802.11n助力下一代無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)
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性能更高的WLAN
由于市場(chǎng)對性能更高的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的需求越來(lái)越大，電氣和電子工程師協(xié)會(huì )－標準協(xié)會(huì )（IEEE-SA）批準在2003年下半年成立IEEE 802.11任務(wù)組N（802.11 TGn）。TGn的目標是定義物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層（PHY/MAC）的改進(jìn)，從而在介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)（MAC SAP）至少提供100Mbps的速率（這是MAC的最高速率，詳見(jiàn)附表）。
要求至少達到這種速率意味著(zhù)，WLAN速率性能將比如今的802.11a/g網(wǎng)絡(luò )大約提高4倍。TGn要求WLAN性能邁上一個(gè)臺階，旨在改善用戶(hù)在使用現有WLAN應用時(shí)獲得的體驗，同時(shí)實(shí)現新的應用、創(chuàng )造新的市場(chǎng)。與此同時(shí)，通過(guò)與現有的IEEE WLAN遺留解決方案（802.11a/b/g）向后兼容，從而確保順利過(guò)渡。 Wi-Fi聯(lián)盟也對TGn開(kāi)展的802.11n工作表示了興趣。在Wi-Fi聯(lián)盟－高速率市場(chǎng)任務(wù)組的領(lǐng)導下，行業(yè)代表共同定義及發(fā)布了市場(chǎng)需求文檔（MRD）。Wi-Fi聯(lián)盟的MRD具體規定了性能方面的預期目標，將通過(guò)以下幾方面為最終用戶(hù)改善體驗: 提高速率、擴大傳輸范圍、增強抗干擾性、讓用戶(hù)可以更可靠地體驗整個(gè)基本服務(wù)集（BSS）。
實(shí)現下一代WLAN性能
探討提高WLAN性能時(shí)，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵方面。首先，為了提高物理層傳輸速率，需要改進(jìn)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。其次，必須開(kāi)發(fā)出新的機制，以便有效管理增強的物理層性能模式。第三，為了減小物理層報頭和無(wú)線(xiàn)電信號往返延遲對性能的影響，必須提高數據傳輸效率，不然它們就會(huì )減弱物理層傳輸速率提高帶來(lái)的性能提升效果。
與此同時(shí)，在設計實(shí)現高性能的新方法時(shí)，也需要與現有的802.11a/b/g遺留設備和諧共存。在為成本敏感的市場(chǎng)考慮有效的實(shí)施方案時(shí)，這些方面都需要加以解決。
提高物理層傳輸速率
提高無(wú)線(xiàn)系統的物理層傳輸速率的一個(gè)方法是，發(fā)射器和接收器都采用多個(gè)天線(xiàn)系統。這項技術(shù)被稱(chēng)為多輸入多輸出（MIMO），或者智能天線(xiàn)系統。MIMO充分利用了多個(gè)信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)介質(zhì)傳輸、多個(gè)信號從無(wú)線(xiàn)介質(zhì)接收的特點(diǎn)，從而提高無(wú)線(xiàn)性能。
MIMO具有許多優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)特別是可同時(shí)處理空間上不同的諸多信號。本文探討的兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是天線(xiàn)密度和空間復用。使用多根天線(xiàn)，MIMO技術(shù)就能夠利用空間不同的接收天線(xiàn)，從而解析來(lái)自多條信號路徑的信息。多徑信號是反射信號，它到達接收器要比原始信號或者視距信號收到遲一些。多徑信號通常被認為是干擾信號，會(huì )降低接收器收回智能信息的功能。MIMO有機會(huì )空間解析多徑信號，從而提高了天線(xiàn)密度，增強了接收器收回智能信息的能力。
