究竟什么是RSSI

一、基本概念：

RSSI：Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。

因为无线信号多为mW级别，所以对它进行了极化，转化为dBm而已，不表示信号是负的。1mW就是0dBm，小于1mW就是负数的dBm数。

接收的信号强度指示：RSSI只是信号强度的一个指示值！ 

   指示体现在两方面：

   1） RSSI的值对应的单位是dbm。  dbm(Decibel-milliwatts)：分贝毫瓦，表示某一功率与1mw的相对关系，数值x(dbm)与功率P（mw）的具体计算公式如下，

可以看出0.5毫瓦约为-3dbm。  所以RSSI并不是功率，db是分贝，实际上常常用来表示信噪比的单位。上面的dbm是一个带用量纲（毫瓦）的两个功率的比值的表示方法。这下彻底明白了为什么RSSI的值对应的dbm值不具备物理意义了吧。

注：（关于dB与dBm） 

dB是一个纯计数单位，dB = 10logX，可以轻易把一个很大的数表示出来，因为2倍就是3dB，10倍就是10dB，即2^n＝3*n dB，X = 1000000000000000= 10logX = 150 dB，便于表达。

dBm是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg功率值/1mW。例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：10 lg 1mW/1mW = 0dBm；对于40W的功率,则10 lg(40W/1mW)=46dBm。最常用的2W＝33dBm，20W＝43dBm。
dBm与dBm之间的差值就可以用dB来表示。比如46dBm-43dBm=3dB，表示40W功率是20W功率的2倍。

 

    2）无线局域网供应商可以按照私有的方式定义RSSI值。RSSI的范围可由供应商自己选择从0到最大值(小于等于255)，许多供应商在产品文档和网站上中把RSSI的执行数值发布出来，而有些供应商并没有这么做。因为RSSI指标的规定是私有的，在比较不同制造商的无线网卡的RSSI值时会出现两个问题。首先，不同供应商可能选择不同的RSSI最大值，例如A供应商可能选择RSSI范围从0到100，而B供应商选择从0到30，于是A供应商表明当前信号为25时，B供应商针对相同信号可能表达为8。另外，A供应商制造的无线网卡使用了更多的指标，在评估信号和信噪比时可能会显得更灵敏。

 

二、RSSI与802.11协议帧 

RSSI是否是802.11协议帧中的字段呢？

通过对802.11底层协议帧进行分析，我们了解到802.11物理层PHY是介质访问控制层MAC与无线介质之间的接口，它传输和接收共享无线介质上的数据帧。

802.11将PHY进一步划分为两个组成元件：

一是物理层收敛程序（Physical Layer ConvergenceProcedure，简称PLCP）,负责将MAC帧对映到传输介质；

另一是实际搭配介质Physical Medium Dependent，简称PMD），负责传送这些帧。

MSDU（MAC层业务数据单元。这是最原始的待发数据信息）经过封装变成MPDU（MAC层协议数据单元），MPDU传到PLCP子层变成PSDU（PLCP子层业务数据单元），PSUD经过封装变成PPDU（PLCP子层协议数据单元）。

802.11协议帧格式

802.11MPDU的帧格式

802.11PPDU的帧格式

我们以802.11g为例，上图是802.11MAC层的帧格式以及最终从物理介质发出去的数据封装。

 

从以上帧格式中，我们并没有发现RSSI数据字段，那么RSSI的值我们究竟是从哪里得到？

 根据802.11-2007标准的描述，“RSSI是接收到的射频能量的测量值。RSSI与实际接收功率的映射是独立实施的。”换句话说，无线局域网供应商可以按照私有的方式定义RSSI值。通过标准中的描述我们知道，RSSI是接收方网卡测出来的，中间有路径衰减，所以发送方没办法确定接收方的具体接收功率。

（其实我们思考一个简单的问题，就知道RSSI不是协议中的字段了。

试想AP位置固定，功率固定，在8米外接收和1米外接收，接收端的信号强度会一样吗？如果不一样，而RSSI又是协议中的字段，那发送端发送这个字段时，这个字段的值到底该是多少呢？）

 

三、RSSI的测量过程

知道了RSSI不是协议中的字段，那么在接收方是根据那些信息得出的RSSI值的呢？

802.11协议中没有给出具体产生RSSI的过程或者说是算法吧。协议中说RSSI值范围0~255，RSSI值随PHY Preamble部分的能量单调递增。因此RSSI值可以只选取PHY Preamble（前导码）的测量就行了。

