2.2 物理层的关键技术

通过 PMD 和 PLCP，IEEE 802.11WLAN 的物理层实现了多种关键技术，以适应不同信道速率的无线网络节点的通信，这些不同信息速率的网络节点归纳为以下3类。

（1）低信道速率节点

信道速率为：1 Mbit/s、21 Mbit/s、5.51 Mbit/s、11 Mbit/s。

（2）中等信道速率节点

11 Mbit/s<信道速率≤54 Mbit/s。

（3）高速信道速率节点

信道速率>54 Mbit/s。

对应这3类不同的网络节点，IEEE 802.11在物理层，先后推出了以下3种不同的物理层技术，以实现它们信息的接收和发送，这3种技术是：

① 直序扩频/高速直序扩频；

② OFDM（正交频分复用）；

③ MIMO（多进多出）。

这3种技术也是802.11 WLAN 物理层的3种主要的关键技术。

具体如下。

2.2.1 直序扩频/高速直序扩频

直序扩频/高速直序扩频是802.11 WLAN用于低速网络节点通信的物理层技术，其技术基础是直序扩频通信。直接序列扩频就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号，它具有抗干扰、抗截获、适合多址通信的优点。

在 802.11 WLAN 中，直序扩频/高速直序扩频的实现和完善均是在 802.11b的标准上完成的，其公布的在 2.4 GHz 频段的后续版本的接入标准，均保持了对 802.11b 标准的完全兼容，因此本书所有关于直序扩频/高速直序扩频的论述，均以802.11b标准为蓝本。

1．直序扩频技术的PMD处理

在802.11b中，为了满足1 Mbit/s和2 Mbit/s信息收发的要求，在物理层中定义了直序扩频的技术处理。直序扩频在物理层的PMD中，通过使用DBPSK和DQPSK调制以及相关扩频处理而实现，具体描述如下。

（1）DPBSK调制与扩频

在 802.11b 的 PWD 中，为了满足 1 Mbit/s 扩频码速率的传送要求，规定了DBPSK调制和相应的扩频处理。首先，规定使用DPBSK调制，它按照输入比特的顺序，根据表中确定的比特间的相位改变，得到相应的调制符号（表中的相位改变值），DBPSK编码规范表如表2-1所示，表中（+jω）表示相位逆时针旋转。

表2-1 DBPSK调制符号

输入比特经过DBPSK调制后，再通过巴克码[l-111-1111-1-1-1]进行扩频码生成的相关运算（每个调制符号和一个上述的巴克码字进行相关运算，巴克码字中的−1 转换成 0 来使用），得到相应的扩频序列。由于巴克码的码字的底层速率规定为100万个/秒，因此调制后经过巴克码关联得到的扩频序列的速率为1 Mbit/s。

（2）DQPSK调制与扩频

在802.11b的PWD 中，为了满足2 Mbit/s速率的传送要求，规定了DQPSK调制和相应的扩频处理。

DQPSK 按照输入比特对的顺序，根据表中确定的比特对间的相位改变，得到比特对应的调制符号（表中的相位改变值）。DQPSK编码规范表如表2-2所示，表中（+jω）表示相位逆时针旋转。

表2-2 DQPSK调制符号

续表

输入的比特对经过DQPSK调制后，再通过巴克码[l-111-1111-1-1-1]进行相关运算（每个调制符号和一个上述的巴克码字进行相关运算，巴克码字中的−1转换成0来使用），得到相应的扩频序列。由于巴克码的码字的底层速率规定为100万个/秒，因此调制后经过巴克码关联得到的扩频序列的速率为2 Mbit/s。

2．高速直序扩频技术的PMD处理

在802.11b中，为了满足5.5 Mbit/s和10 Mbit/s速率的信息收发的要求，在物理层中定义了高速直序扩频的技术处理。高速直序扩频在物理层的 PMD 中，是通过使用5.5 Mbit/s CCK和11 Mbit/sCCK调制，产生相应的扩频序列码而实现的，具体如下。

（1）5.5 Mbit/s CCK

在802.11b的PWD 中，为了满足5.5 Mbit/s速率的信息收/发要求，规定了通过5.5 Mbit/s CCK调制，产生相应的扩频信息序列码。

5.5 Mbit/s的CCK调制，是将4 bit d0～d3（按照传输的先后顺序）编码成一个符号，它是基于DQPSK的相移键控技术实现的。其中d0和d1确定CCK编码符号通用表达式中的φ1，φ1等于d0d1对应的DQPSK相位（见表2-3）减去上一个符号的DQPSK相位。

