802.11协议精读32：IEEE 802.11g

序言

802.11g是一个非常经典的802.11版本了，我们大部分人接触Wi-Fi网络其实都是从802.11g的世代开始的。不过802.11g的世代其实协议还是挺繁杂的，本文笔者就是做一个个人笔记。记录经典的Wi-Fi协议版本实际上就是为了更好的读懂协议，毕竟现在802.11协议的内容量确实很大，而且很多都是历史问题了。

另外值得一提的是，802.11g有时候我也喜欢称之为802.11-2003版本。在802.11的发展历史中，初代是802.11-1997，然后后来有其了一个任务组TGm，TGm是用来整理协议总章的，每一个协议制定完后，隔一段时间会被并入总章，之后协议的单行本就失效了。第一个总章实际上是TGma，a代表第一个，对应的是802.11-2007版本，然后是TGmb，对应的是802.11-2012版本，然后最新的是TGmc，对应的是802.11-2016版本。802.11g的协议实际上是单行版，但是其却是有总章的体量和框架，导致802.11g的制式是整个802.11协议里面最多的一个了。

802.11g的发展历程

这个部分参考TI的一份早期文档《IEEE 802.11g - New Draft Standard Clarifies Future of Wireless LAN》。802.11g是802.11a/b的一个正统续作。

在802.11g的设计中，不是一开始就往着OFDM方向发展的，当时一共有两份提案，一份是TI的PBCC-22，含义就是基于PBCC的22Mbps速率，还有一份是Intersil公司（这个公司实际上是当时并购了Harris的半导体部门，前面说过Harris在早期无线网络发展的时候，非常壮大的公司）提出的CCK-OFDM技术，其实802.11b中的CCK就是Harris和朗讯搞的，而PBCC是TI那个阵营的。然后在投票缓解中，虽然有过半数的公司认同CCK-OFDM的方案，但是协议通过是需要75%的赞成比例，几经商榷之后，最后采取的是一个折中的方案，就是PBCC和CCK-OFDM都会被纳入到802.11g的协议版本中，最后才以76.3的比例通过协议。

其实这个故事到802.11n的世代里面继续上演，还是会分阵营的。等什么时候整理802.11n的时候再整理。

802.11g的协议框架

其实802.11g世代中，MAC层部分其实没有什么改进，主要都是物理层技术的发展。而且参与协议指定的公司都可以发现是一些半导体IC公司，网络设备公司其实参与度倒还没有那么高。所以MAC和更上层的业务部分并没有太多的变化。

802.11g在协议里面的代号为ERP（Extended Rate PHY），扩展物理层速率。

802.11g支持4种物理层制式，分别是ERP-DSSS/CCK，ERP-OFDM，ERP-DSSS-OFDM（图上为CCK-OFDM），ERP-PBCC。如下图所示

这里协议默认的是CCK和OFDM两种制式，还有两个扩展的CCK/OFDM和PBCC调制版本。

我们可以先直观的看一下不同协议版本间的速率差异：

上图中，我们可以看到802.11g的兼容范围确实很大，其即包含了802.11b的支持速率，也支持了802.11a的支持速率，在此基础上，还增加了PBCC的22Mbps速率和PBCC的33Mbps速率。

我们之前在协议起源中提到过，802.11g相比于802.11a大部分内容是照搬的，这个是从最后商业市场的应用而言的，从协议的角度而言，802.11g还是有不少内容增加的。

802.11g-Beacon中的ERP元素

从802.11g开始，由于是一种新的物理层协议，所以需要在Beacon中添加ERP元素。

其中主要是三个Bits，Non-ERP Present，Use Protection，Barker Preamble。前面两个是与保护模式有关的，我们谈兼容的时候再说。还有一个Barker Preamble，这个命名虽然是Barker Preamble，但是讨论的问题是Short Preamble还是Long Preamble，如果设置1，那么代表全网可以采用Short Preamble，从而提升一点效率。

802.11g的帧结构

我们前面说了802.11g有4种制式，分别是ERP-DSSS/CCK，ERP-OFDM，ERP-DSSS-OFDM，ERP-PBCC。以下分别列举一下（图来源于权威指南，比协议的图清晰点）

