家庭娱乐联网技术发展及无线解决方案

2003年，市场上出现的产品将家庭网络功能扩展至传送音乐及照片等多媒体数据。2004年及以后，家庭网络将进一步扩展成可处理视频内容，包括HDTV节目。本文介绍家庭联网技术的发展以及11n.HTM" target="_blank">802.11无线解决方案在其中扮演的角色。

家庭网络最终将把家庭中的几乎所有消费电子设备都连在一起。任何内容显示设备，譬如卧室中的电视，都应能从家中其它地方的任何源(如放在客厅的个人录像机)访问内容。骨干及集群(cluster)网络拓扑有可能发展成为包括数种网络技术的组合。例如，原有同轴电缆可将内容传送到安装它的房间内，而无线则能将内容传送到该房间及邻近的房间中。以不断改进的技术，无线还能覆盖有线方案所不能覆盖的整个家庭。

家庭联网正朝这种最终方向发展，几乎每年都会出现一个新的发展阶段(见图1)，且每一阶段都有各自的“杀手级”应用、带宽/QoS要求、网络解决方案、设备、内容保护要求及商业推动力等。

家庭联网技术发展

在2003年以前，家庭网络主要用来共享打印机及宽带访问，因此带宽要求很低，且不要求QoS。最初的网络解决方案采用以太网5类线缆，但也推出了价格适中的802.11b无线解决方案，并以其方便及灵活性而被采纳。这些早期网络上所传输的大多数数据均为可公开获得的互联网内容及个人内容，很少有内容保护要求。

2003年出现了主要用于从书房中的PC向家中另一处的电视机传输音乐及数字照片的“数字媒体适配器”。而在家中任何位置欣赏音乐及照片的便利性，则是促进这类设备销售的“杀手级”应用。这些设备的互联已经主要采用以太网及802.11b，两者可以提供这些内容所需的低位速率。图2显示用于访问储存在远端PC上的照片及音乐内容的数字媒体适配器及无线DVD播放机配置。

当消费者体验可在家中任何地方访问其音乐及照片内容的便利性时，他们也对在家中任何位置欣赏其它内容(主要是视频)的便利性产生浓厚兴趣。2004年市场上将出现通过家庭网络来传输视频内容的产品。主要网络配置将仍保留以太网及802.11，并以.11g及.11a取代.11b，以提供所需的更高位速率。

业界正在寻求可覆盖整个家庭的30Mbps位速率，这一速率可处理数种“标准清晰度电视”(SDTV)信号及未来单一“高清晰度电视”(HDTV)信号，并需要服务质量(QoS)机制来保证视频信号不间断地到达电视机。内容保护首次要求必须得到实现，以便从各种视频源(例如有线/卫星接收机、PVR及DVD播放机等)获得并在家中传输数字视频时可满足内容提供商的要求。

2004年以后，家庭网络将继续提供更高的带宽及覆盖率。802.11技术的进步将使家庭网络的传输速率超过100Mbps，从而能传输多路HDTV信号。消费者将期望他们购买的新多媒体设备，包括TV、PVR、有线/卫星电视接收机、DVD录像机及PC等具有无线联网能力。

802.11提供有效的解决方案

无线802.11技术在家庭联网解决方案中扮演重要角色。这项技术使用户能在家庭任何位置方便而快捷地欣赏多媒体内容。只要无线能到达的地方，消费者都能不受限制地欣赏这些内容，在后院边休息边在互联网上冲浪，或者在车库边干活边观看体育比赛等。

.11b技术能提供足够的功能来支持向打印机传输文件以及在互联网上冲浪等，但像视频这样的高位速率、实时性的内容则要求有更强大的功能。802.11g可提供更高的速率，而且已经得到业界大力推广来取代.11b。但.11g也有一定的局限性，它与.11b一样工作在2.4GHz频段上，因此会遇到来自同一频段干扰源(例如微波及无绳电话等)的影响。.11g及.11b两者都只有3条可用信道，而且当.11g及.11b设备在同一信道上运行时，.11g设备的性能将会大为降低。

在无线网络上传输视频等多媒体内容的一种更佳解决方案就是802.11a。该技术不仅运行在干扰少很多的5GHz频段上，而且还能提供更多的可用信道，并能将其中的一个信道专门提供给高带宽视频内容并保证QoS传送(如图3所示)。

为更好地传输视频等更高位速率内容，QoS机制被引入到802.11技术中。802.11e预计可在2004年晚些时候获得批准。它包括用于构建优先级数据队列的“增强控制点功能(EDCF)”以及可提供轮询机制的“混合协调功能(HCF)”等方法。而像“帧猝发(Frame Bursting)”这样的技术则被用来通过减少协议开销以提高吞吐量。这些功能的部分已经被包含进Atheros付运的产品中,尤其是超级A/G技术。

