無線局域網 ——展望未來

2019-11-03 19:24:11

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

Agere系統公司產品營銷經理 Roman Polz

應用工程經理Patrick Grabienski

標準的發展趨勢

　　符合802.11b標準的無線局域網為市場上無線網絡的發展搭建了穩定的平臺。WiFi標準可保證不同廠商產品的互操作性，從而確保最終消費者投資的安全。隨著與802.11b同在2.4 GHz帶寬上運行的更新的802.11g網絡的推出，無線網絡得到進一步發展。它們既能支持更高速率（最大54 Mb/秒），又具有向下兼容的特性。此外，消費者也可以選擇在5 GHz帶寬的速率上運行802.11a系統（與802.11g 的速率一樣）。然而，在歐洲，這種選擇受到一些管制規則的限制。

　　目前，支持兩種頻率的系統正在競相投放市場，包括“multimode”、“combo”或802.11a/b/g等。WiFi聯盟正在對這些速度更快的網絡類型的互運行性進行測試。但迄今為止，還沒有任何WLAN可以保證傳輸語音和視頻流的帶寬和服務質量。人們正在制訂802.11e標準，以解決這一問題，但該標準尚未得到認可。雖然無線網絡發展迅猛，但與采用經過改進的無線技術的、功能更為強大的無線網絡(802.11n)相比，目前的無線網絡還處于過渡階段。

服務質量—802.11e

　　WLAN符合CSMA機制，與人們熟悉的以太網類似，它也根據突發式訪問機制(在本文中通常稱為“盡力而為”)傳輸數據。由于特定的傳輸頻率在某個地點和時間只能由一個站點連續使用，因而使用CSMA機制盡可能公平地為網絡上的所有服務器服務。在很長一段時間內，每個站點通過網絡接收到的數據量總體而言是相同的，但隨著時間推移，并不能保證數據容量，也不能保證它們的平等分配。在原來的802.11標準中，它被稱為分布式協調功能（DCF），也稱為點協調功能（PCF），后者鮮為人知，因為它從來沒有實施過。在PCF中，WLAN的訪問點（AP）可以設定固定的時間階段，供DCF進行切換，即所謂的無競爭階段（CFP）。在這段時間內，屬于DCF區域的站點不允許激活，而AP則輪詢屬于PCF區域的站點，從而提供一種“服務質量”。然而，PCF相對比較稚嫩，存在一些缺陷，所以從未得到應用。

　　802.11e的QOS標準目前仍在制訂過程中，它為網絡站點創建分配帶寬的機制，并為物理介質中可能發生的意外情況提供時間保證。標準提供了兩種機制，既可單獨使用，也可結合使用。這種功能稱為無線多媒體擴展（WME），而在標準中則被稱為擴展數據渠道訪問（EDCA），它可實現不同數據流的優先權分配。為此，每個站點和AP可以實現最多4種類別（背景、盡力而為、視頻、音頻），根據802.1d區分優先級的數據包將被映射。

　　為執行該功能，每個站點的傳輸終端具有相應的4個等候隊列，發送到傳端終端的數據包可以進行分類。此外，每個站點的規則是：清空優先級較高的隊列，然后處理優先級較低的隊列。作為標準類別，“盡力而為”業務可與DCF進行協調。背景數據流的優先級最低，只有在網絡面臨失活狀態時才允許傳輸。顧名思義，視頻和音頻就是傳輸圖像和語音，此時應該考慮到網絡對它們的特定需求。在這一過程中，站點不能象以往那樣，只為一個數據包占用無線網絡，而應該使無線網絡用來傳輸整個系列的數據包（在此定義TXOP＝傳輸機會，transmission opportunity），這對視頻系列尤為有利。但必須注意的是，EDCA程序也稱作參數化的服務質量，只是統計范圍內的優先方法。換句話說，從更長的時間來看，具有更高優先級的數據流也被分配給更多的帶寬。就短暫時間間隔來說，低優先級數據流的速率也可能比中優先級數據流的速率快。EDCA無法為嚴格的同步數據流或實時應用提供足夠的安全性。

　　802.11e中的第二個訪問程序是混合控制信道訪問（HCCA），它實施真正的輪詢。為此，可在AP上安裝控制裝置（HC=混合控制器），負責輪詢的管理。該站點接收8個出口隊列，它們根據需求將數據分配到隊列中，以進行傳輸。所有等候隊列必須通過所謂的流量規范(TSPEC)，注冊到AP。該TSPEC包含了站點對等候隊列的“期望要求”（最小和最大的服務間隔，最小的TXOP期限）。AP將返回一個所謂的日程表，其中包含等候隊列的實際分配。這意味著它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已經超負荷，不能再處理更多數據流，這種要求甚至可能遭到完全拒絕?，F在，HC應負責通過輪詢處理各個站點排隊。由于HCCA具有絕對的優先權，高于EDCA，因而HC實際上能夠在任何時候進行控制，通過適當方式處理要求嚴格(包括數據速率和同步性要求)的數據流。在此期間，EDCA沒有生效，未處理相應的數據流。

