WIFI基础入门--802.11a/h/j--5GHz OFDM PHY--19

1.概述

2.4GHz ISM频带十分拥挤，而且经常充斥着非802.11信号。为了达到更高的数据率，802.11工作小组制定出另一种物理层标准，802.11a是专门针对美国所做的设计，在802.11工作组的协助下，最后针对欧洲制定了802.11h，针对日本制定了802.11j。

2.正交频分复用(OFDM)

802.11a是基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing简称OFDM)的。近年来，DSL与无线数据应用对OFDM重新燃起兴趣，主要出现了更好的信号处理技术，使之更为实际可行。然而，在做法上OFDM的确不同于其他近年来出现的编码技术，如码分多址(code division multiple access简称CDMA)。CDMA通过复杂的数学转换，以单一载波进行多路传送，OFDM则是以多路副载波进行单一传送。CDMA的码分所使用的数学运算远比OFDM复杂得多。OFDM设备会将一个较宽的信道分割成几个子信道。每个子信道均用来传输数据。所有这些较慢的子信道随后会被复用的方式组合成较快的信道。

载波复用

在质量上，OFDM采取类似Multilink PPP的做法：当一条链路不够使用时就增加几条平行的链路来处理。
OFDM和传统频分复用(FDM)技术的关系十分密切。两者均是将可用带宽分割为许多称为载波或副载波的片段，同时将这些载波作为个别信道进行数据传输。借由这些副载波的平行运用以及对这些副载波的数据进行复用处理，OFDM可以有效提升吞吐量。
传统的FDM被广泛运用于第一代移动电话中，作为无线信道的分配方式。每个用户会被分配到一个专用信道，信道间使用防护频带以确保某个信道所溢出的信号不会干扰到相邻信道的用户。传统FDM的问题在于防护频带不仅浪费带宽，也会减少可用资源。为了避免无用的防护频带浪费传输资源，OFDM使用彼此重叠但不会互相干扰的信道。之所以能够使用互相重叠的载波，是因为定义了副载波，因此可以轻易区分彼此。能够区分副载波，关键在于它使用了一种复杂的数学关系，称为正交性。

正交性的意义

OFDM之所以能够运作，是因为所选用的副载波频率的波形丝毫不受其他副载波影响。信号被分为三个副载波。每个副载波的波峰均作为数据编码之用，这些副载波之间经过刻意设计，彼此之间保持正交关系。
OFDM会从每个子信道取得编码信号，然后使用快速傅里叶逆变换(简称IFFT)由每个信道的振幅产生一个组合波形。OFDM接收器随后可以使用快速傅里叶变换(FFT)从所收到的波形中取出每个副载波的振幅。

防护时间

符号间干扰(inter-symbol interference简称ISI)是接收器面临的主要问题。当不同路径之间的延迟差距过大而导致后来所发送的数据副本混叠先前所收到的数据时，就会发生符号间干扰。
如果采用OFDM，符号间干扰就不会造成问题。OFDM所使用的傅里叶转换会将所收到的波形萃取为副载波的振幅，因此时间偏移就不会造成太大的问题。基本的低频载波将有较大的振幅，而迟到的高频部分则可以忽略不计。
虽然有种种好处，但并非全无代价。OFDM系统使用了多个频率各异的副载波。这些副载波被紧密包裹到一个操作信道中，只要副载波频率有稍许偏移，就会在载波之间造成干扰。这种现象称为载波间干扰。频率偏移之所以发生，可能是因为多普勒效应或发射器与接收器的频率稍有偏移。
为了同时解决ISI与ICI的问题，OFDM收发器会在符号时间开头的部分保留一段防护时间，而且只有非防护时间进行Fourier变换。以符号而言，防护时间以外的部分通常称为FFT积分时间，因为Fourier变换只针对该部分进行处理。
短于防护时间的延迟并不会造成ICI，因为频率组件并不会渗透到后续的符号时间中。慎选防护时间是OFDM系统设计人员的主要任务。防护时间显然会降低系统的整体吞吐量，因为它减少了可用于传输数据的时间。过短的防护时间不仅无法防止干扰，同时还会降低吞吐量，防护时间过长，则会白白浪费许多吞吐量。

循环扩展(循环前缀)