 

 

 

 

协议中虽然没有给出RSSI的具体计算方法，在协议帧中也没有RSSI字段。但是物理层原语中明确给出了有关RSSI的接口PMD_RSSI.indicate，即在接收端网卡测量到RSSI的值以后，我们可以从这个程序接口获得RSSI的值。

所以：

RSSI由接收端测量得到后，由PMD_RSSI.indicate（该可选的原语可由PMD产生，用于向PLCP提供接收到的信号强度。该原语有一个参数：RSSI，它是高速PHY接收的射频能量的测量值，长度为0-8bit。RSSI和SQ作为CCA机制的部分一起协同使用）原语携带。

PMD子层用PMD_RSSI.request指令告知PLCP子层当前信号的强度值。PHY就将向MAC发出一个PHY_RXSTART.indicate（RXVECTOR）指令。参数RxVECTOR是参数矢量，它的取值是依赖于物理层的，不同的物理层RxVECTOR的参数可能有所不同。RSSI是它中的一个元素。

因此，得到RSSI的一个大致的过程为：

根据前导码测量得出PMD_RSSI.indcate——>TXVECTOR/RXVECTOR parameter RSSI——>Radiotap

注：

Radiotap：用于802.11的 帧接收(frame reception)和帧注入(frame injection)  Radiotap是网卡接收到的数据帧交给上层monitor（监测仪）的一些额外信息，给一些抓包程序的额外信息。不属于802.11协议的内容。

PMD_RSSI.indicate：该可选的原语可由PMD产生，用于向PLCP提供接收到的信号强度。该原语有一个参数：RSSI，它是高速PHY接收的射频能量的测量值，长度为0-8bit。RSSI和SQ作为CCA机制的部分一起协同使用。

目前如果用抓包工具抓取无线数据报文，会发现RSSI在数据包中的，一般都是本地网卡在添加Radiotap头部的时候，给打上去的，即在本地网卡把物理层的无线帧解析的时候，把物理层PLCP头部给删除后，本地网卡有可能会添加一个Radiotap头部，然后在给MAC层继续做解析。一般用wireshark能看到这个头部的信息（由于无线网卡驱动的原因，并不是所有无线网卡的都能用wireshark捕获），也有可能直接把这个参数直接丢给上层（直接作为本地参数），而不是以数据包解析的形式传递，如下图

也有可能直接把这个参数直接丢给上层（直接作为本地参数），而不是以数据包解析的形式传递，如下图

四、RSSI的理论计算公式

RSSI的具体计算如下：  

 t us内进行基带IQ功率积分得到RSSI的瞬时值 

 8192个RSSI的瞬时值进行平均得到1s的RSSI的平均值

理论上是对频段去积分求功率，实际上由于是时域采样，所以直接利用采样信息取平均求功率。

五、802.11n协议中RSSI的作用

下面我们通过PLCP的传输过程来了解下RSSI在其中的作用：

为了传输数据，需要使用PHY－TXSTART.request原语使物理层实体处于传输状态，通过PLME管理实体将给物理层分配合适的工作信道。

下图是DSSS PLCP的传输过程示意图，参数例如DATARATE，传输天线，传输功率通过PHY－TXSTART.request（TXVECTOR）来设置。

基于PHY－CCA.indicate的CCA（Clear Channel Assessment。 PHY层用于探测信道占用情况的一个功能模块。 空闲信道评估，用来指示MAC是否检测到了信号。）状态，MAC将判断信道是否被清空，当信道为空时，PPDU的传输将通过PHY－TXSTART.request原语来进行初始化，该原语的产生TXVECTOR中各个子参数将用来设置PPDU的前同步码和报头，以及TX_ANTENNA，TXPWR_LEVEL的PMD参数。

