802.11--802.11a协议

一. 概述
　　时间再次回到1999年，IEEE发布了802.11a标准，这个标准虽然未曾得到大规模使用，但它的出现，无线网络的速率开始大幅提升，直接从11b的11M提升到了54M，而且体验上也是有质的飞跃，主要是两个方面：
　　1. High-speed Physical Layer：OFDM PHY拥有更高的频谱效率；
　　2. 5 GHZ Band：信道数量更多，且没有其他系统的干扰（比如微波炉、某些监护设备等）；

二. 专业术语
　　本小节对一些专业术语进行一个简要的说明，如下：
　　1. FFT：Fast Fourier Transform；
　　2. IFFT：inverse Fast Fourier Transform；
　　3. GI：guard interval；
　　4. OFDM：orthogonal frequency division multiplexing；
　　5. PER：packet error rate；
　　6. BPSK：binary phase shift keying；
　　7. QPSK：quadrature phase shift keying；
　　8. QAM：quadrature amplitude modulation；
　　9. U-NII：unlicensed national information infrastructure；
　　10. STF：Short Training Field；
　　11. LTF：Long Training Field；
　　12. ISI：Inter-Symbol Interference；
　　13. ICI：Inter-Channel Interference；
　　14. CP：Cyclic Prefix;

三. OFDM PHY
　　这是目前为止802.11的第4种PHY，前面三种分别是：FHSS、DSSS、HR/DSSS。
　　1. 工作频道：5G频段，只是一个泛称，并不是真的是5GHz这个点，实际上已经快到6GHz了；
　　2. 信道划分：两个信道之间频率相差5MHz（与之前保持一致），但有新的特点：
　　　1) 信道标号范围：0~200，但实际使用的信道：36~161；
　　　2) 中心频率的计算方式：5000 + 5 x 信道标号，单位是MHz，比如36信道的中心频点：5000 + 5 x 36 = 5180MHz；
　　　3) 不同的国家规定使用的信道不一样，比如美国可以使用的信道如下：

　　　4) 每个信道带宽为20MHz（后面还支持10MHz、5MHz），跟802.11b的22MHz稍有差别；
　　3. 编码调制：支持4中调制方式，分别为BPSK OFDM、QPSK OFDM、16-QAM OFDM、64-QAM OFDM，也是首次引入QAM调制方式；
　　4. 数据速率：支持的速率就比较多了，如下所示（其中6,12,24为必须支持的速率，也称为基础速率集），其中编码率有1/2, 2/3, 3/4这3种，

　　5. PPDU帧结构：这个相对复杂一些，下一章节单独讲述；
　　6. 信道评估CS/CCA：和之前相比没有打的区别，cca的灵敏度：如果检测到了OFDM Preamble且信号强度大于等-82dBm，或者错过了OFDM Preamble但检测到能量大于-62dBm，都需要将媒介标记忙碌状态；
　　7. PHY特性参数：

四. 802.11a PPDU帧结构
　　1. 《IEEE 802.11-2007》标准中结构如下图所示，很之前的几种PHY类型的PLCP Preamble和Header而言，没有那么直观的感觉：

　　2. 再参考一下来自泰克的《802.11物理层和发射机测量概述》，其中的结构更加简单好理解一些，如下所示：

　　3. 和之前几种类型PHY，最直观的差异点是：OFDM PHY的长度不再是bit为单位，变成了OFDM Symbol（符号），关于OFDM Symbol的介绍，可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/390965474；
　　4. 仔细观察的话会发现：这两文档对PLCP Preamble的长度定义不一样，《IEEE 802.11-2007》长度是12 Symbols，但《802.11物理层和发射机测量概述》中是4 Symbols，造成这个的原因是：
　　　1) 《IEEE 802.11-2007》：10 short symbols + 2 long symbols，如果把Symbol看做时域单位的话，1个long symbols的长度等于OFDM Symbol（含CP）的长度：4us，而1个short symbols的长度只有OFDM Symbol（含CP）长度的1/5：0.8us，但它有10个一模一样的，所以总共长度相当于两个OFDM Symbol的长度，详情如下所示：

　　　2) 《802.11物理层和发射机测量概述》：4个OFDM Symbols，它则没有详细计算不同种类Symbol的个数，而是转换为OFDM Symbol的个数，所以理解上会更简单；
　　5. PLCP Preamble
　　　主要的功能还是做同步，主要由两部分组成：STF + LTF，这俩字段在最后单独更详细地描述了其细节；
　　　1) STF：包含10个短符号，每个短符号0.8us长度，总共8us长，等于2个OFDM Symbol的长度；
　　　2) LTF：包含2个长符号，每个长符号4us长度，总共8us长，等于2个OFDM Symbol的长度；
　　6. PLCP Header
　　　这个结构由6部分租场，主要包括：
　　　1) RATE：长4 bit，标识该帧数据部分使用的发送速率，其对应关系如下所示：

　　　2) Reserved：长1 bit，保留，未使用；
　　　3) LENGTH：长12 bit，MPDU数据部分的长度（字节数），单位：B，所以能够表达的最大值是4095；
　　　Note：这个和之前的协议存在差别：之前的协议是MPDU发送所需要的时间us，使用时间单位来表示MPDU有多长，OFDM PHY不使用时间了，使用的就是我们更好理解的字节长度了；
　　　4) Parity：长1 bit，在 RATE+LENGTH 数据上进行偶数奇偶性校验
　　　5) Tail：长7 bit，用于SIGNAL符号FEC解码；
　　　6) SERVICE：长16 bit，bit0~6填充未0，用于接收端同步解扰器，其余bit未使用；
　　　Note：这个SERVICE字段就比较混乱了，PLCP Header是包含这个部分的，但SIGNAL符号中不包含它；
　　7. PPDU TAIL field：长6 bit，全部填充为0，目的是为了提高卷积解码器的容错率？；
　　8. PAD Bits：数据都是按照一个个OFDM Symbol来传送的，调制方式确定的情况情况下，一个OFDM Symbol所能携带的bit数量也是确定的，如果用户发送的数据不是一个OFDM Symbol能携带bit数量的整数倍咋办，又不能只发0.5个OFDM Symbol，此时该字段就用上了，用于填充到一个OFDM Symbol能携带bit数量的整数倍；