实现防护时间最直接的方式莫过于届时不要传送任何东西，如此实现防护时间，一旦遇到常见的延迟，就可能将正交性粉碎。要解决静止的防护时间所造成的问题十分简单，只要将副载波的FFT积分时间向前延伸至防护时间即可。延长副载波会使Fourier变换只显示出该副载波频率的振幅，这种技术统称为"循环扩展"，也可以称为"循环前缀扩展"。经过前置延伸的防护时间称为"循环前缀"。

加窗法

OFDM收发器可以采用一种加强技术以便符合实际需要。在符号的边界地带，信号的过渡不尽然都是相当平顺。这种突然的转换会产生一些高频成分(噪声)。为了使OFDM收发器表现良好，通常会在信号前后加上填充位。
加窗法主要是让新的信号能够缓缓拉升至完全强度以及让旧信号能够逐渐消逝的一种技术。

3.802.11a所采用的OFDM

参数

选择OFDM参数时通常有三项既定的事实。带宽是固定的，这通常由管理者来限制。延迟时间取决于OFDM系统的操作环境。通常办公大楼的延迟扩展为40~70ns，不过在某些环境里，延迟扩展可能高达200ns。最后，提高位率通常是设计上所要达到的目标，虽然这通常意味着在其他参数限制不变的情况下尽量提高位率。
比较常见的做法是防护时间应该为平均迟延时间的2至4倍。因此，802.11a设计人员选用800ns作为防护时间。符号的持续时间应该比防护时间长，较长的符号时间代表这段时间内可能容纳更多的副载波。更多的副载波会增加发送端与接收端的信号处理负担，设备的成本与复杂度也会因此提高。比较实际的做法是选择至少比防护时间多5倍的符号时间。802.11a以800ns的防护时间搭配4us的符号时间。
802.11a中操作信道的带宽为20MHz。操作信道使用多少带宽，纯粹是设计时的决定。较宽的信号具有较高的吞吐量，不过可用频谱中只能容纳较少的操作信道。采用20MHz的操作信道，可以为每个信道提供合理的速度(最高为54Mbps)，以及在所指定的频谱中提供数量合理的操作信道。802.11a在调制与编码上提供了相当多的选择。采用较稳定的调制方式与较保守的编码率，可以提供较低速但较可靠的吞吐量，选择较细致的调制方式与较激进的编码率，则可以提供较高但不是那么可靠的吞吐量。

操作信道的结构

和DS PHY一样，OFDM物理层将频谱组织为操作信道。每个带宽为20MHz的信道由52个副载波组成。其中有4个副载波充当导频，用以监控路径偏移与ICI，其余48个副载波则是用来传递数据。副载波之间彼此相距0.3125MHz。信道编号从-26至26，由于信号处理上的需要，副载波0并未使用。
副载波-21，-7，7以及21被指定为导频。为了避免在Fourier变换中出现过强的光谱线，导频会以802.11a所规范的保守调制技术来传送固定的位序列。

子信道调制技术

802.11a在每个子信道上使用正交调幅(quadrature amplitude modulation简称QAM)技术来传送数据。QAM是在单一载波上编码数据，不过该载波是由同相与正交两种信号组成。QAM会同时对着两种信号进行调幅，即根据输入信号的大小调整载波波形。

前向纠错与卷积编码

严格来讲，前向纠错(forward error correcting简称FEC)并不属于OFDM。不过，当信号遭受窄带干扰或者在特定的窄带频率面临所谓的深度衰落时，也可以使用OFDM。一旦发生衰落现象，由于所收到的振幅十分微小，因此信道就会丧失承载数据的能力。为了防止某些衰落的信道造成位错误率大幅上扬，实现时可以使用OFDM为所有子信道加上纠错码。

子信道交错

每个操作信道由48个信道组成。基本上每个操作信道的吞吐量就是48个数据流的总和。所接收到的编码位流必须映射到正确的副载波。802.11a所使用的是一组交错规则，而不是使用简单的round-robin算法来轮流将位映射到副载波，例如第一个位映射到第一个副载波，第二个位对应到第二个副载波，依此类推。第一项规则可以确保依次传送的位会被分散至相隔较远的副载波，第二项规则可确保依次传送的位映射至不同的星座点。

