802.11协议精读7：802.11a/g的发送过程与接收过程

序言

我们之前描述了802.11b的发送和接收过程，802.11b是基于DSSS模式下的，这一篇我们关注下基于OFDM的802.11a/g的发送和接收过程。同样主要是参考IEEE 802.11 Tutorial（Mustafa Ergen），我们对这一块进行整理。对于802.11n/ac以及其他的新协议，这一块过程上应该是更复杂一些，但是这份整理中还未涉及，所以整理中并未包含。

802.11a/g：物理层头部

为了理解802.11a/g中的发送和接收过程，我们首先需要对其物理层的头部进行一定的理解。相比802.11b的物理层头部，802.11a/g较为复杂一些。在802.11a/g的物理层头部前面有三个部分，一个STF，一个LTF，还有一个SIGNAL，即短训练字段和长训练字段以及一些具体的设置，如下图（图参考自泰克的文档）

PS：这里需要指出的是在802.11a/g中，整个物理层头部都叫做preamble，与802.11b中的PLCP Preamble的概念不同，这里就对于PLCP和PMD子层有非常明确的分界，所以还需要注意一下。
其各个部分对应的功能如下：

在协议原版中，对这一块有更细致的描述，如下图（07版协议第600页）

在802.11a/g的物理层头部中，第一个部分为STF（Short Training Field），STF主要是由10个短的symbol组成（t1~t10），其每一个symbol是0.8us，其包含了很多个功能，其中t1-t7主要是包含Signal Detect，AGC，Diversity Selection，t8-t10主要是包含Coarse Freq，Offset Estimation，Timing Synchronize，其中部分内容我们不进行展开了，一般情况下，我们认为STF主要的两个功能是：

• 帧同步【即判断有没有一个数据帧到达，从而寻找SFD（Start-of-Frame Delimiter）】
  
• 粗频率同步，这里主要是针对频率偏移所做的一个同步的工作，同时也正好是对应后面的细频率同步的阶段（即LTF阶段）

我们在DCF的部分下，提到CCA中存在一种载波侦听CS的方式，其主要就是基于t1-t10这个部分的自相关或者互相关来完成的，如下图（参考Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n and 802.11ac）：

横轴是采样点数，纵轴是幅度，这里并没做归一化，这里可以数出来一共有10个尖峰，和这里t1-t10的数量一致，一般识别到一个尖峰后，STA就认为信道里面是有数据帧正在被传输的，从而完成CS的检测。一般情况下，为了避免时延扩展的影响，这里采用自相关的效果会比互相关好一些。同时有关频率估计这一块，由于和本文主旨关联不大，所以不进行展开了。

第二个部分是LTF（Long Training Field），其主要功能是细频率同步和信道估计。从结构上而言，LTF一种是三个部分，1.GI，即保护间隔，用来防止ISI，即符号间干扰。2.两个独立的长训练symbol，T1以及T2。

SIGNAL部分在Preamble的最后一个部分，其结构如下

首先Rate是标识数据包的传输速率的，即采用什么调制方式，编码速率，一般协议中直接所述标识了MCS值（MCS对应不同的速率），这里一种4个bit，实际上可以标识为2^4，16个速率，实际上使用为8个。然后Length位是标识了数据包（具体payload）的长度，这里没有什么特殊的地方，与802.11b的前面不同，802.11b那里是传输数据包的时间，而802.11a/g的情况下是长度。tail位是有个时候为了做FEC的，具体与卷积编码有关，在802.11a/g中，数据包头部和payload是分开来编码的，所以在头部优一个tail部分，payload体中间也有一个tail部分。通常这个部分设置成逻辑“0”。最后是reserved和parity部分，通常情况下，parity是用来做偶数奇偶性校验的。由于这里parity只有1位，所以在噪声比较大的情况下，很容易发生误识别的问题。所以在这一些设计中，把reserved位当做parity的一个扩展。同时，在802.11a/n混合模式中（这里由于802.11n也可以定义在5G频段），这里也有使用reserved位来维护一个协议的后续兼容性，即采用reserved来表示这个是一个802.11n MF Frame（PS：MF即是mixed format）。其余的一些补充可以参考（有关802.11a/g物理头：Premble结构，有关802.11a/g物理头：STF部分，有关802.11a/g物理头：LTF部分，有关802.11a/g物理头：SIGNAL部分），基于这些预备知识，我们下面描述802.11a/g的发送和接收过程。