表2-3 5.5 Mbit/s CCK调制符号

在表2-3中（+jω）表示相位逆时针旋转，另外，最先开始的DQPSK的编码符号的顺序号为0（即为偶数）。

d2 和 d3 确定φ2 和φ4，φ2=(d2×π)＋π/2，φ4=d3×π，φ3=0。将确定的φ1、φ2、φ3和φ4的值代入CCK编码符号的通用表达式： 即得到 4 bit 的 CCK 编码符号。

CCK编码符号的传送速率是137.5万个符号/秒，由于每个符号编码4个信息比特，因此CCK编码后的信息速率为5.5 Mbit/s，这些信息直接作为扩频序列码，从而实现了速率为5.5 Mbit/s的高速直序扩频。

（2）11 Mbit/s CCK

在802.11b的PWD 中，为了满足11 Mbit/s速率的信息收/发要求，规定了通过11 Mbit/s的CCK调制，产生相应的扩频信息序列码。

11 Mbit/s的CCK调制，是将8 bit d0～d7（按照传输的先后顺序）编码成一个符号，它是基于DQPSK的相移键控技术实现的。其中d0和d1确定上述CCK编码符号通用表达式中的φ1，φ1等于d0d1对应的DQPSK相位（见表2-3）减去上一个符号的DQPSK相位，在表2-3中（+jω）表示相位逆时针旋转，另外，最先开始的DQPSK的编码符号的顺序号为0（即为偶数）。

d2d3、d4d5、d6d7分别对应φ2、φ3、φ4（具体的对应关系见表2-4，φ2、φ3、φ4即为表中与输入比特对应的相位值）：

表2-4 11 Mbit/s CCK调制符号

将确定的φ1、φ2、φ3 和φ4 的值代入 CCK 编码符号的通用表达式： ，即得到8bit的CCK编码符号。

CCK编码符号的传送速率是137.5万个符号/秒，由于每个符号编码8个信息比特，因此CCK 编码后的信息速率为11 Mbit/s，这些信息直接作为扩频序列码，从而实现了速率为11 Mbit/s的高速直序扩频。

3．直序扩频/高速直序扩频的PLCP处理

在802.11b中，与直序扩频/高速直序扩频相关的PLCP设计，包括以下部分：

• 帧结构设计；

• 信道空闲标记。

具体如下。

（1）帧结构设计

802.11b的物理层在发送信息时，PLCP将从MAC层传来的MPDU加上前导码（Preamble）和帧头（Header），形 成PPDU，然后传输给PMD发送。

802.11b的物理层在接收信息时，PLCP则将从PMD传来的PPDU去除前导码和帧头部分，形成MPDU，然后传输给MAC层。

IEEE 802.11b 的物理帧定义了两种不同的格式：长帧格式和短帧格式。其中长帧格式是强制性的，即所有的系统都应支持；短帧格式是可选择的，设计者可以根据系统要求自行选择支持与否。

① PLCP PPDU的长帧格式。

PPDU由PLCP 前导码、PLCP 帧头和PSDU 3部分组成。

• PLCP前导码包含SYNC 和SFD 两部分。

• PLCP的帧头包括SIGNAL、SERVICE、LENGTH和CRC 4个部分。

• PSDU 为从MAC 层传送来的帧。

PLCP PPDU的长帧格式如图2-2所示。

图2-2 PLCP PPDU的长帧格式

在图2-2中，PLCP的前导码和PLCP帧头部分采用1 Mbit/s DBPSK方式调制；PSDU则可选用1 Mbit/sDBPSK、2 Mbit/s DQPSK、5.5 Mbit/s CCK和11 Mbit/s CCK任意一种方式进行调制。图2-2的参数说明如下。

A．SYNC。

SYNC 由128 bit的全l序列经扰码后得到。接收机利用该部分进行数据接收前的一些必要的同步和参数估计操作。

B．SFD。

SFD指示了一帧的开始，便于接收机和发送机进行必要的初始化。对于长帧来说，它长度为16 bit，数据为[1111 0011 1010 0000]，发送顺序为从低位到高位。

