802.11协议笔记（二）——PHY物理层的帧格式(802.11b)

该文内容主要取自http://blog.chinaunix.net/uid-26611973-id-3431390.html，用于整理个人学习记录。

这篇文章主要介绍layer1物理层802.11b的内容。

IEEE802.11b是一个工作在2.4GHz ISM频段、物理层为改进的高速直接序列扩频HR/DSSS（Barker，CCK，PBCC）、传输速率可高达11Mbps的无线局域网标准。该标准被IEEE组织于1999年正式批准。

为了获得高的传输速率，IEEE802.11b协议定义了高速PLCP子层，用于HR/DSSS扩频方式，以实现2、5.5和11Mbps的传输速率。
IEEE802.11b物理层满足以下规范：
1.工作频段：ISM 2.400-2.4835GHz
2.数据有效负载通信能力：1、2、5.5、和11Mbps
3.调制方式为：差分二进制相移键控（DBPSK）、差分正交相移键控（DQPSK）、补码键控（CCK）和可选的分组二进制卷积码（PBCC）

前面有介绍，MPDU进入PLCP层以后，它的名字就换成了PSDU，PSDU加上前导码和PLCP头部以后，就形成了PPDU。在传输的过程中，发送端通过向接收端发送PLCP前导码来提醒对方。前导码是一序列0/1比特串，用于同步即将发生的传输。在802.11-2007 协议中有定义三种类型的前导码格式：the Long PPDU format, the Short PPDU format, and the OFDM PLCP preamble。然而在802.11n中又定义了另外三种不同的PPDUs :non-HT legacy PPDU, HT-mixed PPDU, and HT-Greenf eld PPDU。下面来讨论一下这些前导码的格式。

1.Long PLCP Preamble
长前导码的长度是144bit，前面128bit是同步域（sync field），后面16bit是Start of Frame Delimiter (SFD)，如下图：

同步码（SYNC）是128位经过扰码后的“1”（扰码器的种码为“1101100”），它被用于唤醒接收设备，使其与接收信号同步。起始帧界定符（SFD）用于通知接收机，在SFD结束后紧接着就开始传送与物理介质相关的一些参数。

128bit的sync field是用来提醒接收端一个潜在的可接收信号已经到来，当接收端收到这个提醒的sync field以后，接收端将会开始和这个信号同步。

在sync field后面的是16bit的SFD，这里的值是1111 0011 1010 0000，当收到SFD的时候，表示接下来的PLCP头部也将发送。这个长PPDU前导码是使用差分二进制相移键控（DBPSK）进行调制的，以1M的速率进行发送。长前导码的调制算法是固定的，PLCP Header的调制算法也是固定的，但是PSDU可以使用其他的调制算法。

当发送端发送sync field的时候，接收端未必能够马上识别的到，但是没关系，因为接收端没必要接收全部的sync field,主要SFD接收并识别到了就行了。

前导码结束后，就是PLCP头信息（PLCP Header），这些信息中包含了与数据传输相关的物理参数。这些参数包括：信令（SIGNAL）、业务（SERVICE）、将要传输的数据的长度（LENGTH）和16位的CRC校验码。接收机将按照这些参数调整接收速率、选择解码方式、决定何时结束数据接收。信令（SIGNAL）字段长8位，定义数据传输速率，它有四个值：0Ah、14h、37h和6Eh，分别指定传输速率为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps，接收机将按此调整自己的接收速率。业务（SERVICE）字段长度也是8位，它指定使用何种调制码（CCK还是PBCC）。长度（LENGTH）字段长16位，用于指示发送后面的PSDU需用多长时间（单位为微秒）。16位CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段是否正确。
前导码和PLCP头部信息以固定的1Mbps速率发送，而PSDU数据部分则可以1Mbps（DBPSK调制）、2Mbps（DQPSK调制）、5.5Mbps（CCK或PBCC）和11Mbps（CCK或PBCC）速率进行传送。

2.Short PLCP Preamble

短PLCP的preamble长度是72bit（是long PLCP preamble 144的一半）,它由56bit的sync field和16bit的SFD组成：

16bit的SFD是0000 0101 1100 1111，和long SFD的顺序相反，和长PLCP的一样，Short PLCP Preamble使用的是DBPSK调制，以1M的速率进行传输；但是Short PLCP Header使用的是DQPSK调制，传输速率是2M。前导码的调制算法是固定的，PLCP Header的调制算法也是固定的，但是PSDU可以使用其他的调制算法。

短PPDU帧结构的前导码传输速率为1Mbps（DBPSK调制），整个PLCP头部信息的传输速率为2Mbps，PSDU数据传输速率为2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。

3. OFDM PLCP Preamble（了解）

它也称作OFDM训练结构，它由10 short symbols and 2 long symbols组成：

t1-t10叫做short training symbols， GI2叫做long guard interval，T1和T2是两个long training symbols，接下来的是SIGNAL feld and the DATA
felds，每个域都带一个GI（守卫间隔）。前导码的总长度是16us，短OFDM训练字符由12个子载波组成，长OFDM训练字符由53个子载波组成.

