802.11物理层测试标准解读

我们曾在一起来学802.11物理层测试标准（WiFi 0/1/2/3/4/5/6/7)中总结过，802.11n又可称为Wi-Fi 4 以及HT（High-throughput）。相比于之前的11b/a/g，11n最大的进步是有了更大的带宽40MHz，以及MIMO的使用，使得数据速率进一步提升。即使在十年前支持11ac（Wi-Fi 5）的设备开始普及，也没有影响11n的继续使用，因为它的速率足以满足少量用户存在下的同时传输。

对于Wi-Fi 联盟而言，为了促进早期设备之间的互操作性，在2007 年就发布了初步的 "Draft-2.0 "规范，也称为 "Draft-N"。正式的 "Wi-Fi CERTIFIED n "标准于 2009 年获得批准。

01—11n PHY概述

对于HT OFDM系统的物理层，是在802.11的第19章中规定的。正如我们之前曾在11g的学习中提到过的一起来学802.11物理层测试标准（11g ERP-1)，兼容是802.11系列物理层需要考虑的重要问题，在19章的最开始给出的便是11n如何与之前的11b/a/g兼容的要求：

除了19章的要求外，HT STA还应能发送和接收符合以下要求的11a及11b/g的帧：

在17章11a中，当HT STA在5GHz频段以20MHz信道宽度工作时；
在16章11b和18章11g中，当HT STA在2.4GHz频段以20MHz信道宽度工作时；

相应的，工作在5GHz 频段的HT STA应符合17章的所有规范要求；工作在2.4GHz频段的HT STA应符合18章的所有规范要求。

基于第17章11a定义的OFDM物理层基础上，802.11n 技术带来了多天线的使用，从而提高了距离、可靠性和速度。除了使用11a支持的20MHz带宽，还定义了在40MHz带宽下同时发送多达四个数据流的传输，理论最高数据传输速率可达 600 Mbps。

HT PHY 数据子载波采用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM 进行调制。使用前向纠错（FEC）编码（卷积编码），编码率为 1/2、2/3、3/4 或 5/6。LDPC 编码是可选的。

发送和接收端的其他可选功能包括400 ns（短）保护间隔（GI）、发送波束成形、HT-greenfield格式和 STBC。HT PSDU 的最大长度为 65535 个字节。

此外，19章还定义了基于HT PHY 的变异（variant）PHY（"2 类 HT PHY"）。规定很多，我们把它放在本篇的最后。

02—11n PPDU

11n HT 的PPDU有三种格式，通过这三种格式我们可以清楚地了解到11n是如何与之前的11b/a/g相兼容的：

NON_HT：这种格式的数据包是根据第17章OFDM或第18章ERP规范。支持NON_HT 格式是强制要求。

HT 混合格式（HT_MF）：这种格式的数据包包含与第17章11a和第18章11g接收机兼容的前导码。定义了非HT-STF (L-STF)、非HT-LTF (L-LTF) 和非HT 信号字段 (L-SIG)，以便它们能被17章和18章的非HT STA 解码。数据包的其余部分不能被11a或11g STA 解码。支持HT mixed 格式也是强制要求。

HT-greenfield 格式（HT_GF）：这种格式的 HT数据包不包含非 HT 兼容部分。对 HT-greenfield 格式的支持是可选的。不支持接收 HT greenfield格式数据包的 HT STA 应能检测到 HT greenfield格式数据包是 HT 传输（而非NON_HT 传输）。在这种情况下，接收机应解码 HT-SIG，并确定 HT-SIG 循环冗余校验（CRC）是否通过。

PPDU各组成部分的解释如下：

L-STF：Non-HT ShortTraining field；
L-LTF：Non-HT Long Training field；
L-SIG：Non-HT SIGNAL field；
HT-SIG：HT SIGNAL field；
HT-STF：HT ShortTraining field；
HT-GF-STF：HT-Greenfield ShortTraining field；
HT-LTF1：First HT LongTraining field (Data)；
HT-LTFs：Additional HT LongTraining fields (Data and Extension)；

