無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)——展望未來(lái)

標準的發(fā)展趨勢
符合802.11b標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)為市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展搭建了穩定的平臺。Wi-Fi標準可保證不同廠(chǎng)商產(chǎn)品的互操作性，從而確保最終消費者投資的安全。隨著(zhù)與802.11b同在2.4 GHz帶寬上運行的更新802.11g網(wǎng)絡(luò )的推出，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )得到進(jìn)一步發(fā)展。它既能支持更高速率(最大54 Mb/s)，又具有向下兼容的特性。此外，消費者也可以選擇在5 GHz頻段上以相同的速率運行802.11a系統。然而，在歐洲，這種選擇受到一些管制規則的限制(見(jiàn)802.11h部分)。目前，支持兩種頻率的系統正在競相投放市場(chǎng)，它們被稱(chēng)作“多?！?、“combo”或“802.11a/b/g”等。Wi-Fi聯(lián)盟正在對這些速度更快的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型的互操作性進(jìn)行測試。但迄今為止，還沒(méi)有任何WLAN可以保證能達到傳輸話(huà)音和視頻流的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題, 802.11e標準已經(jīng)被提出來(lái)了，雖然還沒(méi)有得到最后通過(guò)，但當時(shí)標準的提出使基于802.11/Wi-Fi的業(yè)務(wù)、服務(wù)質(zhì)量得到了飛躍。不過(guò)還是有一些額外的需求被提出來(lái)，比如說(shuō)在移動(dòng)的設備上進(jìn)行基于音頻和視頻的娛樂(lè )活動(dòng)。所以盡管近些年基于802.11業(yè)務(wù)的能力和性能得到迅猛發(fā)展，但是目前的情況只是在更新更強業(yè)務(wù)提供出來(lái)前的一瞬間，這種更新更強的標準就是802.11n， 這種標準基于增強的射頻技術(shù)， 能夠提供更高的帶寬，增強的糾錯性能和流量管理特性。

服務(wù)質(zhì)量—802.11e
WLAN網(wǎng)絡(luò )符合CSMA機制，與人們熟悉的以太網(wǎng)類(lèi)似，它也根據突發(fā)式訪(fǎng)問(wèn)機制(在本文中通常稱(chēng)為“盡力而為”)傳輸數據。由于特定的傳輸頻率在某個(gè)地點(diǎn)和時(shí)間只能由一個(gè)站點(diǎn)連續使用，因而我們使用CSMA機制盡可能公平地為網(wǎng)絡(luò )上的所有服務(wù)器服務(wù)。在很長(cháng)一段時(shí)間內，每個(gè)站點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收到的數據量總體而言是相同的，但隨著(zhù)時(shí)間推移，我們并不能保證數據容量，也不能保證它們在短時(shí)間內可以得到平等分配。在原來(lái)的802.11標準中，它被稱(chēng)為分布式協(xié)調功能(DCF)，也稱(chēng)為點(diǎn)協(xié)調功能(PCF)，后者鮮為人知，因為它從來(lái)沒(méi)有實(shí)施過(guò)。在PCF中，WLAN的接入點(diǎn)(AP)可以設定固定的時(shí)間階段，此階段DCF功能被關(guān)閉，即所謂的無(wú)競爭階段(CFP)。在這段時(shí)間內，屬于DCF區域的站點(diǎn)被要求保持靜默或者不激活狀態(tài)，而AP則輪詢(xún)屬于PCF區域的站點(diǎn)，從而提供一種“準服務(wù)質(zhì)量”。然而，PCF雖然具有固有的QoS能力，但還是存在一些不足，所以從未得到正式應用。
802.11e的QoS標準目前仍在制訂過(guò)程中，它在QoS的管理上有了長(cháng)足的進(jìn)步，使得推廣類(lèi)似Voice over 802.11的業(yè)務(wù)成為現實(shí)。但是在802.11e的規范中仍然需要包括或增強相應特性，從而保證“無(wú)線(xiàn)娛樂(lè )”這樣多媒體流業(yè)務(wù)能夠得到象有線(xiàn)傳輸一樣的質(zhì)量。802.11e為網(wǎng)絡(luò )站點(diǎn)創(chuàng )建分配帶寬的機制，并為物理介質(zhì)(如果媒介無(wú)法再傳輸數據，例如嚴重干擾，將不能保證數據速率。因而這些保證只針對“已在運行的媒介”)中可能發(fā)生的意外情況提供時(shí)間保證。該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(chēng)為無(wú)線(xiàn)多媒體擴展(WME)，而在標準中又被稱(chēng)為擴展數據信道訪(fǎng)問(wèn)(EDCA)，它可實(shí)現不同數據流的優(yōu)先權分配。為此，每個(gè)站點(diǎn)和AP可以實(shí)現最多4種類(lèi)別(背景、盡力而為、視頻、音頻)，根據802.1d區分優(yōu)先級的數據包將被映射到訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)別。QoS的實(shí)現如圖1所示。