C．SIGNAL。

SIGNAL长度为8 bit，指示当前帧的PSDU 部分的调制方式，数值等于发送速率乘以10，数据的发送方式为从低位到高位，共有4种调制方式可供选择，其相对应的SIGNAL数值如表2-5所示。

表2-5 SIGNAL取值表

D．SERVICE。

SERVICE长度为8 bit，在SERVICE的比特中：

• 若系统发送频率和系统时钟由同一振荡器产生，则b2比特为1，否则为0；

• b3比特指示系统调制方式：0为CCK调制，1为PBCC 调制；

• b7比特为LENGTH 部分的补充比特；

• 其余b0、b1、b4、b5、b6各比特为系统保留比特，尚未有定义。

具体如表2-6所示。

表2-6 SERVICE取值表

E．LENGTH。

LENGTH为一个16 bit的无符号整数，其值等于PSDU发送所需要的时间数（单位：微秒）。LENGTH 的数值可以根据原语 PHY-TXSTARTrequest 中 TXVECTOR的Length和DataRate（调制方式）的参数计算得到。

其计算方法如下。

• 调制方式为1 Mbit/s DBPSK，则LENGTH=Length×8；

• 调制方式为2 Mbit/s DQPSK，则LENGTH=Length×4；

• 调制方式为5.5 Mbit/s CCK，则LENGTH=（Length×8/5.5）进位取整；

• 调制方式为11 Mbit/s CCK，则LENGTH=（Length×8/11）进位取整，若进位值大于8/11，则SERVICE中b7比特置1，否则置0；

• 调制方式为5.5 Mbit/s PBCC，则LENGTH=（Length+1）× 8/5.5进位取整；

• 调制方式为11 Mbit/s PBCC，则LENGTH=（Length+1）×8/1l进位取整，SERVICE中b7比特设置方法同11 Mbit/s CCK。

F．CRC。

PLCP 帧头部分（SIGNAL SERVICE LENGTH）用16比特CRC进行校验保护。CRC校验多项式为X16+X12+X5+1，其初始值为[1111 1111 1111 1111]。

G．PSDU。

PSDU即为从MAC层传送过来的MAC帧数据。

② PLCP PPDU的短帧格式。

PLCP 的短帧和长帧一样，也包括前导码、帧头和PSDU 3个部分。不同处主要如下。

• SYNC为56 bit长的全0序列随机码；

• SFD 部分为16 bit长的数据[0000 0101 1100 111l]；

• SIGNAL部分调制方式只有0×14、0×37、0×6E 3种选择。

• PLCP短帧的前导码和PLCP帧头部分采用2 Mbit/s DQPSK方式进行调制发送，PSDU部分则可选择2 Mbit/s DQPSK、5.5 Mbit/s CCK、11 Mbit/s CCK中任一种进行调制发送。

PLCP PPDU的短帧格式如图2-3所示。

图2-3 PLCP PPDU的短帧格式

（2）信道空闲标记

物理层通过 PMD 子层检测信道状态来执行载波侦听功能。如果站点没有发送或者接收帧，PLCP层则启动CCA状态机，完成以下监听工作。

① 检测信号的到来：PLCP 持续对信道进行监听，信道忙时，PLCP 读取帧前导码和帧头，并尝试同步接收机和信号速率。

② 信道空闲指示（Clear Channel Assessment）：信道空闲指示用于测定无线信道处于繁忙还是空闲状态。若检测到信道空闲，PLCP 将发送一段表示信道空闲的原语（PHY-CCA．Indicate（STATE=IDLE））到MAC 层，若信道繁忙则发送原语（PHY-CCA．Indicate（STATE=BUSY））到MAC层。MAC 层将根据信道空闲指示决定发送/接收数据与否。

以下为5种模式的信道空闲指示。

• CCA模式1：能量超过门限指示，当监测到信号能量超过门限，汇报信道忙。

• CCA模式2：载波监测指示，当监测到DSSS信号时，汇报信道忙。

• CCA模式3：能量超过门限&载波检测指示，当检测到DSSS信号并且能量超过门限时，汇报信道忙。

• CCA模式4：时钟载波检测指示，CCA将开始一个持续时间为3.65 ms的检测，当在这段时间内监测到高速物理层的信号，汇报信道忙。

• CCA 模式 5：能量超过门限＆载波检测指示，当天线正在接收高速 PPDU且能量超过门限，指示信道忙。

系统所支持的CCA模式将在物理层MIB参数dot11CCAModeSupported参数中说明，当前CCA模式将在物理层MIB参数dot11CurrentCCAMode中说明，能量门限在dot11EDThreshold参数中说明。