　　除上述兩種主要機制外，802.11e還提供以下特性：擴展的電能節約機制、更強的同步程序、攔阻認可、繞過AP在站點之間直接交換的"直接鏈路"。該標準已經出臺了第四個草案，可能會在2004年中期通過審批

5GHz在歐洲—802.11h

　　在世界各地，根據802.11a標準， 5GHz組件必須適應不同的波長范圍。 2.4 GHz波長在全世界基本相同，只有少許變動。在美國、歐洲和遠東，頻率分配和傳輸限制存在很大差異。在德國，它受到REGTP order 35/2002的管制。

　　802.11a 技術在美國使用比較普遍，發射輸出一般為200mW或更高（達到1 W），采用美國現有的全頻范圍。但是，在歐洲，只有在支持802.11h標準的以下重要單元時，才允許以較低的帶寬(5.15-5.35 GHz)支持200 mW輸出，以高帶寬(5.47-5.725 GHz)支持1 W的輸出，而且才能使用現有的所有信道。

　　動態頻率選擇(DFS)。網絡(即AP和相關站點)可根據目前的頻譜情況，自行選擇頻率，如果必要，可以改變當前使用的頻譜，以避開雷達和衛星的傳輸。通過這種方式，也可以避免其它WLAN，最高效地利用波長。

　　傳輸電源控制(TPC)。所有通信合作伙伴的發射輸出必須符合當前要求。在德國，規定的正常范圍是6 dB。這樣可以最大程度地減少其它WLAN的干擾。如果不支持TPC/DFS，則在德國REGTP只允許使用5.15-5.25 GHz，最大的發射輸出可達30 mW。

　　802.11h標準對大量新的數據包類型和信息領域進行了規定，站點和AP可與它們交換有關發射輸出和頻率選擇的信息。在連接階段，當站點和AP熟悉時，兩者的“能力”就能相互協調。在此，如果發現站點違反本地規定(比如發射輸出過高，頻率支持不匹配)時，AP就可以拒絕站點。如果本地法規允許，在某些情況下，也可接受不支持02.11h的傳統站點。

　　這一任務看似簡單，實施起來卻頗為不易。DFS機制必須檢查雷達信號能否被識別(在系統啟動和當前運行時)。這種情況下使用的標準是ETSI EN 301893。規定的測試脈沖是2秒到60秒，脈沖寬度是5 ms到210 ms。脈沖識別的閾值是-64 dBm，也就是WLAN可運行的波長。為進行有效的測量，AP可能暫時關閉WLAN（靜態），提示相關站點執行它們各自的測試標準，然后把測試結果轉發給AP。如果雷達識別結果為正，則目前頻率上的運行會被中止，并且尋找其它"空"頻率。放棄的頻率隨后會堵塞30分鐘，系統不會考慮更多的DFS活動。實施DFS的訣竅是：將這些過程集成到數據包傳輸中，使用戶不會注意。

　　在當前的運行中，TPC機制負責動態調整相關AP站的發射輸出，以控制無線信元的尺寸，從而最高效地利用頻率。為達到這一目標，它將交換所謂的TPC請求和報告數據包，從而確定連接水平。但遺憾的是，標準沒有明確規定：在這種情況下，必須應用哪種標準和方法。對于制造商而言，這也是一個問題。

高吞吐量的WLAN (802.11n)

　　最近，許多基于IEEE802.11的無線聯網產品競相進入市場，達到最快54 Mbit/秒的數據速率，符合標準。然而，高清晰度視頻傳輸、家庭影院等全新應用對數據速率卻有更高的要求。針對這一情況，IEEE成立了“n”工作組，負責制訂支持超過100 Mbit/秒數據吞吐量的標準。

　　對于802.11a和 802.11g，物理層上的數據速率是每秒54 Mbit。由于系統的消耗，數據在系統上傳輸的真正速度(數據吞吐量)只有30 Mbit/秒。新的802.11n標準旨在提高效率，并試圖增加物理層數據信道的使用，提高速度。

　　現有三種提高數據速率的方法：

　　調制擴展。 802.11a和802.11g標準最多使用一個64正交振幅調制(QAM)，在此期間，6比特數據同時在一個載波上調制。可以將該數值增加到256 QAM，每個載波調制8比特，將20MHz信道上的數據速率增加到72 Mbit/秒。頻率范圍的繼續減小是個極為不利的因素，因為接收者需要更好地接受信號，才能區別256個調制條件。

　　增加信道帶寬。目前，高頻信道的帶寬是20或25MHz。通過合并或擴展這個規模，可增加調制頻率，從而提高數據吞吐量。該程序的缺點是，使本來就不多的信道數量繼續減少。

