下一代无线局域网(802.11n) 第4章 互操作性

4.1 802.11a分组结构

短训练字段（STF）
短训练字段（STF）用于分组开始的检测，自动增益控制（AGC）设置，初始频率偏移估计和初始时间同步。

短训练字段（STF）长度8us。在时域中，STF包含10个重复的0.8us码元。STF是基于式4.1给出的频域序列定义的。

该序列使用52个子载波中的12个。一个64位IFFT生成一个3.2us的时域叙序列，其中包含同一个模式的4次重复，可以通过重复两次半来产生10个短码元。

所选序列要具有好的相关特性和低峰均比功率。

长训练字段（LTF）
长训练字段（LTF）用于信道估计和更精确的频率偏移及时间同步。
长训练字段（LTF）长度也是8us，由两个3.2us的长训练码元及其前面的1.6us的循环前缀组成。长训练码元由式4.2所给的频域序列的一个64点IFFT。

信令字段（SIG）
信令字段（SIG）包含分组的速率（调制和编码）和长度（八进制的被传输数据量）信息。
信令字段（SIG）由24个bit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，因使接收概率最大。

SIG由4us的码元（其中3.2us的OFDM码元和0.8us的循环前缀）组成。波形使用LTF一样的52个子载波。48个编码比特在48个子载波上BPSK调制，另外4个子载波用作相位/频率跟踪和训练的导频。

数据字段
数据字段由服务字段（16bit），数据比特，尾部比特（6bit）以及需要时才有的填充比特组成。服务字段的前7bit为扰码器初始化比特，用来与解码器进行同步，这些比特设为0，以便估计接收机中扰码器的初始状态。其余9bit为保留位，也设为0。

802.11n使用一个生成多项式为$G(D)=D^7+D^4+1$的127位帧同步扰码器。
数据字段由一组码元流组成，每个数据码元长4us（3.2us的OFDM码元和0.8us的循环前缀）组成。同LTF一样，使用52个子载波。根据SIG中的速率信息，数据比特编码和调制到48个子载波上。另外4个子载波用作相位/频率跟踪和训练的导频。

发射过程

过程如下：
数据比特流添加服务字段/尾部比特/填充比特->扰码器->卷积编码器->将比特组成码元->交织器->调制器/映射器->插入4个导频码->IFFT->添加循环前缀->脉冲成型滤波器->DAC->上变频->PA->天线

接收过程

天线->LNA->下变频->AGC->ADC->频率校正->码元定时调整->串行变并行->去除保护间隔->FFT->信道均衡器/导频跟踪和相位校正/解码器的可靠性信息->解映射器->解交织器->并行转串行->解码器->解扰器->数据比特流

4.2 混合格式高吞吐率分组结构(MF HT)

混合格式HT前导码由传统的802.11a域开始，以便传统的设备可以检测到前导码，以保证802.11a和802.11g的后向兼容，一个802.11n设备也需要这些字段来对L-SIG进行训练和必要的解调。

4.2.1 混合格式MF的传统部分

混合格式MF的传统部分包含一个传统短训练字段（L-STF）、传统长训练字段（L-LTF）、传统信令字段（L-SIG）。

混合格式HT前导码由传统的802.11a域开始，以保证802.11a和802.11g的后向兼容，这种兼容性是指收到该帧的传统站点会根据前导码中的L-SIG中指定的长度（L_LENGTH）与速率（L-DATARATE）进行后延。传统的802.11a/g设备获取了速率和长度信息，并能够决定保持非占空（off air）的适当时间。如图10.10所示。

