802.11协议精读31：IEEE 802.11a/b

802.11a/b是802.11协议的第二个阶段的版本，都是在1999年发布的，用现在Wi-Fi的新的命名方式来说的话，802.11b对应的是Wi-Fi 1，802.11a对应的是Wi-Fi 2。本文还是偏向于个人的技术笔记，主要是记录关于802.11a/b两个协议的内容。

Ref：Intelligent Transportation Systems

802.11b（HR，High Rate）

首先我们谈一谈802.11b。802.11的命名法一直是有些无章法的，比如说802.11b就是802.11-1997的正统后续版本，所以在后来定义的时候也被称为Wi-Fi 1。另外802.11b是有代号的，High Rate DSSS，用以和802.11-1997的DSSS模式做一个区分。

802.11-1997定义了三种不同的工作模式，即FHSS，DSSS，IR，其实802.11在1990年就起草了，在其发展过程中，实际上在95年左右开始，就有很多Wi-Fi产品了，不过当时不叫Wi-Fi，而是叫做WaveLAN。所以在经过了5年左右的市场选择后，802.11b最终选择是扩展了DSSS的模式，DSSS模式最后取得成功主要是因为其稳定性最好。

在前面一篇已经描述了802.11-1997的DSSS模式了，802.11b是这个模式的一个扩展，主要引入了CCK这种编码方式，chip rate还是11M，但是经过了CCK调制后其数据速率可以提升到5.5Mbps和11Mbps。

同时这里我们还需要知道一点，就是5.5Mbps和11Mbps并不是单纯只有CCK调制模式，我们通常说802.11b支持DSSS/CCK因为这是协议中固有的机制，协议中还定义了一种可选的调制模式，PBCC（Packet Binary Convolutional Code），不过PBCC最后没有商用化就是了。

另外在PLCP帧体的部分，我们可以关注下，802.11b和802.11-1997有两个地方的区别，1）802.11b引入了Short Preamble的结构，传统的802.11-1997只有Long Preamble（128bits的Sync），而802.11b除了Long Preamble以外还有Short Preamble。

还有一个是802.11b的PLCP Header的Service字段，在802.11-1997中，service字段全部是保留字段。

在802.11b中，service字段已经被使用了三个位，这里Locked Clock bit翻译过来是锁定时钟，实际上表示的意思是frequency和symbol是不是来自于同一个振荡器的，Mod selection bit就是指示调制的时候是用CCK还是PBCC的，还有一个Length extension bit我们需要注意下。在DSSS/CCK模式的帧结构中，PLCP Header中的length字段标识的是数据包的时间（单位us），而不是bits，这个很特殊，而且时间敏感。在802.11b支持了11Mbps以后，由于大于了8Mbps的速率，所以原有的length字段表达的时间精度就不够了，所以要进行补位提升精度，这个length extension bit实际上就是这个功能。

802.11b世代中，由于没有采用Beamforming的定向技术，其都是全向覆盖的，所以我们能够给出的一般的覆盖范围示意。

802.11a和HyperLAN

802.11a的协议版本也是1999年出的，现在大家基本都是把802.11a采用OFDM，802.11b采用的DSSS/CCK作为一个基础知识记忆。但是如果详细考虑的话，可以发现802.11a并不是802.11-1997的一个正统的后续版本。感觉就是凭空冒出来的，无论是OFDM的调制方式，以及其帧结构，进而到同步方式等等，其实都没有太多802的影子。

在我的目前读协议的理解中，802.11-1997实际上是结合了802.3的技术框架和IS-95中采用的CDMA技术的结合，不过实际上802.11-1997参考CDMA的部分不多，主要是扩频的模式，参考最多是802.3，一个很典型的例子就是PLCP Preamble的SFD字段，很直观的感觉就是在802.3的帧结构扩展一下，在PLCP Preamble的部分增加了同步用的SYNC字段，然后为了变速率引入了PLCP Header，剩余字段的构架实际上和802.3是一样的。

所以802.11-1997的溯源应该是802.3框架，但是802.11a就是另起一路了。这个问题实际上我考虑了很久，目前觉得802.11a的溯源应该就是HyperLAN。HyperLAN是早于802.11协议的，而且也是同时期802.11的最主要竞争对手，其是比较早采用OFDM传输技术的商业协议了。不过该协议最后没有成功，主要其是参考移动通信框架构架的。

