2.3 物理层会聚协议子层

IEEE 802.11p物理层标准定义了物理层会聚协义（PLCP）子层，主要用于将来自MAC子层的服务数据单元通过编码、调制、映射等过程转换为物理层服务数据单元，并在其头部添加PLCP前导码和帧头，进而构成完整的物理层PLCP协议数据单元（PLCP Protocol Data Unit, PPDU），这些附加的信息对接收端的解调来说是至关重要的。

2.3.1 PPDU帧格式

PPDU的帧格式如图2-2所示，由前导码、帧头、PLCP服务数据单元（PLCP Service Data Unit, PSDU）、尾比特及填充比特构成。PLCP头中包含了后续PSDU的基本信息，如长度（LENGTH）、调制速率（RATE）、奇偶校验位（Parity），以及服务域（SERVICE）等。长度、速率、校验字段构成了PPDU帧的SIGNAL域，由于其中包含了该帧最重要的参数信息，物理层采用调制方式为BIT/SK且码率为1/2的单个OFDM符号来传输。PLCP头中的SERVICE和PSDU字段构成了DATA域，这部分数据采用RATE字段中指定的速率进行编码调制（见表2-2），通常由可变数量的OFDM符号组成。SIGNAL域中尾比特的存在使得接收端在收到该符号后立即就可以对其进行解调和译码，这一点对于接收端来说是至关重要的，否则只能在接收到整个PPDU后才能进行解调和译码。此外，由于SIGNAL域采用了固定的调制方式和速率，即使接收端不支持后续数据符号的调制方式和编码速率，它仍然能够获取该接收帧的基本信息，这一特性使得MAC子层的虚拟载波侦听机制不会失效。

PLCP编码过程很复杂，本节在此先给出概要的介绍，具体细节将在本章后续部分进行详细描述。

1）产生PLCP前导码，该前导码由10个重复的短训练符号（Short Training Sequence, STS）和2个重复的长训练符号（Long Training Sequence, LTS）组成，前者主要用于接收端的自动增益控制、分集选择、定时获取、粗频偏同步等处理过程，后者则用于信道估计及精频偏估计等过程。

2）根据RATE、LENGTH等字段生成PLCP头中的SIGNAL域和SERVICE域。为了使接收端能够及时和可靠地获取RATE和LENGTH，SIGNAL域后填充了6个“0”比特（使卷积编码器回归零初始状态，接收端可以单独对其译码），并采用1/2速率的卷积编码和BIT/SK调制生成单独的OFDM符号传输。

3）根据调制和编码方式分别计算每个子载波携带的比特数（NBIT/SC）、每个OFDM符号携带的原始数据比特数（NDBIT/S），以及每个OFDM符号携带的编码数据比特数（NCBIT/S），见表2-2。

4）扩展由SERVICE和PSDU构成的数据域比特流，使其长度为整数个OFDM符号（NDBIT/S的整数倍），且其后至少填充6个零比特。

5）使用非零伪随机种子初始化扰码生成器，并产生扰码序列对扩展后的数据比特流加扰（将扰码序列与数据比特流相异或）。

6）将6个已加扰的填充零比特替换成未加扰的零比特，它们将会使卷积编码器重新回归到初始零状态。

7）采用效率为1/2的卷积编码器对加扰后的数据流编码，并按照速率要求执行凿孔操作，删除编码输出比特流中相对不重要的比特。

8）将编码后的比特流按照每组NCBIT/S比特进行分组，然后按照数据速率对每组比特串进行信道交织操作。

9）对编码和交织后的比特流进行分组（每组包含NBIT/SC比特），根据调制方式将每个分组转换成一个复数（星座图上的点）。

10）将上述复数串重新分组（每组48个数据），在后续处理过程中每个分组将被映射成一个单独的OFDM符号。

11）插入4个导频子载波，导频子载波的相位受伪随机序列调制。

12）采用逆傅里叶变换将每个OFDM符号的频域序列转换成时域序列，并在其前端扩展循环前缀，然后通过时域窗函数对其进行滤波处理。

13）通过上变频将基带信号转换为射频信号，串行传输每个OFDM符号的时域序列。

2.3.2 PLCP前导码

IEEE 802.11p标准中，PLCP前导码主要用于接收端的同步处理，其结构如图2-3所示。图2-3中t1～t10为10个重复的STS符号，T1和T2为两个重复的LTS符号，整个前导训练序列的长度为32μs。

STS训练符号持续时间为1.6μs，共占据了12个子载波，可以通过下列序列对这12个子载波进行调制而得到：

其中，因子用于对OFDM符号的功率进行归一化处理，其时域序列相应地可以表示为

其中，wSTS（n）为窗函数，定义为

短前导序列具有良好的周期性和伪随机性，可以被接收端用于信号检测、符号同步、粗频偏估计等接收信号处理过程［2-4］。文献［2］中使用STS符号的自相关函数来实现信号检测和载波频偏估计，其度量函数定义为

其中，r（n）为接收到的复基带序列；R（n）为其自相关函数；P（n）为接收序列的平均功率。考虑度量函数值M（n）的统计特性：当接收序列为噪声时其均值为零，当STS符号出现时其均值为接收序列的信噪比。因此，可以通过检测度量函数M（n）的值来实现信号检测，并粗略定位接收帧的起始位置。此外，令Δω=2πΔf/fs表示归一化的收发信机载波频偏，当接收序列为STS序列时，有