操作信道

5GHz频带中的信道指定编号，信道间相距为5MHz：
中心频率(MHz) = 5000+5n,n=0-199
中心频率(MHz) = 5000- 5(256-n),n=240-255
显然，每个带宽为20MHz的802.11a的信道占用4个信道。802.11a原本是针对美国所做的设计。欧洲的信道划分是在2003年底被纳入802.11h，日本的操作信道则是在2004年底被纳入802.11j。
操作频带尚有一些值得注意的功能。和DS PHY一样，OFDM会使用传输屏蔽来防止功率泄漏至相邻频带。

4.OFDM PLCP

和其他物理层一样，OFDM PHY也具有自己的PLCP，其中包含了该物理层专属的帧参数。

成帧

OFDM PHY负责添加前导码以及PLCP标头。此外，它也会添加若干结尾的位以协助所使用的编码机制。其中包含防护间隔以及发射器所使用的加窗法。前导码持续了16us，平均分配给短训练序列与长训练序列。前导码之后，由一个OFDM符号携载Signal字段，然后由数据符号携载PLCP标头的结束字段，最后是MAC有效载荷以及结尾位。

前导码

和所有常见的IEEE 802网络一样，OFDM物理协议单元是以一个前导码开始。它是由12个OFDM符号所组成，借以同步发送端与接收端的定时器。前面10个符号是短训练序列，接收器会用它来锁定信号；如果使用多组天线，也可由它来选用天线以及同步开始解码后续符号时所需的大规模时序关系。短训练序列传输时并未使用防护间隔。在短训练序列后面紧跟着两个长训练序列。长训练序列主要用于微调，同时采用防护间隔来加以保护。

标头

PLCP标头是物理协议单元的Signal字段中传送的，它结合了物理协议单元的Data字段的Service子字段。Signal字段包含Rate、Length以及Tail等子字段。

0-3	4	5-16	17	18-23
Rate	Res	Length	Parity	Signal tail

Rate(4个位)
以4个位编码的数据率。每一种数据率对应的位编码。以下列出了每一种数据率所对应的位编码。

数据率(Mbps)	位
6	1101
9	1111
12	0101
18	0111
24	1001
36	1011
48	0001
54	0011

Length(12个位)
所包含的MAC帧中的字节数，以12个位来加以记录。和大多数字段一样，此字段由最低位至最高位逐一被传送。Length字段经过卷积编码以防止错误发生。
Reserved(1个位)与Parity(1个位)
位4保留供未来使用，必须设定为0。位17是前16个Signal位的偶位，用来避免数据损毁。
Tail(6个位)
Signal字段以6个值为0的结尾位结束以展开卷积码。
Service(16个位)
PLCP标头的最后一个字段是长度为16位的Service字段。和PLCP标头的其他字段不同的是，它是以所包含的MAC帧的数据率通过物理协议单元的Data字段来传送。

Data

数据所使用的编码机制取决于数据率。在传送之前，数据必须经过扰频，和其他物理层一样。标头的Service字段之所以包含在物理层协议单元的Data字段，是因为必须以它来启动扰频器。

Trailer

物理协议单元的Data字段会以标尾结束，标尾由两个字段组成：
Tail(6个位)
和PLCP标头的结尾位一样，附加至MAC帧结尾的位主要是让卷积编码可以平顺结束。之所以需要6个位，是因为卷积编码的长度限制为7。
Pad(位数不定)
802.11a所使用的OFDM是以大小固定的位块来传送数据。Data字段之所以加上填充位，是为了使数据长度与位块的大小一致。位块的大小取决于数据所使用的调制方式与编码率。

5.OFDM PMD

OFDM PHY使用了各种不同的调制机制，数据率可达到6Mbps至54Mbps。在所有情况下，物理层在48个子信道所使用的符号率为每秒250000个符号，至于每个符号可以承载几个数据位则视情况而定。

编码与调制

OFDM PHY的速率有四级：6与9Mbps、12与18Mbps、24与36Mbps以及48与54Mbps。6、12与24Mbps是必要的项目，即前三级的最低速率，因此在遭遇干扰时也最稳定。各种OFDM数据率的编码细节：

速度(Mbps)	调制方式与编码率®	子信道所编码的位数	符号所编码的位数	符号的数据位数
6	BPSK,R=1/2	1	48	24
9	BPSK,R=3/4	1	48	36
12	QPSK,R=1/2	2	96	48
18	QPSK,R=3/4	2	96	72
24	16-QAM,R=1/2	4	192	72
36	16-QAM,R=3/4	4	192	144
48	64-QAM,R=2/3	6	188	192
54	64-QAM,R=3/4	6	288	216
72	64-QAM	6	288	288

