无线局域网 ——展望未来

Agere系统公司产品营销经理 Roman Polz

应用工程经理Patrick Grabienski

标准的发展趋势

　　符合802.11b标准的无线局域网为市场上无线网络的发展搭建了稳定的平台。WiFi标准可保证不同厂商产品的互操作性，从而确保最终消费者投资的安全。随着与802.11b同在2.4 GHz带宽上运行的更新的802.11g网络的推出，无线网络得到进一步发展。它们既能支持更高速率（最大54 Mb/秒），又具有向下兼容的特性。此外，消费者也可以选择在5 GHz带宽的速率上运行802.11a系统（与802.11g 的速率一样）。然而，在欧洲，这种选择受到一些管制规则的限制。

　　目前，支持两种频率的系统正在竞相投放市场，包括“multimode”、“combo”或802.11a/b/g等。WiFi联盟正在对这些速度更快的网络类型的互运行性进行测试。但迄今为止，还没有任何WLAN可以保证传输语音和视频流的带宽和服务质量。人们正在制订802.11e标准，以解决这一问题，但该标准尚未得到认可。虽然无线网络发展迅猛，但与采用经过改进的无线技术的、功能更为强大的无线网络(802.11n)相比，目前的无线网络还处于过渡阶段。

服务质量—802.11e

　　WLAN符合CSMA机制，与人们熟悉的以太网类似，它也根据突发式访问机制(在本文中通常称为“尽力而为”)传输数据。由于特定的传输频率在某个地点和时间只能由一个站点连续使用，因而使用CSMA机制尽可能公平地为网络上的所有服务器服务。在很长一段时间内，每个站点通过网络接收到的数据量总体而言是相同的，但随着时间推移，并不能保证数据容量，也不能保证它们的平等分配。在原来的802.11标准中，它被称为分布式协调功能（DCF），也称为点协调功能（PCF），后者鲜为人知，因为它从来没有实施过。在PCF中，WLAN的访问点（AP）可以设定固定的时间阶段，供DCF进行切换，即所谓的无竞争阶段（CFP）。在这段时间内，属于DCF区域的站点不允许激活，而AP则轮询属于PCF区域的站点，从而提供一种“服务质量”。然而，PCF相对比较稚嫩，存在一些缺陷，所以从未得到应用。

　　802.11e的QOS标准目前仍在制订过程中，它为网络站点创建分配带宽的机制，并为物理介质中可能发生的意外情况提供时间保证。标准提供了两种机制，既可单独使用，也可结合使用。这种功能称为无线多媒体扩展（WME），而在标准中则被称为扩展数据渠道访问（EDCA），它可实现不同数据流的优先权分配。为此，每个站点和AP可以实现最多4种类别（背景、尽力而为、视频、音频），根据802.1d区分优先级的数据包将被映射。

　　为执行该功能，每个站点的传输终端具有相应的4个等候队列，发送到传端终端的数据包可以进行分类。此外，每个站点的规则是：清空优先级较高的队列，然后处理优先级较低的队列。作为标准类别，“尽力而为”业务可与DCF进行协调。背景数据流的优先级最低，只有在网络面临失活状态时才允许传输。顾名思义，视频和音频就是传输图像和语音，此时应该考虑到网络对它们的特定需求。在这一过程中，站点不能象以往那样，只为一个数据包占用无线网络，而应该使无线网络用来传输整个系列的数据包 （在此定义TXOP＝传输机会，transmission opportunity），这对视频系列尤为有利。但必须注意的是，EDCA程序也称作参数化的服务质量，只是统计范围内的优先方法。换句话说，从更长的时间来看，具有更高优先级的数据流也被分配给更多的带宽。就短暂时间间隔来说，低优先级数据流的速率也可能比中优先级数据流的速率快。EDCA无法为严格的同步数据流或实时应用提供足够的安全性。

　　802.11e中的第二个访问程序是混合控制信道访问（HCCA），它实施真正的轮询。为此，可在AP上安装控制装置（HC=混合控制器），负责轮询的管理。该站点接收8个出口队列，它们根据需求将数据分配到队列中，以进行传输。所有等候队列必须通过所谓的流量规范(TSPEC)，注册到AP。该TSPEC包含了站点对等候队列的“期望要求”（最小和最大的服务间隔，最小的TXOP期限）。AP将返回一个所谓的日程表，其中包含等候队列的实际分配。这意味着它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已经超负荷，不能再处理更多数据流，这种要求甚至可能遭到完全拒绝。现在，HC应负责通过轮询处理各个站点排队。由于HCCA具有绝对的优先权，高于EDCA，因而HC实际上能够在任何时候进行控制，通过适当方式处理要求严格(包括数据速率和同步性要求)的数据流。在此期间，EDCA没有生效，未处理相应的数据流。