MIMO技術(shù)有望帶來(lái)的另一個(gè)重要機會(huì )就是空分復用（SDM）。SDM可以對多個(gè)獨立數據流進(jìn)行空間多路傳輸，在同一頻譜信道里面進(jìn)行傳輸。MIMO SDM能大大提高數據速率，因為解析的空間數據流數量增加了。每個(gè)空間數據流需要在傳輸兩端都要有各自的一對發(fā)射/接收天線(xiàn)。MIMO技術(shù)需要每根MIMO天線(xiàn)都使用單獨的射頻鏈和模擬數字轉換器（ADC）。這就增加了復雜性，最終意味著(zhù)實(shí)施成本會(huì )更高，因為需要更高性能的系統。
可提高物理層傳輸速率的另一個(gè)重要工具就是頻譜帶寬更寬的信道。提高信道帶寬不是新概念。香農的容量等式[C = B log2 (1+SNR)] 清楚地表明: 如果考慮占用帶寬“B”的增加，理論容量極限“C”就會(huì )直接加大。
在實(shí)現性能的最大化時(shí)，使用更寬的信道帶寬及OFDM提供了顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。帶寬更寬的信道具有成本效益，而且易于實(shí)現， 只要適當增強數字信號處理（DSP）能力即可。如果實(shí)施得當，40MHz信道提供的可用信道帶寬是兩條802.11遺留信道的兩倍多。結合MIMO架構和帶寬更寬的信道創(chuàng )造了這種機會(huì ): 設計出非常有效又具有成本效益的方案，從而提高物理層傳輸速率。
只使用20MHz信道的MIMO方法需要較高的實(shí)施成本才能滿(mǎn)足TGn的要求: MAC SAP的速率至少達到100 Mbps。單單滿(mǎn)足IEEE TGn在20MHz信道方面的要求，發(fā)射器和接收器都至少需要三個(gè)天線(xiàn)模擬前端。同時(shí)，20MHz方法需要竭力確保用戶(hù)在使用要求實(shí)際環(huán)境具有更高速率的應用時(shí)獲得良好體驗。
為了可靠地滿(mǎn)足預計來(lái)自802.11n的更高速率要求，將需要MIMO技術(shù)和帶寬更寬的信道。保守地增加信道帶寬，加上MIMO技術(shù)的保守方法，將能夠獲得具有成本效益的解決方案，可滿(mǎn)足這類(lèi)需求。隨著(zhù)摩爾定律和CMOS工藝技術(shù)的進(jìn)步促使DSP功能增強，采用MIMO和40MHz信道的混合方法將使IEEE 802.11n技術(shù)能夠實(shí)現更高的性能。
IEEE 802.11n標準應當支持20MHz和40MHz信道，其中40MHz信道將是最寬的信道，由兩個(gè)鄰近、遺留的20MHz頻譜信道組成; 如果可用頻譜資源有限，就使用20MHz信道。
所有802.11n設備都應當支持40MHz。為了防止20MHz和40MHz高速率設備之間的信道寬度復用造成效率低下，就需要所有802.11n設備支持40MHz信道。這樣就能夠在802.11n網(wǎng)絡(luò )里面實(shí)現最高的性能。獲得預期性能所需的復雜的MIMO實(shí)施方法提高了成本，這給信道帶寬限制在20 MHz的環(huán)境增添了復雜性。
802.11n標準還要求使用空分復用（SDM）支持至少兩個(gè)MIMO空間數據流。明確規定支持至少兩個(gè)空間數據流，這可以提供可在高速率網(wǎng)絡(luò )有效地協(xié)同工作的架構設計。支持至少兩個(gè)空間數據流將需要實(shí)施的所有802.11n方案至少需要兩根發(fā)送天線(xiàn)。支持兩根以上的發(fā)送天線(xiàn)即兩個(gè)以上的空間數據流應當是可選的，由于實(shí)際原因，數量最多限制在四個(gè)。
可能需要實(shí)施高級特性，為需要最高性能的那些應用實(shí)現速率最大化。預計這些高級特性會(huì )在802.11n標準中得到指定，以確?；ゲ僮餍?。不過(guò)它們具有可選特性，只有在必要時(shí)才實(shí)施。其中包括以下特性: 兩根以上的發(fā)送天線(xiàn)、信道自適應波束成形和高級的前向糾錯（FEC）編碼方案。