4. PPDU数据包的发送过程

(以下内容来自http://blog.chinaunix.net/uid-26611973-id-3431390.html，也可以查看《802.11-2012》17.2.5 Transmit PLCP)

    当数据按上述帧格式封装好后，就可以进入PPDU数据包发送过程了。IEEE定义了一系列指令（Primitives），用这些指令对MAC层管理体（MLME）和PHY层管理体（PLME）进行控制，即通过修改、更新管理信息库MIB实现MAC层和PHY层的动作，从而实现PPDU数据包的发送和接收。下图是PPDU包的发送过程。
MAC层通过发送一个“请求开始发送”指令PHY-TXSTART.req（带参数TXVECTOR）来启动PPDU的发送。除DATARATE（数据传输速率）和LENGTH（数据长度）两个参数外，其他象PREAMBLE_TYPE（前导码类型）和MODULATION（调制类型）等参数也与PHY-TXSTART.req（带参数TXVECTOR）指令一起，经由物理层业务访问点（PHY-SAP）被设定。物理层的PLCP子层在收到MAC层的发送请求后，就向PMD子层发出“天线选择请求”指令（PMD_ANTSEL.req）、“发送速率请求”指令（PMD_RATE.req）和“发射功率请求”指令（PMD_TXPWRLVL.req）对PHY进行配置。

    配置好PHY后，PLCP子层立即向PMD子层发出“请求开始发送”指令（PMD_TXSTART.request），同时PHY实体（PLME）开始对PLCP前导码（Preamble）进行编码并发送。发射功率上升所需的时间应该包括在PLCP的同步（SYNC）字段中。一旦PLCP前导码发送完毕，数据将在MAC层和PHY层之间通过一系列“数据发送请求”指令（PHY_DATA.reqest）和“数据发送确认”指令（PHY_DATA.confirm）完成频繁的数据交换。
从PSDU数据包中第一个数据符号发送开始，数据传输速率及调制方式就有可能根据PLCP头信息的定义而发生改变。随着MAC层的数据字节不断流入，PHY层持续按8位一组地按由低到高的顺序把PSDU数据包发送出去。
     发送过程也可以被MAC层用指令PHY_TXEND.request提前终止。只有在PSDU最后一个字节被发送出去后，发送才算正常结束。PPDU数据包发送结束后，PHY管理实体就立即进入接收状态。

5.PPDU数据包接收过程

(以下内容来自http://blog.chinaunix.net/uid-26611973-id-3431390.html，也可以查看《802.11-2012》17.2.6 Recieve PLCP)

    讨论PPDU的接收时，就必须介绍一个重要概念CCA（Clear Channel Assessment）：空闲信道评估，它的作用是PHY根据某种条件来判断当前无线介质是处于忙还是空闲状态，并向MAC通报。高速PHY至少应该按照下面三个条件中的一个来进行信道状态评估：
－CCA模式1：根据接收端能量是否高于一个阈值进行判断。如果检测到超过ED（能量检测，Energy Detection）阈值的任何能量，CCA都将报告介质当前状态为忙。
－CCA模式2：定时检测载波。CCA启动一个3.65ms长的定时器，在该定时范围内，如果检测到高速PHY信号，就认为信道忙。如果定时结束仍未检测到高速PHY信号，就认为信道空闲。3.65ms是一个5.5Mbps速率的PSDU数据帧可能持续的最长时间。
－CCA模式3：上述两种模式的混合。当天线接收到一个超过预设电平阈值ED的高速PPDU帧时，认为当前介质为忙。
当接收机收到一个PPDU时，必须根据收到的SFD字段来判断当前数据包是长PPDU还是短PPDU。如果是长PPDU，就以1Mbps速率按BPSK编码方式对长PLCP头信息进行解调，否则以2Mbps速率按QPSK编码方式对短PLCP头信息进行解调。接收机将按照PLCP头信息中的信令（SIGNAL）字段和业务（SERVICE）字段确定PSDU数据的速率和采 用的调制方式。
    为了接收数据，必须禁止PHY_TXSTART.request指令的使用，以保证PHY管理实体处于接收状态。此外，通过PLME（物理层管理实体）将站点的物理层PHY设置到合适的信道并指定恰当的CCA规则。其他接收参数，如接收信号强度指示（RSSI）、信号质量（SQ）及数据速率（DATARATE）可经由物理层业务访问点（PHY-SAP）获取。
当接收到发射能量后，按选定的CCA规则，随着RSSI强度指示逐渐达到预设阈值（ED_THRESHOLD），PMD子层将向PLCP子层发出PMD_ED指令，意思是通知PLCP，介质上的能量已到达可接收水平，并且/或者在锁定发射信号的编码方式后，PMD继续向PLCP发出一个PMD_CS指令，即通知PLCP已检测到信号载波。在正确接收发射信号的PLCP头信息之前，这些当前已被PHY探知的接收条件都将被PLCP子层用PHY_CCA.indicate（BUSY）指令通报MAC。 PMD子层还将用PMD_SQ和PMD_RSSI指令刷新通报给MAC的SQ（接收信号质量）和RSSI（接收信号的强度）参数。
     在发出PHY_CCA.indicate消息后，PHY实体就将开始搜索发射信号的SFD字段。一旦检测到SFD字段，就立即启动CRC-16冗余校验处理，然后开始接收PLCP的信令（SIGNAL）、业务（SERVICE）和长度（LENGTH）字段。如果CRC校验出错，PHY接收机将返回接收空闲状态（RX IDLE State），CCA状态也回到空闲。
如果PLCP头信息接收成功（并且信令字段的内容完全可识别，且被当前接收机支持），接收机PLCP子层就向MAC发出一个带接收参数的请求开始接收指令PHY_RXSTART.indicate(RXVECTOR)，通知MAC准备开始接收数据。此后，PHY不断将收到的PSDU的bit按8位一组重组后，通过与MAC之间不断交换一系列的PHY_DATA.indicate（DATA）指令完成数据向MAC的传递。当接收完PSDU的最后一位后，接收机返回空闲态，PHY向MAC发出一个接收完成指令PHY_RXEND.indicate，通知MAC接收信息已完成，最后向MAC发出一个信道空闲指示PHY_CCA.indicate(IDLE)。

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