下一代无线局域网--802.11n与传统11ag OFDM设备间的PHY互操作性

802.11a分组结构回顾

分组结构

​ 短训练字段（STF）用于分组开始的检测和自动增益控制（AGC）设置，初试时间偏移估计和初试时间同步。
​ 长训练字段（LTF）用于信道估计和更精确的频率偏移估计及时间同步。
​ 信令字段（SIG）包含富足的速率和长度信息。

​ 下图是一个802.11a的发送波形

STF

​ 在时域中，STF包含10个重复的0.8μs码元。该序列使用了52个子载波中的12个，一个64位的IFFT生成了一个3.2μs的时域序列（包含同一个模式下的4次重复）

​ 下图是取样速率为20Msample/s的一个序列，可以重复两次半来产生10个短码元复制

​ 所选的序列需要有好的相关特性和低峰精功率，即使被过量的模拟前端剪辑或压缩，它的特性也可以保持不变。STF的互相关特性会由于信道的延迟响应而恶化。

LTF

​ 长训练字段由两个3.2μs的长训练码元及前面的1.6μs循环前缀组成。循环前缀由长训练码元的后半部分组成。所有载有码元的子载波的值均为-1或1。位于DC的子载波L₀ 并不载有码元。

​ 下图是前导码与长训练码元之间的互相关。

​ 由于码元的重复，LTF中两个相隔3.2μs的取样之间的相位差允许得到载波频率偏移的一个更加精确的估计。
​ LTF的另一个目的是用于信道估计。接收机从LTF中提取两个长训练码元，在对码元进行了一个FFT后，训练子载波就能被提取出来，来自第一个长训练码元的子载波与来自第二个码元的子载波作平均，将噪声影响减少了3dB。对于后面的每个子载波，由下列公式计算。

​ 使用子载波平滑技术是为了减少信道估计的噪声，最简单的方法就是将子载波k的信道估计与其相邻的子载波一起加权平均。

​ 在一个低延迟扩散、平坦衰落的信道中，相邻子载波上的信道条带高度相关，子载波平滑也显著地减少了噪声。但是在一个高频选择性衰竭信道中，相邻信道条带可能并不相关，需要更加复杂的平滑算法。

信令字段

组成

​ SIG本身使用BPSK调制和1/2速率的二进制卷积码（BCC）传输，以使接收概率最大。
​ SIG由单个4μs码元（3.2μs的OFDM码元及其0.8μs的循环前缀）组成。波形使用与LTF一样的52个子载波。48编码比特为在48个子载波上的BPSK调制，另外4个子载波用作相位和频率跟踪和训练的导频。

​ SIG包含用于配置接收机的分组信息：速率（调制和编码）和长度（八进制的被传输的数据量）。由于SIG与数据字段分别进行编码，尾部比特位被设为0，用于清空编码器和解码器。

​ SIG中的单个检验比特在低SNR的情况下是有问题的，在非常嘈杂的情况下，单个检验比特位的假阳性（错误的将一个SIG标记为有效的，使得接收机使用长度和速率值来延迟传输）概率近50%。在一个嘈杂的环境中或没有分组时，这些字段应该是随机比特，设备可能在一段较长的时间里无法接收或发送有效的分组，显著降低了吞吐率。

​ 通过先测量接收信号量并只处理超过某一阈值的信号可以解决上诉问题。

数据字段

​ 数据字段由服务字段、数据比特、尾部比特以及需要时才有的填充比特组成。前16个比特位服务字段，服务字段的前7个比特位扰码器初始化比特，用来与解扰器进行同步。

​ 802.11n使用一个生成多项式G(D) = D⁷ + D⁴ + 1 的127位帧同步扰码器。在发送时，每一个分组的扰码器的初试状态实际上被设为伪随机非0状态。重新发送时和一个不同的序列进行扰码可以提供峰均保护。在数据字段的扰码操作之后，6个尾部比特被6个末扰码的0比特替代。

​ 数据字段由一组码元流组成，每个数据码元长4μs，由3μs的OFDM码元和0.8μs的循环前缀构成。波形同样使用52个子载波，数据比特编码和调制在48个子载波上，另外4个子载波用作相位和频率跟踪和训练的导频。当子载波位置范围为-32，-31，…，-1，0，1，…，31时，载有信号的子载波位于-25，-25，…，-2，-1，1，2，…，25，26。导频子载波位于-21，-7，7，21，值如下。