管理物理層性能模式
在實(shí)現數據速率的最大化時(shí)，需要智能機制來(lái)管理物理層性能模式的選擇。雖然MAC層對提高物理層傳輸速率沒(méi)有直接影響，但它對有效優(yōu)化物理層性能模式的選擇會(huì )起到重要作用。
應當在物理層處理信道快速適應機制，不需要與MAC進(jìn)行通信。一旦開(kāi)始適應信道——及時(shí)地使用空中傳輸信號，MAC層就需要根據無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境來(lái)適應信道，并加以維持。這將包括負責選擇調制編碼方案、編碼速率、天線(xiàn)配置、信道帶寬和信道選擇，以便發(fā)射/接收關(guān)系的優(yōu)化可實(shí)現速率最大化。
提高傳輸效率
可實(shí)現傳輸效率最大化的新的MAC特性有望大大提高M(jìn)AC SAP的總速率。物理層報頭和無(wú)線(xiàn)電信號往返延遲會(huì )大大限制可以達到的速率。開(kāi)銷(xiāo)的降低與物理層有效載荷的提高不屬于同一個(gè)比率。實(shí)際上，物理層報頭需要更長(cháng)，才能支持前文所述的新的高級物理層模式。要知道: 報頭的長(cháng)度需要增加，但總的連接開(kāi)銷(xiāo)必須最小化。
新的聚合交換序列（aggregate exchange sequences）可以提供提高傳輸效率的一個(gè)重要方法。聚合交換是指，多個(gè)MAC協(xié)議數據單元（MPDU）聚合成一個(gè)物理層協(xié)議數據單元（PPDU）。聚合交換序列之所以成為可能，就是因為: 接到區塊確認請求（BAR）后，協(xié)議能夠用單一區塊確認（Block ACK）來(lái)確認多個(gè)MPDU。該協(xié)議實(shí)際上不需要為每個(gè)MPDU開(kāi)始新傳輸。如果試圖在不使用聚合的情況下使用現有的MAC協(xié)議，就需要500Mbps的物理層速率，這樣才能達到TGn的速率目標: MAC SAP至少為100 Mbps。
新的MAC機制帶來(lái)了其他機會(huì )，也可以雙向傳輸速率，無(wú)須開(kāi)始新傳輸。這種方法讓?xiě)鸱娇梢阅嫦蚓酆螹PDU，以應答發(fā)起站的傳輸。有些機制還有可能盡量縮短發(fā)起方和應答方間的往返時(shí)間，同時(shí)確保BSS里面的爭用保護機制。
為了更有效地傳輸數據、降低連接開(kāi)銷(xiāo)，就需要把來(lái)自一個(gè)信號源的多個(gè)MPDU組成的聚合PPDU傳輸到一個(gè)目的地。
聚合PPDU還能夠使用新的MPDU格式，把數據傳輸到多個(gè)目的地。這對IP語(yǔ)音傳輸（VoIP）這類(lèi)應用來(lái)說(shuō)很重要。這種方法可以為需要訪(fǎng)問(wèn)的許多站點(diǎn)提供很高的BSS容量，根據站點(diǎn)需求，每個(gè)站點(diǎn)擁有比較低的速率。
與802.11遺留設備共存
IEEE TGn要求802.11n與802.11a/b/g設備向后兼容。預計遺留的802.11b設備會(huì )和諧共存; 如果工作在同一波段和信道上，遺留的 802.11a/g設備將與802.11n設備協(xié)同工作。這意味著(zhù)802.11n需要支持20MHz信道，以實(shí)現向后兼容。
MAC將負責處理與現有的遺留802.11a/b/g設備進(jìn)行向后兼容。這將包括與進(jìn)入802.11n BSS的所有遺留設備（802.11a/b/g）和諧共存。MAC還將在相匹配的頻譜環(huán)境（譬如，2.4GHz ISM或者5.0GHz U-NII），提供與支持的調制方案（如OFDM）協(xié)同工作的功能。共存機制需要處理混合BSS環(huán)境中的信道帶寬不匹配問(wèn)題，并且確保: 802.11n和遺留的802.11a或者802.11g之間的低開(kāi)銷(xiāo)支持該混合模式操作。
作者：清水編譯
摘自：計算機世界報 2006年05月22日 第19期 B3
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