4．直序扩频/高速直序扩频相关的物理层特征参数

802.11b的物理层特征参数如表2-7所示：

表2-7 802.11b物理层特征参数

2.2.2 OFDM（正交频分复用）

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，其主要思想是：将一个信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

由于其技术特性，OFDM具备抗衰落、抗多径、抗码间串扰、频谱利用率高的优点，非常适合用于高速数据的传输，因此IEEE 802.11 WLAN对于速率大于11 Mbit/s的信息发送/接收，在物理层主要通过OFDM技术来完成。

IEEE 802.11首先在802.11a的技术标准中，完整定义了5 GHz频段的OFDM技术。在 802.11a 的后续相关的接入技术标准（如 802.11g、802.11n等）都完全参照802.11a标准进行OFDM技术的定义。因此，本书以 802.11a 为蓝本，对在802.11WLAN中单独的OFDM技术进行了详细描述。而与MIMO技术相关联的OFDM技术，则放在后面的MIMO技术章节进行描述。

在802.11a的物理层中，PMD实现OFDM的以下技术：

• OFDM的主信道的频谱划分；

• OFDM子信道的设计；

• OFDM子信道的调制；

• OFDM子信道的编码。

在PMD实现上述OFDM技术的同时，802.11a物理层的PLCP完成OFDM的成帧处理，具体如下。

1．OFDM的主信道的频谱划分

802.11a根据下列公式为主信道信道指定编号：

中心频率（MHz）=5 000+5×N；N=0，1，2，…，179；

中心频率（MHz）=4 000+5×N；N=180，181，…，199；

中心频率（MHz）=5 000−5×（256−N）；N=240，241，242，…，255。

注：N为信道编号。

每个802.11a主信道的带宽，根据不同国家的规定，可以为20MHz或者10MHz。802.11a的使用频谱在不同的国家和地区有不同规定的限制，具体的不同国家和地区的802.11a主信道的频谱划分如表2-8所示。

表2-8 802.11a各国的频谱划分

续表

2．OFDM子信道的设计

每个OFDM主信道带宽为20 MHz，它由52个子信道载波组成。其中有4个子信道载波充当导频，用以监控路径偏移与符号串扰；其余48个子信道载波用来传递数据。

子信道载波的信道间隔为0.312 5 MHz，子信道编号从−26～26。由于信号处理上的需要，子信道载波0不使用。

子信道−21、−7、7以及21被指定为导频信道载波。

3．OFDM子信道的调制与星座图

802.11a在每个OFDM子信道上使用QAM来调制数据，QAM是在单一载波上对数据进行调制。该调制载波由同相与正交两种信号组成，QAM 同时对这两种信号进行调幅，并根据输入信号的大小调整载波波形。其中主载波以同相信号调制，简写为I；正交信号落后1/4周期，简写为Q。这个组合信号的振幅以及相移均用来进行编码。

同相与正交信号经过量化被限定在一组特定的电平当中，当两种信号都被限定在一组特定电平时，其电平值就形成了所谓的星座图。星座图是在二维平面上给出同相与正交信号的各种可能值。星座图上的每个点表示一种符号，每个符号表示对应的编码比特。

802.11a的星座图如图2-4所示。

图2-4 802.11a的星座图

图2-4 802.11a的星座图（续）

4．OFDM子信道的编码

802.11a的OFDM物理层为OFDM子信道提供了各种不同的编码机制，编码后的数据速率范围为 6～54 Mbit/s。物理层在 48 个子信道所使用的符号率均保持为250 000个符号/s，每个符号所承载的数据比特数根据具体的调制机制而确定。每个调制符号会通过OFDM机制分布到所有48个子信道中。

802.11a的OFDM物理层的速率有4级：6 Mbit/s与9 Mbit/s、12 Mbit/s与18 Mbit/s、24 Mbit/s与36 Mbit/s以及48 Mbit/s与54 Mbit/s。6 Mbit/s、12 Mbit/s与24 Mbit/s是前3级的最低速率，在遇到干扰时也最稳定。第一级的速率使用二进制相移键控（简称BPSK），在每个子信道编码一个比特，相当于每个符号对应48 bit。

