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802.11协议精读6:802.11b的发送过程与接收过程

序言

802.11目前都还是属于一个半双工的协议版本,所以在其设计接入过程时,不仅仅要考虑避免由于共享信道造成的冲突问题,同时也要考虑发送和接收的切换问题。在基本的两种工作模式:DCF与PCF中,PCF是采用AP中心控制的方法,只有当AP去polling节点的时候,节点才会变成发送状态,否则节点都是出于接收状态,而DCF模式中,由于节点能够主动竞争信道,那么发送和接收的切换则变得较为复杂。参考IEEE 802.11 Tutorial(Mustafa Ergen),我们对这一块进行整理。在该资料中,整理了802.11b和802.11a两种工作模式,前者是基于DSSS的,后者是基于OFDM的,对于802.11n/ac以及其他的新协议,这一块过程上应该是更复杂一些,但是这份整理中还未涉及。我们这里首先整理802.11b工作模式下的相关内容。

802.11b:物理层头部

为了理解802.11b中的发送和接收过程,我们首先需要对其物理层的头部进行一定的理解。在802.11b的物理层头部前面有两个部分,一个PLCP preamble,一个PLCP header。如下图(图参考自泰克的文档)

相应的功能如下:

前置码(preamble)是采用最低速率进行发送的,也就是DSSS 1M,对应barker码的最低速率。Header部分也是用最低速率,或者次低速率进行发送的。sync是用来做帧同步的,SFD是用来找数据帧起始的。然后header里面是具体的一些设置。其具体的结构可以进一步展开:

在802.11b的物理层头部最先是preamble部分,在preamble部分包含两个部分,sync和SFD,其中sync是用来做帧同步的,也就是发现信道中有没有数据帧,SFD是作为帧起始标识的。

在sync中有分为长和短两个部分,一般也直接成为长preamble和短preamble。其中长preamble是用作在覆盖范围较大(速率较低)的模式下,短preamble是用来覆盖范围较小(速率较高)的模式下。sync如果是长训练序列全部填充为逻辑1,并且由于底层是DSSS 1M的,换言之这些逻辑1都需要经过11位barker码的扰码的。如果sync是短训练字段的话,那么填充为逻辑0,也经过相同的扰码处理,这里一个采用逻辑1和逻辑0也是为了避免冲突。SFD部分是0000 0101 1100 1111,一旦识别到这个序列,就代表发现了一个数据帧。

在802.11b的PLCP header部分,主要是做一些传输参数设置的。第一位是signal位,该位主要是告知payload的传输速率的,其中在802.11b一共只有4个速率,而且我们关注到,这里一共有8位,也就一共可以表明2^8个速率,但是实际中很多位是没有使用的。第二个专注长度位,即length,这里的单位是us,是payload传输的时间,这里的长度是采用16位的无符号整形。后面那个CRC位是用作校验位的,用来判断物理头部有没有错误。最后剩下来的就是Service位,其全称是HR配置位。这里的HR指的是High
Rate,原因是由于最开始的802.11协议即是基于DSSS/FHSS技术的,而802.11b实际上也是基于同样的技术,但是由于其扩频码以及调制技术之类得到的升级,同时为了与传统的802.11协议做区别,所以命名即为802.11b HR/DSSS模式。其余还有一些内容可以参考(有关802.11b物理头:整体结构有关802.11b物理头:preamble部分有关802.11b物理头:Header部分)。接下来我们描述具体的802.11b中的发送和接收过程。

802.11b:发送过程

上图描述了802.11b的发送过程,左边一部分是描述帧的各个部分与状态机的对应关系,中间主要是发送模式下,各个状态的转移过程,右边描述是PHY与MAC层的交互过程。接下来,我们按序描述一次发送过程:

  1. 初始状态是Rx(接收状态)。若MAC通过PHY_TXSTART.req方法对PHY进行通知,则STA从RX状态转移至Tx Init状态,代表有数据需要被发送。在DSSS模式下,参数TXVECTOR,一般包含了(LENGTH,DATATRATE,SERVICE,TXPWR_LEVEL)这4个具体的变量值,主要是设定数据的长度,速率,扰码的初始化序列,以及发送功率这些,这里先不展开了。若没有MAC层下发的通知,则节点还保持在Rx状态,代表没有上层数据的情况下,节点进行数据的发送。同时这里需要注意的是,我们在DCF竞争过程中,提到节点在不停的监听信道,只有信道空闲的时候,才会进行发送数据,所以Rx模式的状态转移到自己,也存在这样的一种情况,即不停的尝试接收。
  2. 当状态切换为了Tx Init状态后,PHY层会向MAC层反馈PHY_TXSTART.conf(这个conf指的不是配置,而是确认,所以在协议中目前是采用PHY_TXSTART.confirm这种表述,避免歧义)。这里可以注意到,Tx Init状态下面可以转移到两个状态,一个是Encode Pream.状态,一个是TxRx Switch状态。我们关注后者,即在该图表述中,在发送过程中任何一个状态都有可能因为接受到MAC层发送过来的PHY_TXEND.req信息,直接转换到TxRx Switch状态,无论发送过程是否完全结束,所以在后续的几个状态下,都可以直接切换到TxRx
    Switch状态,该TxRx Switch可能是一个逻辑开关,也可能是一个物理的射频天线开关,这里节点目前是发送状态,即天线是可以发送的,一旦进行天线切换,那么就转换为接收状态了。
  3. 接下来,STA会转换到Encode Pream.(对应左图红色SYNC和绿色SFD这两个部分)以及Encode PLCP Hdr.(对应左图紫色PLCP Hdr.这个部分)。这两个步骤实际上都是在封装PHY层的头部,即PLCP Preamble以及PLCP Header。这一块内容在一开始的802.11b物理层头部部分,我们已经加以了叙述。
  4. 当PHY层的header部分封装好了之后,MAC层会向PHY层发送PHY_DATA.req,用来向PHY层传递数据,并通过物理层进行发送(在上图中,这一块是画在Encode Pream.的后面,但是根据笔者理解协议中的顺序,感觉是在数据包开始的部分才是)。最后上层通过PHY_TXEND告知PHY层数据结束,从而正确转移至TxRx Switch状态,最终完成传输后,转换为Rx接收状态。