因此根据STS序列的自相关函数也可以粗略估计收发信机的载波频偏［4］。

LTS符号主要用于接收端的信道估计和精频偏估计等处理过程，它覆盖了53个子载波，可以通过下列序列对子载波调制来得到：

考虑到循环前缀的存在，其时域序列可表示为

其中，wLTS（n）为类似于wSTS（n）的窗函数。令Hk为第k个子载波上的信道频率响应。当发送序列为LTS符号时，不考虑窗函数的影响，接收序列可表示为

对接收到的LTS序列进行傅里叶变换可得

因此接收端可以利用LTS序列估计各子载波上的信道频率响应［5］。此外，由于Lk的取值均为-1或1，接收机只需简单地改变RLTS（k）的符号即可方便地进行信道估计，这一特点对接收机的实现来说是非常有利的，能够有效降低其复杂度。在室内时不变信道的通信环境下该信道响应估计值可用于均衡后续所有OFDM数据符号，然而在室外高速移动的车辆通信环境下这种方案是不适用的，接收机必须在接收过程中跟踪估计信道响应［6］。

2.3.3 数据加扰、卷积编码和交织

IEEE 802.11p标准中，SERVICE、PSDU、帧尾及填充比特都需要采用循环长度为127的帧同步扰码器加扰，该扰码器的原理框图如图2-4所示，其生成多项式为可以表示为

物理层收发信机均采用相同的扰码器。发送端首先采用一个非零的7位伪随机二进制比特串来初始化扰码器。由于原始SERVICE域的最后7位为零，接收端可根据这些零比特对应的加扰后的比特串估计发送端扰码器的初始状态。

为了增强传输的可靠性，物理层采用了约束长度为7的工业标准卷积码作为信道编码方案，其编码效率为R=1/2，对应的生成多项式分别为g0=1338和g1=1718，即

其原理框图如图2-5所示，编码比特流按照先A后B的顺序输出。通过对编码效率为1/2的输出比特流进行凿孔，物理层也可支持3/4和2/3码率的卷积码，卷积编码和凿孔方案如图2-5所示。

信道编码机制只在检测和纠正单个突发误码和较短的误码串时才有效，对于连续出现的长串误码是无能为力的。为了解决这一问题，物理层规定所有数据比特流需要进行信道交织。IEEE 802.11p物理层采用块状交织器，其分块长度取决于所采用的编码速率和调制方案，每个分块的比特串对应一个完整的OFDM符号，即长度为NCBIT/S。交织过程是一个对输入数据进行重新排列的过程，可分为两个步骤。第一次排列对应的规则为

其中，k为重排之前二进制比特的序号；i为排列之后其对应的序号；函数floor表示不超过其输入参数的最大整数。第二次重排列对应的规则为

其中，i为排列之前的序号；j为排列之后的序号；s=max（NBPSC/2,1）。上述交织过程可以：①保证相邻的编码比特被映射到不同的子载波上；②保证相邻的编码比特被交替地映射到星座点的高位和地位比特上。

由于物理层采用了约束长度为7的卷积编码且信道交织是以OFDM符号为单位进行的，接收机在接收到一个完整的OFDM符号后即可进行解调和译码，而不用等到整个数据包接收完成。这种特性不利于抑制深度衰落造成的长串误码，然而另一方面却使得一类数据子载波辅助的信道估计方法［7，8］得以应用于该标准来进行时变信道估计和跟踪。

2.3.4 子载波调制映射和导频插入

IEEE 802.11p标准的OFDM物理层带宽为10MHz，整个频带分成了64个子载波，相邻子载波之间的间隔为156.25kHz。在所有64个子载波中，48个用作数据子载波，每个数据子载波支持BIT/SK、QSPK、16QAM和64QAM的调制方式（由RATE字段决定，见表2-2）。子载波调制的过程首先是将交织后的比特流进行分组（每组包含NBIT/SC比特），然后将其映射为相应星座点对应的复数，星座图采用格雷码来编码，其中BIT/SK、QPSK及16QAM的星座图如图2-6所示。

除了数据子载波外，每个OFDM符号中都会插入4个导频子载波，它们分别是-21、-7、7和21号子载波（见图2-7）。导频对应的时域序列可通过对以下序列求取傅里叶变换来获取：

此外，导频子载波的极性在传输过程中不断更新，受伪随机序列pi（下标“i”表示一帧中的第i个OFDM符号）控制每个符号更新一次，pi可以采用与扰码器相同的生成多项式（初始状态为全“1”）来生成。导频子载波可被接收端用于剩余相位跟踪等信号处理过程。在时变信道估计方面，有些算法采用对导频子载波处的信道估计值进行线性插值的方法来跟踪信道变化［9-11］，然而由于IEEE 802.11p标准的物理层信号结构中导频数量较少且间隔相对较大，这些算法并不能适用，需要对现有的标准做出修改。

综合考虑数据子载波、导频子载波及循环前缀，第n个OFDM数据符号的时域序列可以表示为

式中，wSYM（n）为窗函数；NSD=48为数据子载波的数量；NST=52为非空子载波的数量；NSC=64为全部子载波的数量；NGI=16为循环前缀的长度；dk,i为第i个数据符号的第k个子载波；M（k）为逻辑子载波0～47到频偏索引-26～26的映射关系，定义为