802.11a的OFDM物理层的前向纠错编码采用卷积编码，卷积编码是指编码比特中有部分（如1/2或者1/4）是用于纠错的多余比特，卷积编码用R表示。

802.11a的OFDM物理层将调制与卷积编码结合使用，在第二级的速率时采用正交相移键控（简称QPSK）调制，在每个子信道编码2 bit，相当于每个符号编码96 bit，去除冗余的卷积码，实际有效的数据比特为48或72个。

在第3与第4级速率时采用正交调幅（简称QAM）调制，第3级速率采用16-QAM调制以及 R=1/2 与 R=3/4 的标准型卷积码；第四级速率采用 64-QAM 调制以及R=2/3与R=3/4的卷积码。16-QAM是将4 bit编码成一个符号，而64-QAM则是将6 bit编码成一个符号。

表2-9列出了OFDM物理层中每种数据率所使用的调制与编码方式。

表2-9 802.11a的不同速率对应的调制与编码

5．OFDM子信道的数据映射

每个主信道由48个子信道组成.，每个主信道的吞吐量就是48个数据流的总和。主信道的编码数据流映射到各个子信道。

802.11a 使用一组交错映射规则来轮流将编码比特映射到子信道。如第一个比特映射到第一个子信道，第二个比特映射到第二个子信道，依次类推，循环往复，这样确保依次传送的比特会被分散至相隔较远的子信道载波，同时确保依次传送的比特映射至不同的星座点。

6．OFDM的成帧处理

OFDM物理帧的成帧处理中，由PLCP添加前导码（preamble）以及PLCP标头，此外，它也添加若干结尾的比特以协助所使用的编码机制。OFDM的物理帧格式如图2-5所示。

图2-5 802.11a的PLCP 帧结构

在图2-5的物理帧中，前导码持续16 μs，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符号承载Signal字段，然后由数据符号承载PLCP标头的结束字段，最后是MAC有效载荷以及结尾部分。具体说明如下。

（1）前导码

由12个OFDM调制符号组成，用来同步发送端与接收端的时间。前面10个符号是短训练序列，接收器用它来锁定信号，如果使用多组天线，也可用它来选用天线以及同步开始解码后续符号时所需要的大规模时序关系。

短训练序列传输时未使用防护间隔。在短训练序列后面紧跟着两个用于长训练序列的OFDM调制符号。长训练序列主要用于时间微调，为信道的精确定位提供防护间隔来加以保护。

（2）PLCP标头

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

① Rate（4 bit）。

表示4 bit编码的数据率，表2-10显示了每一种数据率所对应编码：

表2-10 Rate取值

② Length（12 bit）。

指示所包含的MAC帧的字节数，以12 bit来加以记录，此字段由最低位至最高位被逐一传送。此字段经过卷积编码，以防止错误发生。

③ Reserved（1 bit）与Parity（1 bit）。

比特4保留供未来使用，设定为0；

比特17是前16个Signal比特的偶校验比特，用来避免数据销毁。

④ Tail（6 bit）。

以6个值为0的结尾比特来结束Signal字段，同时启动卷积码的编码功能，此6 bit由卷织码进行编码处理。

⑤ Service（16 bit）。

PLCP 标头的最后一个字段是长度为16 bit的Service字段。它以所包含的MAC帧的数据率，通过物理协议单元Data字段来传送。

此字段前0～6 bit设定为0是为了启动扰频器对MAC帧进行扰频，剩下的9 bit目前保留，在未来另有他用之前也设定为0。

（3）数据部分

数据部分所使用的编码机制取决于数据率。在传送之前数据经过加扰。和其他物理层一样，PLCP标头的Service字段包含在物理层协议单元Data字段中，是因为它用来启动加扰功能。Trailer物理协议单元的数据部分会以标尾（Trailer）结束，标尾由两个字段组成。

① Tail（6 bit）。

和PLCP标头的结尾比特一样，附加至MAC帧结尾的比特是让卷积编码可以平顺结束。6 bit的长度是因为卷积编码的长度限制为7。

② Pad（比特数可变）。

802.11a所使用的OFDM是以大小固定的比特块来传送数据。数据部分加上填充比特，是为了使数据长度与比特块的大小一致。比特块的大小取决于数据所使用的调制方式与编码率。