分组编码过程：

1. 产生STF和LTF
2. 根据选定的速率和长度产生SIG
3. 对数据字段进行编码，如下图。

接收过程

​ 接收机等待一个信号超出一定的阈值以后才启动分组接收过程，802.11a中的最低要求是检测一个有效传输的开始，在4μs内接收功率至少为-82dBm的概率大于90%。

​ 先处理短训练码元以设置AGC、初试频率纠错和初始定时获取。然后处理长训练码元来得到更精确的频率纠错和定时获取。接下来的4μs为SIF，接收机遵循与数据相同的码元处理过程，一旦获取了SIG比特，接收机便评估SIG中的错误校验比特，如果有一个错误，接收机便恢复空闲状态，否则接收机按照信息速率和长度进行配置。
​ SIG之后是数据字段，如下图所示。

混合格式高吞吐率分组结构

​ 新的高吞吐率（HT）分组格式用于发送多个空间流，混合格式HT前导码由传统的802.11a域开始，以保证与a/g的后向兼容。

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802.11n MF波形图

MF前导码的非HT部分

​ 包含L-STF、L-LTF、L-SIG，以便传统的设备可以检测到前导码。由于HT设备与使用L-STF和L-LTF的传统设备执行相似的获取函数，如何发送MF前导码中的传统部分是一个问题。为了避免发送功率不一致，有必要从HT设备的所有天线向外发送传统训练，但是由于传统的前导码是单个流，从每一个天线往外发送同样的信号可能会导致无意的和不希望有的波束成型效应。

循环移位

​ 为了解除单个空间流与从不同天线传输的信号间的相关性，并且消除不希望有的波束成型效应，对不同天线上的每个信号都使用了不同的循环移位(T_CS )。

​ L-STF用于AGC设置，为了适当地调整接收机的增益设置，STF的功率应与数据字段的功率相匹配。在2和4个天线的情况下，信号上没有循环移位会导致L-STF功率小于数据字段功率间的巨大变化。当L-STF的功率小于数据字段的功率时，增益设得过高导致数据饱和或者削波。如果大于，增益会设得过低而导致数据量化。

​ 传统的OFDM设备通过MF前导码接收HT分组，并处理L-STF、L-LTF和L-SIG。当MF前导码具有应用与额外的天线信号的循环移位时，它对于传统的OFDM设备而言就是和具有延迟响应的信道进行卷积后的信号，循环移位越大，延迟扩展就越大，传统的接收机性能就越差。

非HT短训练字段

​ 在802.11a中，短训练字段设有一个缩放范围以使其与长训练字段具有相同的码元功率。而在802.11n中，码元设有一个缩放范围使其时域信号的总功率等于1。所以L-STF对应20MHz信道带宽的频率序列S_k 与802.11a在该信道的序列相同。

​ 通过对频域序列进行64位IFFT，可获得L-STF，得到一个3.2μs的时域序列，此序列被重复了两次半，得到了8μs的L-STF波形

非HT长训练字段

​ L-LTF拥有和802.11a相同的对应20MHz信道带宽的频域序列。通过对频域序列进行64位IFFT可获得一个3.2μs时域序列的长训练码，将长训练码元重复两次，再在其前面加一个1.6μs的循环前缀，得到了8μs的L-LTF波形。

非HT信令字段

​ 非HT信令字段的结构与802.11a的信令字段相同。得到的波形是一个3.2μs的时域OFDM码元，加上一个0.8μs的循环前缀之后，得到了一个4.0μs的码元

L-SIG的发射机框图

MF前导码的HT部分

​ MF前导码的HT部分由高吞吐率信令字段（HT-SIG）、高吞吐率短训练字段（HT-STF）以及高吞吐率长训练字段（HT-LTF）组成。HT-SIG1和HT-SIG2是HT-SIG的两个OFDM码元，包含新的信令信息，可以用于HT MF和传统的OFDM分组之间的自动检测。HT-STF用来重新设置AGC。HT-LTF用于MIMO信道估计。

HT-SIG

​ HT-SIG包含48个信息比特，分为HT-SIG1和HT-SIG2两个码元(各24个信息比特)。HT-SIG包含一个用于强误差检测的8比特CRC，由于HT-SIG也通过1/2码率的BCC进行编码，最后6个比特为尾部比特以结束卷积码的网格。