　　除上述两种主要机制外，802.11e还提供以下特性：扩展的电能节约机制、更强的同步程序、拦阻认可、绕过AP在站点之间直接交换的"直接链路"。该标准已经出台了第四个草案，可能会在2004年中期通过审批

5GHz在欧洲—802.11h

　　在世界各地，根据802.11a标准， 5GHz组件必须适应不同的波长范围。 2.4 GHz波长在全世界基本相同，只有少许变动。 在美国、欧洲和远东，频率分配和传输限制存在很大差异。在德国，它受到REGTP order 35/2002的管制。

　　802.11a 技术在美国使用比较普遍，发射输出一般为200mW或更高（达到1 W），采用美国现有的全频范围。但是，在欧洲，只有在支持802.11h标准的以下重要单元时，才允许以较低的带宽(5.15-5.35 GHz)支持200 mW输出，以高带宽(5.47-5.725 GHz)支持1 W的输出，而且才能使用现有的所有信道。

　　动态频率选择(DFS)。网络(即AP和相关站点)可根据目前的频谱情况，自行选择频率，如果必要，可以改变当前使用的频谱，以避开雷达和卫星的传输。通过这种方式，也可以避免其它WLAN，最高效地利用波长。

　　传输电源控制(TPC)。 所有通信合作伙伴的发射输出必须符合当前要求。在德国，规定的正常范围是6 dB。这样可以最大程度地减少其它WLAN的干扰。如果不支持TPC/DFS，则在德国REGTP只允许使用5.15-5.25 GHz，最大的发射输出可达30 mW。

　　802.11h标准对大量新的数据包类型和信息领域进行了规定，站点和AP可与它们交换有关发射输出和频率选择的信息。在连接阶段，当站点和AP熟悉时，两者的“能力”就能相互协调。在此，如果发现站点违反本地规定(比如发射输出过高，频率支持不匹配)时，AP就可以拒绝站点。如果本地法规允许，在某些情况下，也可接受不支持02.11h的传统站点。

　　这一任务看似简单，实施起来却颇为不易。DFS机制必须检查雷达信号能否被识别(在系统启动和当前运行时)。这种情况下使用的标准是ETSI EN 301893。规定的测试脉冲是2秒到60秒，脉冲宽度是5 ms到210 ms。脉冲识别的阈值是-64 dBm，也就是WLAN可运行的波长。为进行有效的测量，AP可能暂时关闭WLAN（静态），提示相关站点执行它们各自的测试标准，然后把测试结果转发给AP。如果雷达识别结果为正，则目前频率上的运行会被中止，并且寻找其它"空"频率。放弃的频率随后会堵塞30分钟，系统不会考虑更多的DFS活动。实施DFS的诀窍是：将这些过程集成到数据包传输中，使用户不会注意。

　　在当前的运行中，TPC机制负责动态调整相关AP站的发射输出，以控制无线信元的尺寸，从而最高效地利用频率。为达到这一目标，它将交换所谓的TPC请求和报告数据包，从而确定连接水平。但遗憾的是，标准没有明确规定：在这种情况下，必须应用哪种标准和方法。对于制造商而言，这也是一个问题。

高吞吐量的WLAN (802.11n)

　　最近，许多基于IEEE802.11的无线联网产品竞相进入市场，达到最快54 Mbit/秒的数据速率，符合标准。然而，高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率却有更高的要求。针对这一情况，IEEE成立了“n”工作组，负责制订支持超过100 Mbit/秒数据吞吐量的标准。

　　对于802.11a和 802.11g，物理层上的数据速率是每秒54 Mbit。由于系统的消耗，数据在系统上传输的真正速度(数据吞吐量)只有30 Mbit/秒。新的802.11n标准旨在提高效率，并试图增加物理层数据信道的使用，提高速度。

　　现有三种提高数据速率的方法：

　　调制扩展。 802.11a和802.11g标准最多使用一个64正交振幅调制(QAM)，在此期间，6比特数据同时在一个载波上调制。可以将该数值增加到256 QAM，每个载波调制8比特，将20MHz信道上的数据速率增加到72 Mbit/秒。频率范围的继续减小是个极为不利的因素，因为接收者需要更好地接受信号，才能区别256个调制条件。

　　增加信道带宽。目前，高频信道的带宽是20或25MHz。通过合并或扩展这个规模，可增加调制频率，从而提高数据吞吐量。该程序的缺点是，使本来就不多的信道数量继续减少。