灵敏度与信道抑制

和其他物理层一样，802.11a也规范了接收器的最低灵敏度要求。之前已经提过其他物理层的最低灵敏度。唯一比较值得注意的是802.11a的数据率比较多样，必须针对每个数据率制定最低性能要求。相比较于直接序列物理层，802.11a所制定的要求算是有过之而无不及。802.11b要求接收器必须具备-76dBm的灵敏度，相当于802.11a中18Mbps与24Mbps这两种数据率。
比较值得注意的是信道抑制的部分。和其他物理层一样，首先在任意信道输入一个比最低灵敏度稍高3dB的信号，然后在相邻或不相邻信道输入第二个信号进行抑制测试当被测试信道的帧错误率为10%时，注意两个信道间的功率差异。
由此表可知，当数据率越高，接收器所收到的信号就越容易被损毁。如果802.11a网络的接入点过于密集，位于相邻接入点间的工作站可能会同时接收到来自两者的54Mbps信号，造成工作站的无线电芯片组无法判读。不过54Mbps的传输距离相对较短，因此不太会出现这种情况。此外，虽然有些芯片组的性能优于标准所规定，不过大多数厂商并不会在网卡的规格表中列出邻道抑制的数据。

数据传输率(Mbps)	最低灵敏度(dBm)	邻道抑制值(dB)	非邻道抑制值(dB)
6	-82	16	32
9	-81	15	31
12	-79	13	29
18	-77	11	27
24	-74	8	24
36	-70	4	20
48	-66	0	16
54	-65	-1	15

空闲信道评估

OFDM PHY规范说明书留下了相当大的空间，让实现人员可以自行选择空闲信道评估(clear channel assessment简称CCA)技术。信号的强度阀值可用来决定信道是否正在使用中，不过802.11a设备的主要指导原则是设备本身必须符合特定的性能标准。实现时可以使用PLCP标头的Packet Length字段作为空闲信道评估的参数，但并非必要。

传送与接收

1.选择传输率。数据率选择的算法因实现而异，在相同环境下，不同厂商的产品也许会选择不同的速率。速率决定了所使用的调制方式与卷积码以及各个副载波的数据位数。
2.传送PLCP前导码，其中包含长短训练序列。
3.开始传送SIGNAL字段中的PLCP标头，它并未经过扰频，当经过卷积编码器的编码。
4.产生封包的数据字段。
a.产生SERVICE字段，当前这个字段的每个位均设为0。前面7个0是用来初始化扰频器，后面9位目前保留未用，均设为0。
b.附加数据
c.放置6个0作为标尾
d.填充位补0，使之成为副载波块数据位的倍数
5.对数据进行扰频，如此可以避免出现长串的0或1
6.以卷积编码器进行数据编码。如有必要，再对卷积编码的结果进行收缩处理，以高于1/2以上的编码率产生编码后的字符串
7.将编码数据分为块来处理，块的大小取决于数据符号的调制率。
a.执行纠错过程，将块中的位映射到48个副载波
b.在操作信道的特定位置插入4个导频
c.使用逆Fourier变换，将频域数据转换为时域数据进行传送
8.重复步骤5直到所有数据块传送完毕。

确认

802.11 MAC要求每个帧都必须得到确认。传送确认时必须采用已关联工作站均支持的数据率。大多数设备是以24Mbps的数据率传送确认信息，如此不仅可以符合上述要求，也可以将网络的总开销降至最低。

OFDM PHY的特性

OFDM PHY还有一些参数可供调整，可用来调整电子零件不同处理阶段所造成的延迟。OFDM PHY参数如下：

参数	值	备注
最大MAC帧长度	4095byte	无
时隙时间	9us	无
SIFS时间	16us	SIFS可用来推演出其他帧间间隔值(DIFS、PIFS以及EIFS)
竞争窗口的大小	15至1023个时隙	无
前导码持续时间	20us	无
PLCP标头持续时间	4us	无
接收器灵敏度	-65至-82dBm	取决于数据传输速度

和其他物理层一样，OFDM PHY中有些属性可供厂商调整，让系统各部分的延迟时间能够保持均衡，其中包括MAC，PLCP，收发器的迟延变量以及收发器电子零件中个别变异的相关参数。

WIFI基础入门–802.11g–增强速率物理层ERP–20

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