HT-SIG1

​ 前7个比特表示用调制编码方案（MCS）0~76 中的某一种来发送数据字段。MCS由BPSK、QPSK、16-QAM以及64-QAM组成。编码速率包括1/2、2/3、与802.11a一样的3/4以及一个新码率5/6。MCS 0~7 由单个流组成，MCS8~15 由两个流组成，MCS16~23 由3个流组成，MCS24~31 由4个流组成。

​ CBW 20/40比特显示发送时20MHz还是40MHz带宽。此信息可以使20MHz接收机决定其不能接收发送信号，及早停止接收，从而减少功率消耗。

​ 第16个比特用于长度域，使得长分组的范围为0~65535 字节

HT-SIG2

​ 平滑比特、非探测比特以及扩展空间流数比特均与Tx波束成型有关。进行Tx波束成型和空间扩展后得到发射机和接收机之间的信道可以超过800ns，高延迟传播可解除相邻子载波的相关性，此外某些Tx波束成形方法会导致相邻子载波间相位的不连续。非探测比特设为0时发送的是探测分组。探测分组用于收集Tx波束成型和链路适应的信道状态信息。为了将探测扩展到数据字段之外的额外空间域，扩展空间流数字段所设值大于0。

​ 聚合比特表示有效载荷包含单个MPDU（聚合比特设为0）或一个MPDU的聚合（A-MPDU）。一个A-MPDU包含单个MPDU之间的分隔符。在对HT-SIG解码后，PHY马上通知MAC分组包含一个A-MPDU。MAC使用此信息提取单个MPDU。

​ 两个STBC比特表示STBC操作的难度

​ D_k 和M^r (k)为复数数据值到子载波位置的映射；T_SYM = 4μs，是由3.2μs的OFDM码元时间和0.8μs的保护间隔构成的码元时间；T_GI = 0.8μs是保护间隔。

自动检测算法

​ 对于每一个被处理的码元，计算一个测量标准。这个标准基于在48个数据子载波上平均的数据子载波的实部功率减去其虚部功率。

​ 下图是传统和HT MF前导码字段之间的相对定时。在16~20 μs的时间跨度中，码元对应着传统OFDM分组中的SIG，或HT MF分组中的L-SIG。在20~24μs的时间跨度中，码元对应着传统OFDM分组中的第一个数据码元或HT MF分组中的HT-SIG

高吞吐率短训练字段

​ 当同样的空间流在不同的发送天线链上发送时，需要大的循环移位来解除信号间的相关性。为了使SFT与数据字段的功率相当，需要有一个幅度为600ns的循环移位，但是为了后向兼容传统OFDM设备，L-STF需要最大幅度只有200ns的循环移位，因此在HT-SIG之后加上了一个额外的字段来得到MIMO所要求得AGC设置的精确功率估计。

高吞吐率长训练字段

​ HT MF前导码中为MIMO信道估计提供了一个新的HT长训练字段，对于每个由其所选的MCS表示的空间流，均发送一个4μs的长训练码元（当有3个空间流时，会发送4个长训练码元）

数据字段

比特串

​ 数据比特前面加上了由16个0比特组成的服务字段，使用BCC编码时，6个（全0）的尾部比特加在了数据比特之后

扰码和编码

​ 在数据后面的6个扰码后的0值尾比特被同样数目的未扰码的0比特所取代。扰码后的比特串由1/2码率的BCC进行编码。编码之后，比特串按所选数据速率进行删余。

流解析

​ 在编码和删余之后，比特串被重新安排成一组新的、等于空间流（N_ss ）数的比特串。流解析器的输出位N_ss 比特串，每个串的长度为N_CBPSS 。

交织

​ 流解析器之后，如果使用BCC编码，每个N_ss 比特串通过3个排列进行交织。前两个交织器的排列基于802.11a中的交织。第一个排列保证了相邻的编码比特被映射到不相邻的子载波上，第二个排列保证了相邻的编码比特交替映射到星座的高低比特位。以避免出现长时间的低可靠比特，如果空间流超过一个，就需要进行第三个排列操作，对另外的空间流进行一个频率旋转。

​

HT MF的接收过程

​ 802.11n设备通常设有多个接收天线，因此分组开始检测和不精确的定时间的相关函数应该对所有的天线进行综合，以便检测性能最优。所有接收信号都进行了不精确的时间调整。