ERP-DSSS/CCK，ERP-PBCC

这个帧结构是继承了802.11b的帧结构，基本上内容都是和802.11b一样的，可以直接做到和802.11b的STA兼容。所以从这个层面而言，802.11g算是重新定义了一次802.11b的帧结构，并包含在其协议内容中。所以我们目前用的最低速率实际上的可以算是“802.11g”的，不过名义上还是属于802.11b定义的。另外，Length字段这里表示的还是时间，单位us。

ERP-DSSS/CCK和ERP-PBCC的帧结构是相同的，只是编码方式不同，这点两个标识在service字段里面的modulation标识。

另外，802.11g的service字段和802.11b还有点小区别，

主体部分和802.11b的service字段相同，但是由于协议进一步提升了直扩模式下的传输速率，PBCC-22Mbps和PBCC-33Mbps，那么length字段的精度会进一步需要提高。所以在service字段里面增加了两位，一共三位用来提升length字段的精度。

ERP-OFDM

ERP-OFDM实际上来源与802.11a的帧结构，基本上是一样的。

然后上图有一个地方标识错了，最上面的Logical PDU的部分描述的是从Signal信号开始的。另外需要注意的是，在802.11g-OFDM世代，其STF和LTF合并称为Preamble，这也是Preamble的原意，然后Signal字段实际上对应的是PLCP Header，代表了物理层相关的解调信息。从802.11n开始，STF，LTF，Signal三个部分合并组成了Preamble，这个是一个定义的问题了。

ERP-DSSS-OFDM

按照协议而言，这种工作模式被命名为DSSS-OFDM，也有时候可以直接称为CCK-OFDM。

这个格式比较特殊，是为了DSSS模式和OFDM模式兼容而设计的。由于802.11g工作在2.4GHz的信道上，这个信道原来只有802.11b的节点，所以向前兼容只需要兼容802.11b就可以了（这里802.11b是和802.11-1997基本是一样的，所以兼容802.11b即可）。

那么为了兼容，在一个ERP-DSSS-OFDM的帧头部，最先要加上802.11b的帧头部，那么包含了PLCP Preamble和PLCP Header，这里的意义实际上是和802.11b的帧一样的。这个扩展的802.11b的头部实际上是给同BSS内，802.11b的节点看的，这些节点看到后就可以主动回避，那么回避时间是记录在PLCP Header中的Length字段，注意这里还是us，同时由于后面的传输速率最高能到54Mbps，所以service里面的扩展字段还是需要用上。

然后针对于兼容802.11b的PLCP Preamble和PLCP Header传输后，那么是802.11a的LTF字段。这里直接是LTF了，因为STF的基本功能，比如帧同步，粗频率同步之类的，可以通过PLCP Preamble来完成，所以就不需要重复做了。然后需要重新传输一遍物理层信息，即Signal字段，这里面也有MCS和Length，注意这里的Length是给802.11g-OFDM的节点看的，所以单位为bits。

另外需要补充的是Signal Extension字段：这里需要注意在ERP-OFDM和ERP-DSSS-OFDM这个部分，PPDU的结构最后还有一个Signal Extension字段，这个字段也是为了OFDM和DSSS兼容性设计的，属于比较细节的内容了，我们在讨论802.11b/g兼容的时候再说。

802.11g的CCA机制

802.11g只支持能量检测，如果信号的能量大于-76dBm，则会检测到信道Busy。其实这点的定义应该是为了当时那个世代好实现吧，因为只做能量检测的话比较简单，而如果在能量检测上做载波检测的话，那么在802.11g世代中需要检测Short Preamble，Long Preamble和STF三种可能性，所以当时为了简化，只定义了能量检测。那么不同Slot时间其对应的参数如下：

这里补充记录下，关于RxTxTurnaroundTime的时间，因为笔者的一些设计类的paper需要考虑到该时间

其实可以发现在半双工的收发切换里面，单纯的天线Switch切换时间是很短的，图中显示<<1us，但是收到发的切换大约为5us，发到收的切换大约为10us，这里的参数是802.11g世代的，每一个世代可能还会有点不同。这里说明了收发切换需要考虑的时间不仅仅是天线的切换时间，应该还包含了RF和基带的切换时间，所以总体时间才“较长”的。

另外，虽然802.11g只采用了能量检测。但是802.11g这个兼容问题一直到现在（2020）还是存在的，所以当下的话应该是能量检测载波检测同时都做的，当时是为了避免复杂，但是后来从802.11n开始，为了协议的稳定性，还是都要做一遍的。