802.11a/g：发送过程

总体结构上而言，802.11a/g和802.11b的发送过程基本变化不大，有些相同的部分我们会简化一些描述。

1. 初始是Rx状态，若收到上层的PHY_TXSTART.req(TXVECTOR)信息，则PHY层转换到Tx Init状态，在802.11a/g的TXVECTOR和802.11b中基本一致。
2. 当成功转移到Tx Init状态后，下一个状态是Gen. Pream.状态，这一步是用来产生preamble的，不过在该图中，这里主要是完成封装preamble中的STF和LTF两个字段的工作，即对应左图中的红色S1-S10部分，以及绿色pilot1-pilot2部分，由于这份资料较早，故直接采用了pilot这个说法，当前在802.11a/g中，pilot主要指的是用以信道估计的专用导频子载波，LTF也有这样的功能，主要一个是在传输前所使用，一个是在传输中所使用。这里同时PHY会向MAC层反馈PHY_TXSTART.confirm信息。
3. 当转移到Encode SIGNAL状态后，这里是对preamble中的singal字段进行封装，其字段内容在之前我们已经提到过了，所以这里就不展开了，实际上和802.11b中的PLCP Header部分是一致的。
4. 当接收到从MAC层发送过来的PHY_DATA.req之后，PHY转移到Encode Data状态，对数据进行发送，知道上层数据发送完毕，MAC层会传递来PHY_TXEND.req信息，从而PHY层会根据该信息转移至TxRx Switch状态对天线的工作机制进行转换。同时在传输过程中，任何一个状态也都有可能由于收到PHY_TXEND.req信息，而直接转移至TxRx Switch状态，这一点与802.11b中应该一致。若最终发送完成后，转移为Rx状态，并等待下一次传输。

802.11a/g：接收过程

在802.11a/g的接收过程中，基本结构和802.11b的类似，细节存在一些区别。

1. 在Rx状态下，首先节点还是通过ED和CS的方式判断信道是否空闲，以及有没有对应的数据帧在信道中进行传输。如果CS检测到的话，那么可能就存在一个数据帧，那么需要再次通过FD来确定是不是一个数据帧，我们前面提到过，在802.11a/g中都是以相关的方式检测的，而不像802.11b中是采用SFD的方法检测帧起始部分的，所以在FD检测的时候，会不断的循环检测，知道找到最后一个跳变的位置（即last peak located），那么才检测到一个帧起始。若CS检测失败的话，与802.11b相同，其会根据能量检测判断信道是否空闲，只有信道空闲时，才会转移为ED模式。在Rx状态下，当信道busy时，PHY会向MAC通过PHY_CCA.ind反馈busy，当转移回ED状态时，PHY会向MAC反馈idle。
2. 当FD识别到数据帧起始之后，转移入PMD Est.状态，这个状态貌似不是一个参数，且Est.应该是establish的意思，这里原始协议中没有直接采用过这个词组，而是在句子里面大致这样说过。在PMD Est.状态之后，通过传递PMD_DATA.ind参数，PHY开始处理SINGAL字段，其首先对其进行奇偶校验，这里没有采用802.11b中的CRC的方式，也许是为了简化一些。当解析成功后，提取解调数据所需要的MCS值，数据包大小等相关信息用以对上层数据包进行解析。若奇偶校验失败，则停止这一轮的传输，等待信道空闲后重新开始。
3. 当成功解析到了SIGNAL字段之后，PHY层会对其数据字段的传输速率是否匹配进行判断，如果该速率是支持的话，那么转移至DATA Decode状态。若数据速率不支持的话，那么意味着无法解调，这里由于STA已经通过SIGNAL字段知道的数据包的大小以及传输速率，所以能够计算出数据包传输所需要花费的时间，从而就没有转移至RSSI Monitor状态，而是转移至Wait Frame End状态，等待对方释放信道，类似NAV的工作模式，等待计时为0时，转移回ED状态。
4. 如果SINGAL字段解析成功，且速率匹配的话，那么就正常接收数据包，并反馈给MAC层PHY_RXSTART.ind信息，最终当数据接收完毕之后，反馈给上层PHY_RXEND.ind信息，然后回到初始状态。