述算法。上述架构对DSSS前导码不适用。
与此类似，还可以采用简单的匹配过滤器架构来检测 DSSS 前导码，而且其稳健性相当高。这种架构的问题不在于其稳健性或复杂性，而在于反应速度。尽管这是802.11 WLAN设备设计人员的首选方法，但新的要求必须在4ms内或四个DSSS前导码周期内检测前导码，这就使得上述实施难以成立了。由于其长度的关系，该架构也不适于 OFDM 前导码。
更好的方法是采用前导码的周期性特性。除了频率失调极高的情况外，无线环境中不管受到什么障碍性因素影响，该属性都存在。幸运的是，最大频率失调限制在就802.11g标准而言较低的水平上 (50ppm)。
为了充分利用前导码的周期性，可采用自动校正结构。由于 DSSS 前导码和 OFDM 前导码都有清晰定义的周期，因此可以设计出一个适于两种周期的结构。将时域中接收的采样与0.8ms和1ms前接收采样相比较，就能得到两种前导码接收的匹配情况。当然，DSSS前导码调制必须剥离，这样才能看到周期性。
周期性的差异可用来区分两种前导码。为了让检测的把握性更高，可监控数个周期。一系列4ms采样很方便，因为这涵盖了DSSS前导码的四个周期和OFDM前导码的五个周期。这样，为了实现稳健而快速并能区别两种前导码的检测算法，只需找到关联4ms以上周期采样的延迟线并将关联与阈值相比较即可。
为了优化实施，需要AGC步进变化。AGC的变化必须同时发生，这样分组检测撤出采样以实现完全精确关联的性能。为了免除上述复杂性并节约功耗，可以将关联刚好减少至接收采样符号位的水平，从而 实现这一目的。该技术实施方法简单而且效率较高。图3显示了以上各段介绍的算法基本结构。
在4ms内声明检测到前导码确实会导致损失一定的可靠性。理想状态下，检测会在更长的时间内进行。在802.11标准中，在最初采用DSSS前导码时，接收机有15ms的时间做出决定。在802.11a标准中，最初采用OFDM前导码时，即便在相当好的条件下，信噪比(SNR)为 10dB 时，检测也只预计达到90%的准确度。由于上述原因，WLAN设计人员确实需要一种方法来保证引发数据包检测的信号确实是所需的前同步代码。可采用标准匹配过滤器来实现此目的，因为信道声明为占用后会有确认的时间。匹配过滤器只需接收采样的符号位就可操作，这与关联器一样。这样就可以利用相当简单而稳健性又较高的确认方法。进行该确认后，只需打开完全精确的信号处理。这样，WLAN 设备就可具备低功率检测电路和低功率确认电路。图4显示了802.11g WLAN设备中所得的信号流。
一旦声明了前导码，设备就肯定会表明媒体被占用。如果检测到真正的前导码的话，这就反映了协议是如何避免冲突的。但是，如果检测是假的，那就会损失吞吐量。为了最小化吞吐量的损失，设计人员可提高用于声明数据包检测的阈值，这就让声明数据包变得更为困难。WLAN设备只有在前导码特别强的情况下才会声明数据包检测。当然，这又会提高设备丢失有效数据包的可能性。设计人员必须在可能损失吞吐量和可能丢失有效数据包间进行折中选择，这可能要由应用决定，不过由于上述情况仅由改变阈值决定，因此也与信号质量有关。

结语
显然，设计人员应调节其前导码检测方案以满足实施 WLAN 技术的不同系统的要求。正如前面讨论中所指出的一种相当简单的检测方案，设计人员用它可快速找到前导码，同时又能满足PDA、手机、小区网关以及其它通信设备的不同功耗要求。■