但是由于HT设备与使用传统设备执行相似的获取过程，这引起了一个问题：如何发送MF前导码中的传统部分。该部分在大多数情况下是具有多个发送天线的802.11n设备的单个空间流，当前导码的传统部分从具有2个天线的HT设备的单个天线发送出去，最大功率就会减少3dB。为了避免发送功率的不一致，有必要从HT设备的所有天线向外发送传统训练序列。但是由于传统前导码是单个流，从每个天线往外发送同样的信号可能会导致无意和不希望的波束成型效应。由于L-STF用于AGC设置，L-STF功率的大的变化也会导致饱和或量化误差。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，不同天线上的每个信号都使用了不同的循环移位。仿真表明当有两个天线时，L-STF和数据字段间的功率变化在循环移位超过-200ns时候消失，在有四个天线时，要使变化消失最小需要循环移位-600ns。但是循环移位越大，延迟扩展就越大，传统接收机的性能就越差。因此达成折中的方案为，在MF前导码的传统部分定义一个最大幅度为200ns的循环移位。

对于每个发送链$i_{Tx}$，对应20MHz信道宽度的时域L-STF波形被定义为式4.13。

对于每个发送链$i_{Tx}$，对应20MHz信道宽度的时域L-LTF波形被定义为式4.14。

对于每个发送链$i_{Tx}$，对应20MHz信道宽度的时域L-SIG波形被定义为式4.15。

HT混合格式分组的L-SIG与HT-SIG的发射机框图：

4.2.2 混合格式MF的HT部分

混合格式MF的HT部分包含一个高吞吐率信令字段（HT-SIG）、高吞吐率短训练字段（HT-STF）、高吞吐率长训练字段（HT-LTF）。HT-SIG1和HT-SIG2是HT-SIG的两个OFDM码元。它们包含新的信令信息，而且可以用于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数据字段位于HT-LTF之后。

高吞吐率信令字段 （HT SIG）

HT-SIG包含48bit，分为HT-SIG1和HT-SIG2，各自包含24bit。HT-SIG和L-SIG一样通过1/2速率的BCC编码。

其中

• MCS（7bit）：0-76中的某一种来表示发送数据字段的调制编码方案
• 20/40MHz（1bit）：用来指示发送的是20MHz还是40MHz带宽。
• 长度（16bit）：指示数据的长度
• 平滑（1bit）：在进行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。高延迟传输可解除相邻子载波的相关性。某些Tx波束成型也会导致相邻子载波间相位的不连续。在使用子载波平滑技术时，这两种情况会削弱信道估计。在这两种情况下，发射机应该将平滑比特设置为0，以通知接收机只是用每载波信道估计。
• 非探测（1bit）：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上，扩展空间流数字段所设的值大于0。
• 保留位（1bit）
• 聚合（1bit）：表示有效载荷包含单个MPDU（为0）或一个MPDU聚合（为1）。
• STBC（2bit）：表示STBC操作的维度
• FEC编码（1bit）：为0时表示数据为BCC编码，为1时表示数据为LDPC编码。
• 短GI（1bit）：为1时表示使用400ns短保护间隔，为0时表示使用800ns标准长保护间隔。
• 扩展空间流数（1bit）：见非探测描述。
• CRC（8bit）：生成多项式为$G(D)=D^8+D^2+D^1+1$
• 信号尾部（6bit）：

在HT-SIG2中，平滑比特、非探测比特、扩展空间流数比特 均和Tx波束成型有关。

48bit HT-SIG经过1/2码率的BCC编码得到96bit。分成两个码元。所得到的两个OFDM码元时域波形如式4.16所示。

自动检测示例：

将对应16-20us和20-24us的测量标准进行比较，通过一个适当的阈值，就可以区分出来传统OFDM分组和HT MF分组。

高吞吐率短训练字段 HT-STF：

高吞吐率长训练字段 HT-LTF：

4.2.3 高吞吐率数据字段

比特串->扰码和编码->流解析->交织->调制映射->导频子载波->20MHz HT格式发送->空间扩展

HT MF接收过程

RF前端->前导码的传统部分->高吞吐率信令字段->高吞吐率训练字段和MIMO信道估计->数据字段->解映射、解交织、解码和解扰

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