　　增加傳輸路徑。不同數據可在相同頻率下通過不同路徑同時傳輸，這一技術稱為MIMO。MIMO是“Multiple Input - Multiple Output”的縮略語，它指代一個過程，在該過程中，多部天線同時在發送和接收端使用。MIMO為頻率和時間范圍增加了第三個維度，即空間，這不會與天線分集混淆 (在WLAN技術開始時就使用)。

　　在天線分集中，任何情況下都只能使用最好的發送和接收天線。MIMO可在同一載波頻率上同時傳輸不同數據流。由于墻壁和天花板的反射，天線的發射會在接受器的多個天線上產生不同的信號強度和相位長度。可通過培訓了解特定的傳輸信道活動，原始數據可以使用數學過程，從單個天線接收的混合信號中恢復。因此，只有產生足夠的反射，MIMO才能發揮作用。提高多臺發射器和接收器的技術費用會使系統成本提高。802.11n標準有望在2005或2006年獲得批準。

無線技術—將把我們帶往何處？

　　在90年代，WLAN無線作為“superhet”設計，通過一個或幾個中頻就能提供盡可能高的選擇性和敏感性。但是，由于系統問題，它需要大量零散組件，卻很難集成?；蛘?，也可以選擇ZIF(零IF) 或VLIF (極低IF)方法，提供高度集成、優化成本的解決方案。

　　另一種方法也應運而生，它甚至適用于應用技術。在90年代，高頻應用的集成電路仍然使用雙極技術生產。集成水平較低，無線功能在電路板中占用非常大的面積?，F在，憑借RF-CMOS或Bi-CMOS技術，可以生產ZIF或VLIF的無線產品。兩種技術各有優缺點。RF-CMOS可在一個芯片上集成無線和邏輯，是最高水平集成的理想之選。Bi-CMOS有更好的高頻特性，并且系統運行所需的外圍設備較少。

　　憑借ZIF，接收信號直接在基帶中實施，不需要時間密集的中頻過濾器和混合器。然而，必須在一個頻率上對接受信號進行必要的整體增強，這使各層之間的絕緣變得更為重要。非優化布局在敏感度方面的風險是接收器的敏感度降低了，不能超過ZIF要求的芯片范圍。解調信號的波長和DC一樣小，因此，特別適合于CCK信號的接收，比如在802.11b中使用。但是，即使接收頻率的微小變化也能在調解信號中產生錯誤電壓，那么也就縮小了OFDM調制的波長（如在802.11a和802.11g中使用）。

　　VLIF接收器的工作原理迥然不同。接收信號不會直接轉換到基帶中，而是轉換到一個低很多的中頻（ZF）中。由于ZF較低，傳統過濾器不再是單獨模塊，而是作為集成電路的功能進行實施。為進行過濾和解調，人們選擇了數字信號處理方法，從而在數字電路中實現可重復的實施。VLIF接收器的傳輸具有高吞吐量特點，而對于CCK信號，這種優勢就不明顯了。然而，由于不存在直流電壓失調的問題，OFDM調制的動態范圍沒有受到限制，所以接收敏感度能達到最佳狀態。

　　在向數字世界轉換的過程中，兩種系統都有轉換器，它們將模擬電壓轉變成數字信號，或者進行相反的轉換。這些轉換器的特點，比如掃描速率、位數和線性，都是實施無線技術的重要因素，對整個無線系統質量的影響非常大。如果說在90年代，無線領域仍然是帶有許多平衡點的模擬技術一統天下，那么隨著數字技術的出現，許多模擬技術已轉換為數字技術。

　　ZIF和VLIF等接收器加強了集成，有助于降低生產成本。顯而易見，接收器和制造技術的選擇并非一個無足輕重的問題。每種設計都考慮到不同因素，以進行優化。從現在的觀點來看，包含VLIF和ZIF的接收器似乎特別適合于無線局域網的傳輸。

UWB—競爭與補充

　　超寬帶（UWB）是WLAN中經常提到的術語。原則上，這是一種運行在非常低的光譜密度中的調制技術（FCC極限是-41 dBm/MHz），但同時，它也分布在很廣的波長范圍內（范圍~從全頻范圍的500 MHz到3.1 to 10.6 GHz），因而能產生非常短的脈沖（100 ps 到 10 ns），直接傳輸到天線上。

　　這種調制經常與IEEE 802.15.3工作組制訂的標準混淆，IEEE 802.15.3標準的重點是媒體信息（語音和視頻）的傳輸，并將超寬頻帶視為可能的調制方式。作為個人網(PAN)，它專為較短距離的傳輸而設計，類似于藍牙技術。

　　提供802.11e QOS的WLAN實際上被視為802.15.3系統的競爭對手，兩種技術各有優缺點。一旦標準在2004年獲得通過，提供QOS的WLAN必能投入使用。由于雙方（帶寬OFDM和DS-CDMA）的僵持，802.15.3組已被暫停使用。

摘自　世界電子元器件

上一篇：WLAN的標準、安全及漫游

下一篇：下一代網絡軟交換技術