7．OFDM物理层的特征参数

在802.11a中，其物理层的特征参数如表2-11、表2-12所示。

（1）一般参数

表2-11 802.11a物理层特征参数

表2-12 802.11a接收器的最小灵敏度

（2）接收器性能要求

2.2.3 MIMO（多输入多输出）

当无线电信号被反射时，会产生多个信号，每个信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的系统一次只能发送或接收一个空间流。多进多出（MIMO）技术允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用，使得多个并行数据流可以同时传送，在不增加带宽和天线发送功率的前提下，大大提高了信道的容量、利用率和信息的传送速率。同时，在发送端或接收端采用多天线，可以显著克服信道的衰落，降低误码率，使信息的传送更加可靠。

IEEE 802.11针对高速信道速率网络节点信息的接收和发送，在802.11n及接入的后续接入技术标准中提出了MIMO技术，但目前802.11n是实现MIMO技术的唯一公开和固化的版本，因此本书以下内容均以802.11n为蓝本进行描述。

在802.11n中，MIMO技术包括了MIMO技术以及相关的OFDM技术两大部分，具体如下。

1．与MIMO相关的OFDM

与MIMO相关的OFDM，是在802.11n中实现的，它包括以下部分：

• OFDM主信道的结构设计；

• OFDM调制与编码的选择；

• OFDM子信道的映射。

具体如下。

（1）OFDM主信道的结构设计

802.11n在设计OFDM的主信道时，充分考虑了对802.11a和802.11g的后向兼容。其中，主信道的划分采用非高吞吐模式（不能使用MIMO技术，与802.11a和802.11g完全兼容）时，其OFDM的主信道划分与802.11a和802.11g完全相同，每个带宽为20 MHz的主信道被划分成52个子信道（子信道载波间隔为0.312 5 MHz），子信道编号范围为：−26～−1、1～26。其中4个为导频信道，其信道编号为：−21、−7、7、21，其余48个子信道为数据信道，如图2-6所示。

图2-6 非高吞吐模式下（20 MHz带宽时）802.11n的OFDM信道结构

当802.11n采用高吞吐模式（可以使用MIMO技术，与802.11a和802.11g不完全兼容）时，在20 MHz带宽模式操作时，其OFDM的主信道划分是将每个带宽为20 MHz的主信道划分为56个子信道（子信道载波间隔为0.312 5 MHz），子信道编号范围为：−28～−1、1～28，其中4个为导频信道，其信道编号为：−21、−7、7、21。其余48个子信道为数据信道，如图2-7所示。

图2-7 高吞吐模式下（20 MHz带宽时）802.11n的OFDM信道结构

当802.11n采用高吞吐模式，在40 MHz带宽模式操作时，其OFDM的主信道划分是将相邻的两个20 MHz带宽的主信道捆绑起来，统一划分成114 个子信道（子信道载波间隔为0.312 5 MHz），子信道编号范围为：−58～−2、2～58。其中6个为导频信道，其信道编号为：−53、−25、−11、11、25、53，其余 108 个子信道为数据信道，如图2-8所示。

图2-8 高吞吐模式下（40 MHz带宽时）802.11n的OFDM信道结构

（2）OFDM调制与编码的选择

802.11n为了保留对802.11b、802.11a和802.11g的向下兼容，保留了物理帧的前导码和PLCP帧头的DBPSK调制和卷积码的编码。而在MAC数据帧的编码方面，则广泛使用了16-QAM与64-QAM调制技术，除了保留802.11a的所有卷积码的编码外，新增了5/6编码率的卷积码编码。同时，802.11n还定义了低密度奇偶校验（以下简称LDPC）码的用法。

（3）OFDM子信道的映射

MIMO+OFDM的主信道数据编码到子信道的映射比较复杂，除了指定比特在子信道的位置外，还需指定比特所使用的空间流。

映射器通常由MIMO发送模块中的STBC编码器构成，编码器在实现（空时分组编码）STBC 的同时，完成将从前向纠错编码器获取的传送的比特轮流分配给每个空间流的任务。