PS:这里我们基本就按照IEEE 802.11 Tutorial(Mustafa Ergen)这一份材料进行描述,在原协议中,一般是采用上图这种上下层交互的模式(上图在07版协议542页),以及流程图来描述一些具体的过程,虽然较为严谨,但是不是很直观,所以还是这一份材料直观一些。所以需要对细节还需要更深入研究的话,那么还是读原协议好一些,这里很多内容都进行了简化和省略了。

802.11b接收过程

上图描述了802.11b的接收过程,图中三部分的含义和之前一样。接收状态较为复杂,需要综合我们在DCF那一块描述的载波监听的环节进行综合理解。以下我们按序进行叙述:

  1. 初始状态是Rx(接收状态),这里并没有直接画出来,是由于节点如果不是在Tx状态时,默认就是保持在Rx状态。在Rx状态里面,节点所做的第一个动作主要是为了载波监听CCA,上图中,为了简化并没有包含虚拟载波监听的部分,这里我们也不进行扩展。在DCF那一块描述中,我们所述CCA包含了两个部分,ED(能量检测)和CS(载波侦听),在上图中,节点首先进行能量检测,判断能量是否大于一个预设的PMD_ED.indicate(即图中的PMD_ED.ind),初始的信道状态是通过右边的PHY_CCA.ind预设为idle,即空闲的。
  2. 在通过能量检测判断信道是否空闲后,即ED转移到CS的状态后,PHY层需要采用载波侦听CS的方式,检测是否是一个802.11帧,因为如果外界干扰较大,那么能量检测也会发现信道是忙的。载波侦听在802.11b中主要是通过互相关的方式,判断对preamble相关的结果是不是大于一个给定的阈值,如果相关找到一个峰值的话(即图上的peak(s) found),那么通过PMD_CS.ind这个参数触发寻找SFD的状态,在802.11b中,SFD的意思和有线网络中SFD的意思基本一致,都是一个特定序列用以标识数据包的起始部分。如果检测不到SFD的话,PHY会转移到RSSI
    Monitor状态,直到其检测的RSSI小于给定阈值的时候才会回到初始的ED状态(该RSSI是通过ED获取的,即这里就是检测不到帧,但是信道上有能量),在这一个过程中,PHY层向MAC层传输的PHY_CCA.ind都是出于busy状态,只有既没有检测的CS的peak,也没有存在RSSI大于阈值的情况下,PHY才会转移为ED状态,并反馈上层信道是idle状态,只有在idle状态下,STA才可以进行发送。上述的两个部分对应左图的红色和绿色,SYNC和SFD的部分。
  3. 当SFD状态完成之后,即STA已经识别到有一个数据帧正在发送了。这时候,节点首先接收数据帧的PLCP Header部分,并且首先对其进行CRC校验。在PLCP Header部分包含了后续接收数据所需要的一些信息,比如包长度以及传输速率这些参数,所以如果header部分接收错误的话,那么后续进行是没有必要进行接收的(换言之是不知道怎么解析),所以首先要对PLCP Header部分进行CRC确认,如果失败的话,则判断信道是否空闲回归之前的步骤。如果成功的话,那么就对这些参数进行匹配,并通过PHY_RXSTART.ind对上层进行反馈,告知MAC层有一个数据包正在接收中。这里还存在一个问题是,PHY层需要判断发送过来数据包的速率是否是本地可以支持的,因为速率如果太高可能无法解调(这里目前的协议中这个问题基本不存在,STA都是全速率支持的,早期版本可能会存在这个问题),如果无法达到所需求的速率,节点也是不进行接收的。这一部分对应左图中,紫色,PLCP
    Header的部分。
  4. 当上述都满足条件后,最终节点对数据进行接收,即状态Data Decode,当接收完数据之后,向上层反馈PHY_RXEND.ind,这一部分对应左图中蓝色Data部分。

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