五. 其它
　　这里主要记录一下在学习OFDM过程中遇到的一些概念。
　　1. GI
　　　1) 由于OFDM所在的物理环境中存在时延和多径的问题，两个符号通过多径传输到达接收侧时可能存在碰撞，从而发生符号间干扰ISI，又称为码间串扰；
　　　2) GI就是在这两个符号之间增加一个空闲的传输时段，这样就算第1个符号晚到一点，也不会跟第2个符号发生碰撞；
　　　3) GI的具体大小跟覆盖范围和滤波器的参数均有关系，802.11a中规定的GI：800ns，即0.8us；
　　　4) 如果在GI期间静默，ISI的问题可以解决，但又会引发新的问题：信道间干扰，也称为载波间干扰、频率干扰，简称ICI；
　　　5) 产生ICI的原因：子载波间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，《802.11无线网络权威指南-第2板》提到多普勒效应(Doppler effect)，发射器与接收器的时脉频率不一致导致，暂未理解详细原理；
　　2. CP
　　　1) 为了消除ICI，一种解决方案是：将原来长度为T-S的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充GI，这样GI就不是空闲的了；
　　　2) 保护间隔的长度记为T-G，T-G内的信号来自于T-S尾部（也是t-G长），这个长度为t-G的信号就被称为循环前缀（CP ）；
　　3. 经过GI、CP的加持，实际OFDM符号的收发就变成了类似如下的流程：
　　　1) 发送端：OFDM符号 -> 加CP -> 发送；
　　　2) 接收端：接收 -> 去CP -> OFDM符号；
　　4. 子载波
　　　1) 子载波的数量：简单理解为 = 总频宽 / 子载波间隔，即20MHz / 312.5kHz = 64；
　　　2) 子载波实际工作的有52个：其中48个数据子载波，4个导频子载波，1个DC和剩余的11个带宽保护是不参与工作的；

　　5. PPDU发送速率
　　　1) PLCP Preamble和SIGNAL（不是PLCP Header）：BPSK, r=1/2，即6Mbps的速率进行发送；
　　　2) data：SIGNAL中指定的速率发送；

六. STF与LTF
　　最后，再简要记录一下STF和LTF的使用：
　　1. STF
　　　1) STF OFDM symbol序列：1,0,1,0,1,0,1,0,1,0；
　　　2) 使用12个子载波：-24, -20, -16, -12, -8, -4, 4, 8, 12, 16, 20, 24
　　　3) 每个symbol长度：0.8us，是正常symbol长度的1/4；
　　　4) 因为STF symbol长度是正常symbol的1/4，子载波的宽度是正常symbol的4倍；
　　　5) 作用：进行帧同步，自动增益控制（AGC），接收天线选择、频率以及时间的粗同步等；
　　　6) 帧同步：OFDM没有SFD序列了，而是通过对STF做自相关判断，简单的来说就是当前的波形跟过去的波形进行相关性比较，那STF有10个symbol，理想情况下就有10个自相关的波形，这样就认为是检测到有帧在空中了，是不是跟802.11b寻找SFD类似，这里只是简单的理解一下，实际的情况比较复杂，就不展开说明了；
　　　Note：采用自相关来进行帧同步，而不采用互相关，大概是因为自相关拥有更好的抗干扰特性，以及某些多径时延比较明显的场景，自相关依旧比互相关有更好的表现（或者说自相关处理起来要比互相关更为简单）；
　　　7) 频率粗同步：有频率offset情况下的相关值f1，和无频率offset情况的相关值f2，如果他们是相关的，那就相当于算出了发送频率和接收频率的offset，至于具体如何计算实现，暂未了解其细节；
　　这里笔者有个小疑惑：从《IEEE 802.11-2007》文档的PLCP preamble上看，STF里面10个short symbols，中间并没有GI，那他们不会发送ISI吗？难道是把10个short symbols看做是一个supper symbol，所以在LTF开头留了2个GI，但这样ISI依旧是存在的；
　　2. LTF
　　　1) LTF OFDM symbol序列：有点长，看着眼花，就不放了；
　　　2) 使用全部的子载波：52个；
　　　3) 作用：时间、频率细同步，信道响应估算；

七. 参考资料
　　1. 《IEEE 802.11a-1999》;
　　2. 《IEEE 802.11-2007》;
　　3. 《802.11无线网络权威指南-第2板》;
　　4. 《802.11物理层和发射机测量概述》;
　　5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/390965474;
　　6. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21496609;
　　7. https://blog.csdn.net/wangzhizhi123/article/details/10798635；
　　8. https://network.blog.csdn.net/article/details/50510365;
　　9. https://network.blog.csdn.net/article/details/49162455;
　　10. https://network.blog.csdn.net/article/details/50511183；

Note：OFMD PHY相对复杂一些，本文没有讲述的非常细致，也可能有些地方描述不准确甚至不正确，还请读者理解并指出，后续进行修正，谢谢。

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