802.11b之PLCP长短前导码和测试指标

目录

1. PLCP 是什么？

2. 802.11b 的 PLCP 前导码：长前导码 vs 短前导码

长前导码格式 (Long Preamble Format)

短前导码格式 (Short Preamble Format)

3. 实际影响

4.IEEE 802.11b测试指标

1. PLCP 是什么？

• 全称： Physical Layer Convergence Protocol (物理层汇聚协议)

• 作用： PLCP 是无线局域网 (WLAN) 标准（如 802.11）中物理层的一个关键子层。它位于MAC层和实际的物理介质依赖层之间。

• 核心功能：

  • 适配与封装： 将来自 MAC 层的数据帧（称为 MPDU - MAC Protocol Data Unit）封装成适合在特定物理介质（如空气、同轴电缆）上传输的格式。这个过程会添加必要的物理层头部和尾部信息，形成PPDU。

  • 解封装： 在接收端，从接收到的物理层信号（PPDU）中提取出 MAC 层数据帧（MPDU），并将其传递给 MAC 层处理。

  • 提供前导码和帧头： 生成并添加前导码和PLCP 头部。这是 PLCP 最可见的部分。

    • 前导码： 用于同步接收方的时钟、进行载波侦听（判断信道是否繁忙）、自动增益控制（AGC）以及帧起始定界。

    • PLCP 头部： 包含接收方正确解调和解码后续PSDU所需的关键信息，例如：

      • 数据速率（Rate）

      • 帧长度（Length）

      • 奇偶校验位（Parity）

      • 服务字段（Service - 包含一些特定信息，如是否使用扰码等）

      • 信号字段（Signal - 有时用于指示速率）

      • 保留位等。

  • 信道状态感知： 通过载波侦听机制（物理载波侦听）向 MAC 层报告信道的忙闲状态（CCA - Clear Channel Assessment）。

  • 速率适配： PLCP 头部本身通常以基本速率（较低、更稳健的速率）发送，以确保所有可能接收该帧的站点（即使它们协商的数据速率不同）都能正确接收和理解这个头部信息。头部中包含的“Rate”字段则指明了后续 PSDU 部分所使用的实际数据速率。接收方根据这个信息切换到正确的速率来解调数据部分。

• 总结： PLCP 是物理层的“翻译官”和“包装工”。它负责将 MAC 层的数据“打包”成物理信号能传输的格式（添加前导码和头部），并在接收端“拆包”还原出 MAC 数据。它确保不同设备之间能以协商好的速率进行通信，并感知信道状态。

2. 802.11b 的 PLCP 前导码：长前导码 vs 短前导码

802.11b 标准定义了两种不同的 PLCP 帧格式，它们的主要区别就在于前导码和PLCP 头部的结构和传输时间，这直接影响兼容性和效率。数据部分（PSDU）的传输方式（DSSS, CCK）由 PLCP 头部中的信息决定。

长前导码格式 (Long Preamble Format)

• 目的： 提供最大的兼容性。这是 802.11b 设备的默认格式，也是原始 802.11 DSSS 设备（1Mbps 和 2Mbps）所使用的格式。使用长前导码的 802.11b 帧可以被旧的 802.11 DSSS 设备识别（虽然它们无法理解 5.5Mbps 和 11Mbps 的 CCK 数据部分）。