802.11无线媒体是一种共享资源，设备使用分布式访问机制——载波侦听多路访问/冲突仲裁(CSMA/CA)来争夺访问权。分布式协调功能(DCF)是CSMA/CA的基础，以下对其进行简要介绍。在发送前，源节点检查是否有其他节点正在发送；如果有，则源节点推迟访问并等到该发送结束，然后再等待一个称为“DCF帧间间隔(DIFS)”的媒体空闲时间。在DIFS之后，再通过一个含有时隙的竞争(contention)或等待(backoff)窗以允许各节点尝试访问媒体。每一节点都利用随机backoff算法来选择一个时隙，并在尝试访问媒体之前等待这一时隙。拥有第一个时隙的节点首先访问媒体并发送数据包。在数据包发送的结尾，“短帧间间隔(SIFS)”给予收发器一定的时间来反应，并由目的节点发出一个确认(ACK)，然后该序列又重新从DIFS开始。

为提高802.11链路的吞吐量，802.11e增加了一种称为“帧猝发”的机制来减少基本DCF协议的开销。在帧猝发期间，源节点被允许在每次访问媒体时发送多个数据帧(图4)。在每次数据帧传输的ACK之后，源节点先等待一个SIFS然后再发送下一个数据帧。在回到竞争窗口以前，可成功地发送两个或更多个数据帧。表1显示帧猝发带来的UDP吞吐量提高情况，以及Atheros超级A/G技术中所带来的其他改进。

表1同时还给出了可提供108Mbps链路速率的Atheros

Turbo模式吞吐量。由于只需较低的链路速率，因此吞吐量的提高也扩大了给定吞吐量的无线覆盖范围。例如，目前的行业要求是在一个典型家庭中提供30Mbps的吞吐量。这一速率可支持传输多路SDTV信号或一路HDTV信号加一路SDTV信号。由.11e提供的这种吞吐量提高，可在36Mbps(而非54Mbps)链路速率上提供该速率(即30Mbps)，从而获得更好的覆盖率。

为支持服务质量(QoS)，802.11e标准还增加了以下两种新的访问机制：

1.增强分布式协调功能(EDCF)，一种基于竞争的优先访问机制

2.混合协调功能(HCF)受控信道访问(HCCA)，一种无竞争的访问机制。

以上这两种机制都依赖于“传输机会(TXOP)”的分配，即一种时间间隔，在这期间，节点可发起传送。TXOP既可通过使用竞争EDCF来分配也可以通过轮询HCF来授予。

通过以不同等待时间来引入流量分级概念，EDCF将DCF协议扩展成可支持QoS。优先级高的数据流在排队时被分配更短的等待时间。该机制利用一段称为“仲裁帧间间隔(AIFS)”的时间间隔来取代DIFS。每一队列都拥有不同的AIFS，同时优先级更高的队列拥有更短的AIFS，因此它们比AIFS更长的队列要先获得访问媒体的机会。EDCF提供不同流量间的相关QoS差异，但不提供保证或预订带宽。Atheros 目前提供的产品中已经采用了EDCF。

HCF是一种利用轮询机制来将TXOP分配给各站的中心协调器。通过用PCF 帧间间隔(PIFS)来取代DIFS，HCF拥有访问媒体的最高优先权。PIFS比DIFS短。802.11e定义了一个由竞争周期(CP)及无竞争周期(CFP)构成的周期性“超帧”(superframe)。HCF通过在CP及CFP期间根据各站的带宽预订请求及可用带宽，将TXOP分配给各站来集中管理流量。CP期间允许访问EDCF流量。

另一项标准——802.11n目前正在开发之中，以将单个802.11信道的链路位速率从当前最大的54Mbps提高至超过100Mbps甚至更高。这一技术将能支持家庭网络中的多路HDTV无线传输。目前被提议的一项技术是空间多路复用(见图5)，该技术能在发射器及接收器之间形成多个独立无线链路，以在同一频段内通过多条空中通道来传输不同位流。在发射器这一侧，高位速率流被分成两路低位速率流，每一路都由各自的DSP/无线电链路来进行处理和发射(x1，x2)。

在接收器这一侧，则分别由独立的天线来接收这两路信号(y1、y2)，并进行处理以提取最初发射的低位速率流，然后再将其合并为高位速率流。根据从每一发射器天线至每一接收器天线(h11、h12、h21及h22)的不同信道特征，所接收的信号(y1、y2)包含来自两路发射信号(x1，x2)的信息。这些变量构成了两个等式中的两个未知数。利用数字信号处理，可将信道特征估计为(h11，h12，h21，h22）。然后再通过解这两个等式求出(x1，x2)来得到所发射的信号。因此通过利用收、发两端的两个DSP/无线电链，可将802.11信道的最大链路速率从54Mbps加倍至108Mbps。此概念如果利用多于两个的DSP/无线电链，还可进一步提高链路速率，但需要增加成本。

作者：Michael Stauffer

业务拓展总监

Atheros通信公司