移动通信框架有两个主要特点，1）有明显的AP和节点的区分，也就是协议构造的时候，AP的角色是抽离出来的，从协议层面，AP就具有更强的控制平面，而节点脱离了AP就不好工作，需要听从AP的指挥，2）面向连接的网络，移动通信协议基本上都是面向连接的，需要完成一个rach过程和AP连接上，然后在根据这个连接状态分配资源。

而802.11a实际上就是基于802.11的特点，改变了一下HyperLAN。首先从物理层的发送机而言，或者用802.11的概念，其PMD子层实际上和HyperLAN是非常一样的，除了一些编码速率上有差异，其他结构基本差不多。但是PLCP子层变化就比较多了。我们先对应上面两个特点对比下：1）802.11没有AP和节点的区分，在802.11的概念里面大家都是节点。竞争信道是公平的，采用同一种机制来竞争。这也是因为802.11的前身WaveLAN一开始设计目标就是Ad-hoc的一类场景，在Ad-hoc场景下面就是没有AP这样的角色的。没有角色划分实际上意味着简单，简单就意味着802.11是一种best-effort的协议，AP和STA可以采用同一个芯片去构架，只不过后期管理层面加点程序就行了。同时这样做还有一点就是轻量，其实单纯的按照802.11的DCF接入模式而言，整个协议还是挺轻量的，不需要跑太复杂的控制层面，所以对于配套的MCU要求很低，应用面广，从这个层面而言，也可以说是DCF最后成功，PCF失败的一个原因。2）802.11的接入流程不是面向连接的，是best-effort的，也就是每一个数据包尽量发，而且大家采用同一种机制来竞争，不搞太复杂的调度。虽然802.11中有关联过程，但是这种关联仅仅是分配AID，然后认证的时候分配下秘钥，其他关于无线接入的过程，不会进行控制。

所以802.11a实际上的来源是HyperLAN，而且是一种符合802.11精神的hyperLAN设计，不过802.11a也是没有成功，一方面是5GHz的信道原因，另外一方面是还是协议比802.11b要复杂，所以市场一开始没有接受。这种机制直到802.11g世代以后，才重新变为了主流。

另外为什么不一开始就把802.11a定义到2.4GHz上呢？这里可能协议组本身是想的，不过法规没有过，而且也是前面说的，802.11a的对比对象就是HyperLAN，而HyperLAN就是工作在5GHz频段上的。

802.11a

我们下面记录一下802.11a的协议特点：

802.11a是采用OFDM模式来进行调制的，在OFDM中，每一个信道包含很多个子载波，每一个子载波上可以进行调制，比如QPSK，QAM。在时域上，OFDM的传输是由OFDM Symbol构成的，为了避免Symbol与Symbol间的码间串扰（ISI），通常需要加入保护间隔。在802.11a中，保护间隔是填充了CP循环前缀，这是因为如果留空会导致ICI。另外在子载波中，还有部分子载波被用作了Pilot，这里是导频子载波的意思。OFDM具有高的频谱效率，而且可以很好的抵抗窄带干扰以及减少多径效应的影响（因为码率低）。

在802.11a中，每一个子载波带宽为312.5KHz，symbol时间是4us，所以symbol rate是250ksps，其最大的传输速率为54Mbps。这里有很多内容在《802.11协议精读7：802.11a/g的发送过程与接收过程》，《802.11协议精读8：再论802.11a/g的发送过程与接收过程》里面提到过了，就不展开了。

然后上图是802.11a的一个帧结构，其PLCP部分只有一个PLCP Preamble，里面包含了STF，LTF，SIG字段，上图中由于是比较早期的描述方式，所以Preamble里面只包含了STF和LTF，然后SIGNAL是分开的，不过目前的802.11a是把SIGNAL也放在Preamble里面。

我们可以定量观察下802.11a的覆盖范围，上图中是802.11b和802.11a覆盖范围和传输速率的对比，图中802.11a的传输范围尽量取小，图上最大的范围可能有点大了。

802.11a/b的产品

在802.11a/b世代已经有不少产品了，产品也逐渐迈入民用场景了，这里我们列举一些当时世代的产品。

Aironet PCI352, CB20A, or PCM 352 Client Adapter Network Interface CardCisco Aironet 1100/1200，WRT11WGB350/1400 Series Bridge

综上，我们整理了802.11a/b内容，以上还是作为个人笔记多一些。

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