• 组成：

  1. SYNC (同步) 字段：

     • 长度：128 位

     • 内容：一串交替的 0 和 1 组成的伪随机序列 (1 0 1 0 1 0 ...)。

     • 作用：让接收方能锁定发送方的频率和时序，进行自动增益控制（AGC）调整信号强度，并检测到信号的存在（载波侦听）。传输时间较长，提供更强的同步能力。

     • 传输速率：1 Mbps (使用 DBPSK 调制)。

     • 传输时间：128 bits / 1,000,000 bps = 128 µs。

  2. SFD (帧起始定界符) 字段：

     • 长度：16 位

     • 内容：一个特定的位模式：1111 0011 1010 0000 (十六进制 0xF3A0)。

     • 作用：明确标识同步字段的结束和 PLCP 头部的开始。接收方在同步后寻找这个特定的模式来确定帧的精确起始位置。

     • 传输速率：1 Mbps (DBPSK)。

     • 传输时间：16 bits / 1,000,000 bps = 16 µs。

• 长前导码总时间： SYNC (128 µs) + SFD (16 µs) = 144 µs。

• PLCP 头部：

  • 传输速率：1 Mbps (DBPSK)。

  • 包含 SIGNAL (指示头部后的数据速率，如 0x0A 表示 11Mbps CCK)， SERVICE， LENGTH， CRC 等字段。

  • 传输时间：PLCP 头部通常是 48 位（6 字节），所以传输时间 = 48 bits / 1,000,000 bps = 48 µs。

• 长前导码帧总开销时间 (前导码+头部)： 144 µs (前导) + 48 µs (头部) = 192 µs。

短前导码格式 (Short Preamble Format)

• 目的： 提高效率，减少帧传输的开销时间，从而在相同数据量下增加有效吞吐量。这是 802.11b 的可选格式。

• 限制：

  • 仅当网络中的所有设备（包括接入点和所有关联的客户端）都支持且配置为使用短前导码时才能使用。

  • 不兼容原始的 802.11 DSSS (1Mbps/2Mbps) 设备。如果网络中有不支持短前导码的旧设备存在，必须使用长前导码。

• 组成：

  1. SYNC (同步) 字段：

     • 长度：56 位

     • 内容：也是交替的 0 和 1 (1 0 1 0 1 0 ...) 组成的伪随机序列，但长度只有长前导码的一半。

     • 作用：与长 SYNC 相同（同步、AGC、载波侦听），但时间更短。

     • 传输速率：1 Mbps (DBPSK)。

     • 传输时间：56 bits / 1,000,000 bps = 56 µs。

  2. SFD (帧起始定界符) 字段：

     • 长度：16 位

     • 内容：一个不同的特定位模式：0000 0101 1100 1111 (十六进制 0x05CF)。

     • 作用：明确标识同步字段的结束和 PLCP 头部的开始。这个不同的模式是为了区分短前导码帧和长前导码帧。

     • 传输速率：1 Mbps (DBPSK)。

     • 传输时间：16 bits / 1,000,000 bps = 16 µs。

• 短前导码总时间： SYNC (56 µs) + SFD (16 µs) = 72 µs。

• PLCP 头部：

  • 传输速率：2 Mbps (DQPSK 调制)。

  • 包含 SIGNAL (指示头部后的数据速率，如 0x14 表示 11Mbps CCK)， SERVICE， LENGTH， CRC 等字段。注意： SIGNAL 字段的含义在短前导码格式中与长前导码不同。

  • 传输时间：PLCP 头部通常也是 48 位（6 字节），传输速率提升到 2Mbps，所以传输时间 = 48 bits / 2,000,000 bps = 24 µs。

• 短前导码帧总开销时间 (前导码+头部)： 72 µs (前导) + 24 µs (头部) = 96 µs。

3. 实际影响

• 吞吐量： 对于传输大量小数据包的应用（如 VoIP），短前导码带来的开销节省非常显著，能有效提升网络的实际吞吐量。例如，传输一个 1500 字节的数据包：

  • 长前导码：开销约 192 µs + 数据时间 (1500*8 bits / Rate)。

  • 短前导码：开销约 96 µs + 数据时间 (1500*8 bits / Rate)。节省了近 100 µs 的开销。

• 兼容性： 在混合环境（有旧 802.11 DSSS 设备）中，必须使用长前导码。纯 802.11b 网络可以配置为使用短前导码以获得性能优势。

• 现代 Wi-Fi： 后续的 Wi-Fi 标准（802.11a/g/n/ac/ax）使用了完全不同的物理层技术（OFDM, OFDMA, MIMO）和更高效的前导码结构（如 HT-Greenfield, VHT, HE），其开销机制与 802.11b 的长短前导码不同。长短前导码的概念主要局限于 802.11b 和兼容性场景。

       PLCP 是 Wi-Fi 物理层的关键协议，负责帧的封装/解封装和提供同步信息。802.11b 的长短前导码是 PLCP 层提供的两种不同帧格式选项，在兼容性（长）和效率（短）之间进行权衡。理解它们的结构和区别对于分析早期 Wi-Fi 网络的性能和兼容性配置非常重要。

4.IEEE 802.11b测试指标