PLCP在收到MAC层发出的PHY－TXSTART.request原语之后，发出PMD_ANTSEL, PMD_RATE,和 PMD_TXPWRLVL原语来配置PHY，然后又发出PMD_TXSTART.request原语，PHY实体将根据该原语中的参数立即初始化PLCP数据扰码器并开始传输前同步码。一旦PLCP前同步码传输完成，MAC与PHY之间将通过一系列由MAC发出的PHY-DATA.request (DATA)原语和由PHY发出的PHY-DATA.confirm原语交换数据。如果调制方式和传输速率改变，则将用MPDU最初的数据码元进行初始化。在PMD层，字节数据通过PMD_DATA.request原语提交给PHY层。MAC可通过PHY_TXEND.request原语提前终止数据传输，同时PHY-TXEND.request.原语还禁止了PHY-TXSTART.req原语。当传完PSDU最后一个字节的最后一位时，正常的传输过程终止。PPDU传输结束时，PHY实体进入接收状态。

PLCP接收过程

为了能够接收数据，物理层实体将禁止PHY－TXSTART.request原语，因为物理层实体需要处于接收状态，同样通过PLME来进行管理，选择CCA模式（空频道检测技术Clear Channel Assessment）。其他的接收参数如接收信号强度指示（RSSI），信号质量（SQ），DATARATE都通过PHY－SAP获得。

下图是PLCP的接收过程图。

按照所选的CCA模式和接收信号的能量，当其RSSI强度达到ED_THRESHOLD时， 将开启PMD_ED，【ED（能量检测）、CS（载波侦听）】在建立码锁定之后，将开始PMD_CS。这些条件用来指示MAC的活动状态，在正确接收PLCP报头之前，将产生PHY－CCA.indicate（BUSY）来做能量检测和/或码锁定。原语PMD_SQ,PMD_RSSI用来更新RSSI和SQ参数。

当发出PHY-CCA.indicate后，PHY实体开始搜索SFD字段。一旦检测到SFD字段（帧开始符（SFD）字段），将初始化CCITT CRC-16 处理，并接收PLCP SIGNAL， SERVICE， 和LENGTH字段。然后处理CCITT CRC-16 FCS，若CCITT CRC-16 FCS检测失败，PHY接收端将返回RXIDLE状态。如果在全部的PLCP处理完成之前已开始接收，CCA就返回到IDLE状态，PHY接收端也将返回到RX IDLE状态。

如果成功接收PLCP报头(并支持SIGNAL字段且该字段完全可识别)，将发出PHY-RXSTART.indicate(RXVECTOR)原语，与该原语相关的RXVECTOR包括：

a)SIGNAL字段；

b)SERVICE字段；

c)以微秒为单位的LENGTH域和以Mbit/s为单位的DATARATE计算出的MPDU长度。

d)接收用的天线（RX_ANTENNA），RSSI和SQ。

接收到的MPDU位被装入字节并通过一系列PHYDATA.indicate (DATA)原语发给MAC层。PHY继续MPDU的接收，直到收到MPDU最后字节的最后一位，这时，接收端将返回到RXIDLE状态，这时将发出一个PHY-RXEND.indicate (NoError)原语。根据所选的CCA方式，当PHY载波检测和（或）PHY强度检测发生变化，将发出PHY-CCA.indicate (IDLE)原语。

在完成MPDU的接收之前，PHYCS或PHYED的变动将会导致CCA返回到IDLE状态，此时，该错误情况通过PHY-RXEND.indicate (CarrierLost)原语报告给MAC层。在整个PPDU传输期间，高速PHY应确保CCA一直指示介质忙。

如果PLCP报头接收成功，但SIGNAL和SERVICE字段中的速率和调制方式与接收端不兼容，则PHY不发送PHY-RXSTART.indicate原语，而将发送错误状态PHY-RXEND.indicate (UnsupportedRate)原语。如果PLCP报头无效，PHY同样不发送PHY_RXSTART. Indicate原语，而将发送错误状态PHY-RXEND.indicate (FormatViolation)原语。在这两种情形下，在整个PPDU传输期间，高速PHY都应确保CCA一直指示介质忙。计划持续时间由LENGTH字段指明(LENGTH ×µs)。

六、实际应用中RSSI值的获取

目前，所有的无线网卡都遵循协议规定提供了PMD_RSSI.indicate服务原语，并且我们通过程序接口都可以获取到无线信号的RSSI值。

通过以上分析我们知道，RSSI是接收方网卡测量出来的。在实际编程中，我们怎样能获得到RSSI，以C#为例，windows下控制进行wifi编程一般都使用native wifi api（微软提供的类库进行）C#中有基于native wifi api 进行封装的managed wifi API ，利用它我们可以获取到我们所需要的wifi信息。