802.11协议精读8:再论802.11a/g的发送过程与接收过程

802.11协议精读8:再论802.11a/g的发送过程与接收过程

序言

我们之前描述了802.11a/g的发送和接收过程,都是基于协议表述上下层的交互机制的角度来描述的,而没有关注物理层获得数据帧之后,如何发送这样一个具体的流程,这一篇我们再对802.11a/g的物理层发送和接收过程进行一些扩展。这里主要是参考《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》这一本书上面的描述,我们对这一块进行整理。

PS:目前我们的整理中还在尽量避免一些复杂的公式和表述的方法,希望先以简单的概念和流程先进行整理,至于一些细节部分可能之后有时间在独立整理,所以如果存在细节表述不对的地方,还请见谅。

802.11a/g:OFDM Symbol和OFDM Subcarrier

为了理解802.11a/g物理层的发送和接收过程,我们首先需要对其物理层的一些基本知识做一些简单的理解。

在802.11a/g协议中,其物理层是采用OFDM技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),OFDM技术这里我们不做过多的展开,不过为了理解后文,我们需要明白两个概念,即OFDM符号(OFDM Symbol)以及OFDM子载波(OFDM Subcarrier),前者主要是在时域的角度而言,后者则对应频域。

首先我们理解下OFDM symbol,如上图蓝色部分所指(该图见07版协议595页,同时红色方框在后文处所用,这里并没有关联),我们可以发现,在802.11a/g中,其最终描述物理层帧的时候,并没有采用bit作为基本单元,而是采用OFDM symbol作为基本单元,这也是我们所需要接受的一个概念,在802.11中,若其信道的带宽固定,比如规定是20MHz的信道带宽,且由于其子载波数也是定值,那么其OFDM symbol的大小也就是固定的了。

我们下面具体以802.11a/g的一个OFDM symbol举例进行解释:

上图我们描述了两种OFDM symbol,一种是不带CP(循环前缀),为图中左边部分,该OFDM symbol占时长3.2us,一种是带CP(循环前缀),为图中右边部分,该OFDM symbol占时长4us。图中的蓝色箭头代表发送的样本点,在20MHz信道带宽的情况下,其每0.05us就发送一个样本点,一个OFDM symbol(不包含CP)一共包含了64个样本点,这64也代表着发送和接收过程中,都是以64个点为一个组合,进行一次处理,而不是一个个点单独处理,所以在802.11a/g下,其基本单元都是OFDM symbol,而不是关注一个个采样点。同时为了减少通讯环境的影响,通常会在这64个样本点之前还添加一段CP,该CP是将原来OFDM Symbol的最后一段,复制到该Symbol的头部之前,用来避免由于时延扩展所造成的码间串扰以及载波间干扰(在协议中,CP和GI(Guard Interval)是在同一个位置添加的,我们可以理解成,利用CP来填充GI)。

接着我们需要了解下802.11a/g在频域上所对应子载波的结构。在802.11a/g中,实际上一共有64个子载波,如下图我们具体看下OFDM子载波的结构:

如上图所示,子载波一共分成4个类型

  • Null Subcarrier,图中蓝色的箭头,用来做保护间隔的,没有承载任何数据,在左边(即频率较低的一侧)有6个Null子载波,在右边有5个Null子载波。
  • Pilot Subcarrier,图中绿色的箭头,用来估计信道参数并用在具体的数据解调中,承载的是特定的训练序列,一共有4个导频子载波。
  • DC Subcarrier,图中黄色的箭头,一般材料里面没有用这个词,这里仅仅是为了描述造了一个词,在子载波中心位置的DC subcarrier一般都是空置不用的,所以这里标识一下。
  • Data Subcarrier,图中红色的箭头,用来真实传递数据所用的子载波,在802.11a/g中,这种子载波一共有52个。

最后参考上图(参考《Supporting Real-time Wireless Traffic through a High-Throughput Side Channel》,貌似这张图表述的还不错,至于中间的ener),我们简单描述下以上OFDM Symbol和OFDM Subcarrier的关系,其两者主要是由于IFFT/FFT的机制进行关联的。在802.11a/g的系统中,发送机和接收机处理数据都是按照,64个一组处理一次这样的形式,而这个64个一组能够分辨实际上就是通过OFDM subcarrier这种频域上,各个子载波是正交的形式,所以可以独立并且同时进行处理。而发送机发送只能按照一个个样本点进行按序的发送,若按矩阵进行理解的话,一开始发送机是处理64*1的纵矩阵,一次性处理64个点,然后通过IFFT计算,将这64个点(也就是对应64个子载波)转换为1*64个样本点,这64个样本点就构成了时域上的一个OFDM Symbol,其中每一个样本点都包含了原来64个点的部分信息,只有在接收方接收完这64个点之后,才可以进行一次逆运算(FFT),重新转换为64*1的矩阵进行处理,最后接收方才可以对数据进行正确的接收。有了这些预配知识以后,我们后面开始描述一些物理层的发送和接收过程。

802.11a/g:物理层(PHY)的发送过程

相比之前描述的802.11a/g的流程,我们接下来描述的内容是当物理层的数据帧中,STF,LTF以及SIGNAL字段都已经封装好之后,接下来物理层发送流程的一些细节。我们用上图来描述一个物理层具体的发送过程:

  1. 首先当正式的数据字段从MAC层下到物理帧之后(PLCP Header部分已经处理完了),会被增加三个部分:service,tail以及pad bits(这里可以关注第一部分描述OFDM symbol图中红色方框部分),这里需要注意的是,service字段虽然属于PLCP Header的内容,但是其是在DATA部分以高速率进行发送的,其余tail字段是为了卷积编码所使用的,pad bits是我们所述802.11a/g物理层都是基于OFDM symbol的,所以当symbol中数据字段不够的时候,需要填充空白字段,从而才能够生成OFDM symbol。
  2. 在添加完三个部分之后,数据帧需要经过扰码器(Scrambler),扰码器的初始状态是通过service字段获得的,同时service字段实际上是通过MAC层传递下来的TXVECTOR参数获得的,在整个传输过程中,发送机和接收机需要采用相同的扰码序列。
  3. 当扰码结束后,依序进行卷积编码(Conv. Encoder,用以增加冗余),用比特组成码元(Group bits into symbols),交织器(Interleaver,用以避免相邻的bit受到相同的频率选择性衰落的影响),然后对数据进行调制并映射到相应的子载波上(Modulator / Mapper),需要注意的是这里一般调制的数据都是复数,按笔者理解这里应该就是IQ相位进行的调制,所以在调制器模块之后,都是并发两个输出指向下一个模块。
  4. 在数据部分完成之后,接着是插入4个导频码(Insert Four Pilots),用来在导频子载波上使用。
  5. 当准备工作完成之后,进行IFFT变换(IFFT),生成一个OFDM Symbol中的一个个样本点,在802.11a/g中,一共有64个样本点。然后将该64个样本点对应的后1/4(即后面的0.8us),复制到symbol之前,从而构造了一个带CP的OFDM Symbol(Prepend Cyclic Prefix)。
  6. 为了满足协议中spectral mask的要求,需要对每一个OFDM Symbol使用脉冲整形函数(Pulse Shaping Filter)进行平滑,以减少频谱旁瓣的干扰,实际上这里可以理解成是添加了一个升余弦滤波器做了一些处理。在《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》一书中,有给出推荐的整形函数的公式,这里就不展开了。
  7. 最后通过DAC生成模拟波形,经过混频,功率放大器PA,最终通过天线发送出去,那么一个发送过程基本就结束了。

PS:下图是参考《MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB》一书中,OFDM Symbol经过脉冲整形之后的时域结果,这里只是给出一个直观的感觉,对于参数本文并不展开。

802.11a/g:物理层(PHY)的接收过程

对照802.11a/g的发送流程,我们接下来描述对应的接收流程。在上图所描述的接收流程中,STF,LTF以及SIGNAL字段的使用是被包含在内的。

  1. 在接收信号一端,信号经过低噪声放大器LNA,混频之后,接收机首先通过STF和LTF字段完成初期的AGC,频率校正(Frequency Correction),以及码元定时校正(Symbol Timing Adjust)的相关功能。同时在数据帧头部的SIGNAL字段中,也提供了上层解调所需要具体的MCS值,数据帧长度等相应信息,上图并未体现,不过这个部分信息也是需要在接收过程初期就需要获得的。
  2. 在这之后,对接收序列进行串并转换(Serial to Parallel),实际上可以理解成累积采样点的过程,然后移除每一个OFDM Symbol的保护间隔CP(Remove Guard Interval,这里CP和GI的位置是一致的,协议表述一般为GI),然后进行对这些采样点序列进行FFT变化,转换为频域子载波进行处理。
  3. 在FFT之后,利用LTF字段以及导频Pilot的相应信息对OFDM Symbol再一次进行一些细致的处理,包含信道均衡(Channel Equalizer),导频追踪和相位校正(Pilot Tracking & Phase Correction)以及处理一些解码所需要的可靠性的信息(Reliability information for decoder)。
  4. 接着要按序进行解映射(Demapper)和解交织(De-Interleaver)的工作,据《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》一书所言,802.11a系统是采用BICM(Bit Interleaved Coded Modulation)的方式完成解映射,解交织的相应工作,这一块笔者也没有深入看过,故先了解与一下。
  5. 当以上的内容处理结束后,数据就需要被进行并串转换,从而从之前的OFDM Symbol,一个个按照一组采样点的处理方式,变成按照数据流的处理方式。然后经过解码获得解调之后的数据流。这里实际上还是存在非常多的细节部分,但是本文并没有对此进行展开,还请见谅,有部分内容扩展到也可以参阅原书。
  6. 当解码之后,最后一个步骤是解扰码。接收机通过数据帧中携带的service字段作为解扰器的初始状态,从而一次解扰整个数据流。

PS:本文主要简单叙述了802.11a/g物理层接收和发送过程的一些流程,因为本文主要关心是物理层发送和接收的总体流程,所以避免了一些具体过程的内容,比如没有过多展开说明OFDM symbol时域和OFDM Subcarrier之间的关系,CP,GI以及64样本点以及FFT/IFFT的关系之类也有点不明确,后续解调的一些细节也一带而过,同时为了简化,部分概念也不是表述很好,可能也有一些错误,导致部分表述存在问题,故还请见谅,有错误还请指出,谢谢。


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编辑于 04-29

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