WIFI基本概念解读：OFDM PHY 802.11无线帧的物理层包结构 OFDM symbol生成过程

概述

下图显示了 PPDU 的格式，包括 OFDM PHY 前导码、OFDM PHY Header、PSDU、尾位和填充位。 PHY Header包含以下字段：长度、速率、保留位、偶校验位和服务字段。在调制方面，长度、速率、保留位和奇偶校验位（附加 6 个零尾位）构成单独的单个 OFDM 符号，表示为 SIGNAL，它采用 BPSK 调制和编码率为R = 1/2的最鲁棒组合进行传输。 PHY头的SERVICE字段和PSDU（附加6个零尾比特和填充比特）表示为DATA，以RATE字段中描述的数据速率传输，并且可以构成多个OFDM符号。信号符号中的尾部比特使得能够在接收到尾部比特之后立即对速率和长度字段进行解码。解码 PPDU 的 DATA 字段需要 RATE 和 LENGTH 字段。此外，即使 STA 不支持数据速率，也可以通过根据 RATE 和 LENGTH 字段的内容预测 PPDU 的持续时间来增强 CCA 机制。

PHY 前导码字段，由 10 次重复的“短训练序列”（用于 AGC 收敛、分集选择、定时获取和接收器中的粗略频率获取）和两次重复的“长训练序列”（用于接收器中的信道估计和精细频率采集），前面有一个保护间隔（GI）

体现在下图：

 参考：802.11之L-STF和L-LTF以及Pilot 子载波 - 代码天地 (codetd.com)

关于PLCP

WLAN 802.11 Frame Structure

WLAN frame structure consists mainly PLCP Preamble, Signal (Header) part and Data Part. PLCP preamble field, composed of 10 repetitions of a "short training sequence " and two repetitions of a "long training sequence" preceded by a guard interval (GI). Header part consists of 24 bits which is always BPSK modulated. Header part contains Rate (modulation-code rate) and length (Unit of OFDM symbols) of the Data part. 

例如论文“Spatial Stream Backscatter Using Commodity WiFi”，下图为上述PPDU的另一种表示

PHY Header的 RATE 和 LENGTH 字段由卷积码以 R = 1/2 的速率进行编码，并随后映射到单个 BPSK 编码的 OFDM 符号上，表示为 SIGNAL 符号。为了便于可靠且及时地检测 RATE 和 LENGTH 字段，将 6 个零尾比特插入到 PHY Header中。将信号字段编码为 OFDM 符号遵循与卷积编码、交织、BPSK 调制、导频插入、傅立叶变换和预置 GI 的步骤。 SIGNAL 字段的内容未加扰。

此处插入MIMO-OFDM 符号生成流程图：

 从 TXVECTOR 的 RATE 字段计算每个 OFDM 符号的数据位数 (NDBPS)、编码率 (R)、每个 OFDM 子载波中的位数 (NBPSC) 以及每个 OFDM 符号的编码位数 (NCBPS) 

Scramble & Descramble

The DATA field, composed of SERVICE, PSDU, tail, and pad parts, shall be scrambled with a length-127 PPDU-synchronous scrambler.

注：replace the six scrambled zero bits following the data with six nonscrambled zero bits

PPDU TAIL 字段应为 6 位 0，这是将卷积编码器返回到零状态所必需的。此过程提高了卷积解码器的错误概率，该解码器在解码时依赖于未来的比特并且在消息结束之后可能不可用。 PPDU TAIL 字段应通过用六个非加扰零位替换消息末尾后面的六个加扰零位来生成。 

 Convolutional encoder 

关于论文“Inter-Technology Backscatter: Towards Internet Connectivity for Implanted Devices”当中的一些类似操作，作者想要创建一个constant OFDM symbol，要求the same constellation point across all the OFDM bins

Also, 802.11g convolutional encoders have a delay length of 7, i.e., the last six data bits from the previous OFDM symbol impact the first few encoded bits in the current OFDM symbol. This could be a problem when the constant OFDM symbol follows a random OFDM symbol. We address this by setting the last six data bits in the random OFDM symbol to ones and use 16/64 QAM to ensure that the random OFDM symbol will still result in a high amplitude signal.

 注：Descramble 步骤 SERVICE 字段的意义

通过将LFSR的初始状态设置为由SERVICE字段的Scrambler Initialization Bits指定的状态（这里是“0000000”），发送端和接收端的LFSR都将从相同的状态开始生成和解扰数据

  

interleaving

将编码位串分成 NCBPS 位组。在每个组内，根据与 TXVECTOR 参数 RATE 对应的规则执行比特的“交织”（重新排序）。

星座映射

将生成的编码和交织数据串分成 NBPSC 位组。对于每个比特组，根据调制编码表将比特组转换为复数。

将复数字符串分成 48 个复数组。每个这样的组都与一个 OFDM 符号相关联。在每组中，复数编号为 0 至 47，并随后映射到编号为 –26 至 –22、–20 至 –8、–6 至 –1、1 至 6、8 至 20 和 22 至 26 的 OFDM 子载波。子载波 –21、–7、7 和 21 被跳过，随后用于插入导频子载波。与中心频率相关的 0 子载波被省略并用值 0 填充。

四个子载波作为导频插入位置 –21、–7、7 和 21。子载波总数为 52 (48 + 4)。

每组子载波 –26 到 26，使用傅里叶逆变换将子载波转换到时域。在傅立叶变换波形之前添加其自身的循环扩展，从而形成 GI，并通过应用时域加窗将所得周期波形截断为单个 OFDM 符号长度。

从描述 RATE 和 LENGTH 字段的 SIGNAL 符号之后开始，一个接一个地拼接 OFDM 符号。