轮流分配时，通常第一比特指派给第一个空间流，第二个比特指派给第二个空间流，依次类推，循环往复；在完成空间流的比特分配后，再从每个空间流中，参照802.11a的OFDM子信道映射的方式，完成比特到每个子信道的映射。

2．MIMO技术

802.11n中的MIMO技术，包括以下部分：

• MIMO 参考模型；

• MIMO 的PMD处理；

• MIMO 的PLCP 处理。

具体如下。

（1）MIMO参考模型

为了在OFDM的基础上进一步提高信息的传送速率，802.11n在OFDM的基础上定义了采用多个天线或者天线阵列进行信息的多进多出（MINO）收发处理技术，通过空间复用、空时编码和波束赋型等具体的技术方案，大大地提高了频谱利用率和数据的吞吐量。MIMO 的天线配置通常表示为“M×R”，其中M与R均为整数，分别表示传输天线与接收天线的数量。MIMO的系统模型如图2-9所示。

图2-9 802.11MIMO参考模型

在图2-9的MIMO系统中，发射天线的数据被分成多个独立的数据流。数据流数目小于或等于收发端最小的天线数目。如：4×4 的 MIMO 系统可以用于传送 4个或者更少的数据流，而4×2的MIMO 系统可以发送两个或者小于两个的数据流。802.11n支持在收发双方之间最多有4个数据流，多个数据流在同一频谱中的同时收发，使得数据的整体速率和吞吐量大大提高。

（2）MIMO的PMD处理

① MIMO 发送模块。

MIMO发送模块的组成如图2-10所示。

图2-10 802.11n的MIMO发送模块结构图

图2-10是目前802.11n推荐的MIMO发送模块组成图，在图中MIMO发送模块由以下子模块组成。

• FEC 编码器：对数据流进行前向纠错编码，包括一个典型的二进制卷积编码器和一个压缩器，压缩器按一定比率删除纠错码，根据删除比率不同，使得FEC的编码速率都有多种选择。

• 流分配器：收集 FEC 编码器的输出，将其分解成与空间流个数相同的数据流，每个数据流对应一个位交织器。进入交织器的数据流即被称为“空间流”。

• 位交织器：将数据流中的位打乱，避免由于噪声引发的错误比特过于集中。

• 星座图映射器：将经过交织的空间流按照指定的调制方式映射为星座图上的点。点采用复数表示，即将一个空间流转换为I、Q两路基带信号。

• STBC 编码器：星座图映射器产生的星座点由STBC编码器编码，将空间流转化为空时流，是一种增强传输稳定性的编码方式。

802.11n 规定，当星座图映射器产生的空间流个数少于实际在空间传送的流的个数（此个数由收发双方的天线数确定）时，可采用STBC编码，将空间流转换成更多的空时流，达到最终空时流的个数与实际在空间传送的物理流的个数相等的目的。

当空间流个数与实际在空间传送的物理流的个数相等时，可以去掉STBC的编码过程（如图2-10中，不经过循环移位的直线所示）；而当空间流个数大于实际在空间传送的物理流的个数时，需要对空间流的产生过程进行调整（如减少编码器数量），以确保产生的空间流个数不大于在空间传送的物理流的个数。

STBC编码的方式如下。

（a）采用符号 d_k，i，2m来表示星座图映射器输出的符号（复数），其中下标表示空间流i、OFDM第k个副载波的第2m个OFDM符号；

（b）采用符号 d_k，i，2m+1表示空间流 i、OFDM 第 k 个副载波的第 2m+1 个OFDM符号。

• 空间流映射器：将空时流映射到发送链路。

• 循环移位扩展：防止信号频谱中出现意料之外的频率。

• 离散傅立叶逆变换：将经过映射的星座点变换为时域波形。

• 防护间隔插入：符号间插入防护间隔。

• 加窗：通过特定的滤波器，使符号的边沿变得平滑，将信号的频谱集中于规定的范围内。

② MIMO 接收模块。

由于MIMO的接收过程正好是MIMO发送过程的逆过程，因此MIMO接收模块的组成与功能处理与上述MIMO发送模块的组成一一对应、功能刚好相反。

（3）MIMO的PLCP处理

① 与MIMO 相关的帧类型。

在PLCP中，针对MINO技术的使用，定义了两种帧类型：

• Greenfield类型；

• 混合（mixed）类型。

在这两种类型的帧中，通过字段：N_ss（取值：0～3，分别表示1～4个空间流），提供对MINO技术的支持。

② 与MIMO 相关的物理帧格式。

802.11n的物理帧成帧由PLCP完成，与MIMO相关的物理帧格式如下。

A．Greenfield类型帧。

在这种类型帧的模式下，PLCP不会使用向下兼容的物理层帧头，Greenfield的访问不用向下兼容。图 2-11 显示了 Greenfield 模式下，1 个空间流、40 MHz信道和两个空间流、40 MHz/20 MHz 信道所对应的PLCP 物理帧格式，它由以下字段组成，如图2-11所示。