　　增加传输路径。不同数据可在相同频率下通过不同路径同时传输，这一技术称为MIMO。MIMO是“Multiple Input - Multiple Output”的缩略语，它指代一个过程，在该过程中，多部天线同时在发送和接收端使用。MIMO为频率和时间范围增加了第三个维度，即空间，这不会与天线分集混淆 (在WLAN技术开始时就使用)。

　　在天线分集中，任何情况下都只能使用最好的发送和接收天线。MIMO可在同一载波频率上同时传输不同数据流。由于墙壁和天花板的反射，天线的发射会在接受器的多个天线上产生不同的信号强度和相位长度。可通过培训了解特定的传输信道活动，原始数据可以使用数学过程，从单个天线接收的混合信号中恢复。因此，只有产生足够的反射，MIMO才能发挥作用。提高多台发射器和接收器的技术费用会使系统成本提高。802.11n标准有望在2005或2006年获得批准。

无线技术—将把我们带往何处？

　　在90年代，WLAN无线作为“superhet”设计，通过一个或几个中频就能提供尽可能高的选择性和敏感性。但是，由于系统问题，它需要大量零散组件，却很难集成。或者，也可以选择ZIF(零IF) 或VLIF (极低IF)方法，提供高度集成、优化成本的解决方案。

　　另一种方法也应运而生，它甚至适用于应用技术。在90年代，高频应用的集成电路仍然使用双极技术生产。集成水平较低，无线功能在电路板中占用非常大的面积。现在，凭借RF-CMOS或Bi-CMOS技术，可以生产ZIF或VLIF的无线产品。两种技术各有优缺点。RF-CMOS可在一个芯片上集成无线和逻辑，是最高水平集成的理想之选。Bi-CMOS有更好的高频特性，并且系统运行所需的外围设备较少。

　　凭借ZIF，接收信号直接在基带中实施，不需要时间密集的中频过滤器和混合器。然而，必须在一个频率上对接受信号进行必要的整体增强，这使各层之间的绝缘变得更为重要。非优化布局在敏感度方面的风险是接收器的敏感度降低了，不能超过ZIF要求的芯片范围。解调信号的波长和DC一样小，因此，特别适合于CCK信号的接收，比如在802.11b中使用。但是，即使接收频率的微小变化也能在调解信号中产生错误电压，那么也就缩小了OFDM调制的波长（如在802.11a和802.11g中使用）。

　　VLIF接收器的工作原理迥然不同。接收信号不会直接转换到基带中，而是转换到一个低很多的中频 （ZF）中。由于ZF较低，传统过滤器不再是单独模块，而是作为集成电路的功能进行实施。为进行过滤和解调，人们选择了数字信号处理方法，从而在数字电路中实现可重复的实施。VLIF接收器的传输具有高吞吐量特点，而对于CCK信号，这种优势就不明显了。然而，由于不存在直流电压失调的问题，OFDM调制的动态范围没有受到限制，所以接收敏感度能达到最佳状态。

　　在向数字世界转换的过程中，两种系统都有转换器，它们将模拟电压转变成数字信号，或者进行相反的转换。这些转换器的特点，比如扫描速率、位数和线性，都是实施无线技术的重要因素，对整个无线系统质量的影响非常大。如果说在90年代，无线领域仍然是带有许多平衡点的模拟技术一统天下，那么随着数字技术的出现，许多模拟技术已转换为数字技术。

　　ZIF和VLIF等接收器加强了集成，有助于降低生产成本。显而易见，接收器和制造技术的选择并非一个无足轻重的问题。每种设计都考虑到不同因素，以进行优化。从现在的观点来看，包含VLIF和ZIF的接收器似乎特别适合于无线局域网的传输。

UWB—竞争与补充

　　超宽带（UWB）是WLAN中经常提到的术语。原则上，这是一种运行在非常低的光谱密度中的调制技术（FCC极限是-41 dBm/MHz），但同时，它也分布在很广的波长范围内（范围~从全频范围的500 MHz到3.1 to 10.6 GHz），因而能产生非常短的脉冲（100 ps 到 10 ns），直接传输到天线上。

　　这种调制经常与IEEE 802.15.3工作组制订的标准混淆，IEEE 802.15.3标准的重点是媒体信息（语音和视频）的传输，并将超宽频带视为可能的调制方式。作为个人网(PAN)，它专为较短距离的传输而设计，类似于蓝牙技术。

　　提供802.11e QOS的WLAN实际上被视为802.15.3系统的竞争对手，两种技术各有优缺点。一旦标准在2004年获得通过，提供QOS的WLAN必能投入使用。由于双方（带宽OFDM和DS-CDMA）的僵持，802.15.3组已被暂停使用。

摘自　世界电子元器件