用公式的形式写一下三种PPDU的帧格式组成如下：

NON_HT Frame= L-STF(2 sym) + L-LTF(2 sym) + L-SIG(1 sym, 4 us)+ Data symbols；
HT_MFFrame=L-STF(2sym)+L-LTF(2sym)+L-SIG(1sym,4us)+HT-SIG(2sym)+HT-STF(1sym)+HT-LTFs(4us per LTF)+ Data symbols；
HT-greenfield Frame= L-STF(2 sym) + HT-LTF1(2 sym)+HT-SIG(1 sym)+HT LTFs(4 us per LTF) + Data symbols；

再来看一下实际的信号波形：图a和图b的两种波形分别是40MHz带宽的HT混合格式，和HT greenfield格式，所谓的“greenfield”就是不带有以前版本的纯11n模式，频谱上看不出太大的区别，但时域上还是有所不同的：

(a)HT 混合格式（HT_MF）：时域图的从左到右以8us，8us，8us，4us。。。可以看到各对应域的频谱。

(b)HT-greenfield 格式（HT_GF）：时域图的从左到右以8us，8us，4us，8us，4us。。。可以看到各对应域的频谱。

03—2类HT PHY

非AP STA 如果满足以下所有要求，且不属于HT STA，则属于2 类HT STA：
1) STA 应在 2.4 GHz 频带内工作，信道带宽20 MHz。
2) STA 应支持 DSSS 1 Mb/s 和 2 Mb/s 的传输和接收。
3) STA 应支持传输和接收 ERP-OFDM 6 Mb/s。
4) 如果 STA 支持 HR/DSSS 11 Mb/s，则应支持 HR/DSSS 5.5 Mb/s。
5) 如果 STA 支持 ERP-OFDM 24 Mb/s，则应支持 ERP-OFDM 12 Mb/s。
6) 如果 STA 支持任何 NSS = 1 HT-MCS > 0，则应支持所有 NSS = 1 HT 较低 HTMCS 和所有较低 ERP 速率。
7) 除 4)、5)和 6) 所述外，每个（非 DSSS）HR/DSSS 和 ERP-OFDM 数据速率和每个 HT-MCS 都是可选的。
8) STA 应支持 DSSS 长前导和短前导。
9) STA 应支持短时隙时间。
10) 应支持 18.4.6 a) 和 b) 中 ERP-OFDM 的 CCA 功能和 19.3.19.5.4 中 HT 的 CCA 功能。
11) 第 15、16、18 和 19 章的最低接收灵敏度要求应适用于所有支持的模式。

12) 2 类 HT STA 应在关联和重新关联期间，以及在探测请求中，在支持速率和 BSS 成员选择器元素（如果适用）和扩展支持速率和 BSS 成员选择器元素（如果适用）中指出对以下速率的支持

1、2、5.5、11、6、12和24Mb/s（无论是否支持所有这些速率），以及
2类HT STA支持的9、18、36、48、54 Mb/s中的所有ERP速率，且不得表示支持其他 ERP 速率。

13) 2 类 HT STA 应在关联和重关联期间以及在探测请求中传输 HT Capabilities 元素，并应在 Supported MCS Set 字段中表示对 HT-MCS 0-7 的支持（无论是否支持所有 HT-MCS）。
14) 2 类 HT STA 应传输 "补充2类能力"（Supplemental Class 2 Capabilities）元素。
15) 在所有其他方面，STA 应遵循 ERP 和 HT PHY 的要求。
注：如果一个 BSS 的 AP 在基本速率/HT-MCS 集中只包含 STA 不支持的速率/HT-MCS，并将其用于传输分组寻址帧，则 2 类 HT STA 将无法在该 BSS 中运行。

审核编辑：汤梓红