图2-11 802.11n的Greenfield模式的PLCP 帧结构

a．MIMO-OFDM PLCP Preamble（前导码）

用于同步发送器和接收器的定时器。共 12个 OFDM符号，包括 10个短训练序列、两个长训练序列以及一个防护间隔。短训练序列用于接收端信号检测、自动增益控制、分集接收的天线选择、频率的初步锁定，长训练序列用于频率的精确锁定。

b．Signal-N

Signal-N 字段中包含解码数据流时所需要的信息。它通常以 QPSK 调制、1/2码率的卷积码编码进行传送，而且未经加扰。其中包含空间流数、带宽、调制与编码的相关信息以及一个CRC码。

c．Service

Service字段不同于PLCP标头的其他字段，它位于物理协议单元的Data字段中，它以MAC帧的数率进行传送。为16 bit，设定为0。其中前0～6 bit设定为0，是为了启动MAC帧的加扰功能；其余9 bit目前保留未用，暂定为0。

d．Data

最后一个字段是一连串持续时间为 4 μs 的符号，用来承载数据。最后 6 bit设定为0的结尾比特，用来结束纠错编码，并以填充比特使得符号块的长度值变为偶数。

上述字段中，Signal-N字段是比较重要的字段，下面重点说明。

Signal-N字段由以下6个字段组成。

a．Reserve（保留）

在Configuration字段前的保留字段由6个保留比特组成，设定为1；

在Configuration字段后的保留字段由8个保留比特组成，设定为0。

b．Configuration（配置）

Configuration字段由下面6个字段组成。

• N_SS（空间流数）

长度为3 bit，用来指示所使用的空间流数：

数值从0算起，取值范围为0～3；

• NTX（传输天线数）

长度为3 bit，用来指示使用多少天线来承载空间流：

数值从0算起，取值范围为0～3；

• BW（带宽）

长度为2 bit，用来指示所使用的带宽；

0表示20 MHz；

l表示40 MHz；

• CR（编码率）

长度为3 bit，用来指示所使用的编码率：

0表示1/2；

1表示2/3；

2表示3/4；

3表示5/6；

• CT (编码类型)

长度为2 bit，用来指示所使用的编码类型：

0表示卷积码；

1表示非必要的LDPC码。

• CON（调制类型）

长度为3 bit，用来指示所使用的调制类型：

0表示BPSK；

1表示QPSK；

2表示16QAM；

3表示64QAM。

c．Length

长度为13 bit，用来记录在物理层帧的有效载荷的数据比特数：

取值范围为0～8 191。

d．LPI（最终PSDU指示）

长度为1 bit，由最后一个帧设定：

当其为1，则告诉其他网络节点此次突发已经结束。

e．CRC

除了CRC与Tail比特，将根据其他所有字段计算出CRC值。

f．Tail

长度为6 bit的结尾比特，用来关闭卷积编码器。

B．其他类型的帧

PLCP的其他类型的帧，其前导码会被分割成好几个块，如图2-12所示，在这些块之间有可能包含Signal-N字段。

图2-12 不同模式下802.11n的PLCP 帧结构

这些 Signal-N 字段用于 802.11n 的高速数据传输，只有 802.11n 网络节点才会对其进行解码。另外， Signal-MM 字段用于混合模式，以便向下兼容于802.11a或802.11g的OFDM网络节点，它等同于802.11a的PLCP帧中使用的Signal字段。

3．MIMO相关的物理层特征参数

与MIMO相关的802.11n物理层的特征参数如表2-13、表2-14所示。

（1）物理层的一般特征参数

表2-13 802.11n物理层的特征参数

续表

（2）接收机灵敏度

表2-14 802.11n的最小接收灵敏度