為執行該功能，每個(gè)站點(diǎn)的傳輸終端具有相應的4個(gè)等候隊列，發(fā)送到傳輸終端的數據包可以進(jìn)行分類(lèi)。此外，每個(gè)站點(diǎn)的規則是：清空優(yōu)先級較高的隊列，然后處理優(yōu)先級較低的隊列。作為標準類(lèi)別，“盡力而為”業(yè)務(wù)可與DCF進(jìn)行協(xié)調。背景數據流的優(yōu)先級最低，只有在網(wǎng)絡(luò )允許時(shí)才被傳輸。顧名思義，視頻和音頻就是傳輸圖像和話(huà)音，此時(shí)應該考慮到它們對網(wǎng)絡(luò )的特定需求。因為網(wǎng)絡(luò )的需要，這時(shí)站點(diǎn)不能象以往那樣，只為一個(gè)數據包占用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，而是為一個(gè)系列的數據包 (在此定義TXOP為傳輸機會(huì ))，這對視頻系列尤為有利。但必須注意的是，EDCA過(guò)程也稱(chēng)作參數化的服務(wù)質(zhì)量控制，是一種統計學(xué)上的優(yōu)先權分配方法。從長(cháng)期來(lái)看，具有更高優(yōu)先級的數據流仍然會(huì )被分配給更多的帶寬。就短時(shí)間間隔來(lái)說(shuō)，低優(yōu)先級數據流的速率也可能比中優(yōu)先級數據流的速率快。EDCA無(wú)法為嚴格的同步數據流或實(shí)時(shí)應用提供足夠的安全性。
802.11e中的第二個(gè)訪(fǎng)問(wèn)程序是混合控制信道訪(fǎng)問(wèn)(HCCA)，它實(shí)施真正的輪詢(xún)。為此，可在A(yíng)P上安裝控制裝置(HC為混合控制器)，負責輪詢(xún)(有趣的是，標準沒(méi)有說(shuō)明如何實(shí)施HC)的管理。該站點(diǎn)接收8個(gè)出口隊列，它們根據需求將數據分配到隊列中，以進(jìn)行傳輸。所有等候隊列必須通過(guò)所謂的流量規范(TSPEC)注冊到AP。該TSPEC包含了站點(diǎn)對等候隊列的“期望要求”(最小和最大的服務(wù)間隔，最小的TXOP期限)。AP將返回一個(gè)所謂的日程表，其中包含等候隊列的實(shí)際分配。這意味著(zhù)它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已經(jīng)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負責通過(guò)輪詢(xún)處理各個(gè)站點(diǎn)排隊。由于HCCA具有絕對的優(yōu)先權，高于EDCA，因而HC實(shí)際上能夠在任何時(shí)候進(jìn)行控制，通過(guò)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被掛起，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：擴展的節能機制、更強的同步程序、攔阻認可，以及繞過(guò)AP在站點(diǎn)之間直接交換的“直接鏈路”。該標準已經(jīng)出臺了第四個(gè)草案，可能會(huì )在2004年中期通過(guò)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(cháng)范圍。
802.11a 技術(shù)在美國使用比較普遍，發(fā)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(shí)，才允許以較低的帶寬(5.15~5.35 GHz)支持200mW輸出，以高帶寬(5.47~5.725 GHz)支持1 W的輸出，而且只有以下兩個(gè)802.11h標準的重要原理被支持時(shí)才能使用現有的所有信道。
?動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)。網(wǎng)絡(luò )(即AP和相關(guān)站點(diǎn))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(kāi)雷達和衛星的傳輸。通過(guò)這種方式，也可以避免其它WLAN，最高效地利用波長(cháng)。
?傳輸電源控制(TPC)。 所有通信合作伙伴的發(fā)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，在德國REGTP則只允許使用5.15~5.25 GHz，最大的發(fā)射輸出可達30 mW。
802.11h標準對大量新數據包類(lèi)型和信息領(lǐng)域進(jìn)行了規定，站點(diǎn)和AP可與它們交換有關(guān)發(fā)射輸出和頻率選擇的信息。在連接階段，當站點(diǎn)和AP熟悉時(shí)，兩者的“能力”就能相互協(xié)調。在此，如果發(fā)現站點(diǎn)違反本地規定(比如發(fā)射輸出過(guò)高，頻率支持不匹配)時(shí)，AP就可以拒絕該站點(diǎn)。如果本地法規允許，在某些情況下，也可接受不支持802.11h的傳統站點(diǎn)。
這一任務(wù)看似簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)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(dòng)和當前運行時(shí))。這種情況下使用的標準是ETSI EN 301893。規定的測試脈沖是2~60(符合802.11h的 WLAN啟動(dòng)被延遲，至少目前尚未應用)，脈沖寬度是5~210 ms。脈沖識別的閾值是-64 dBm，也就是WLAN可運行的波長(cháng)。為進(jìn)行有效的測量，AP可能暫時(shí)關(guān)閉WLAN(靜態(tài))，提示相關(guān)站點(diǎn)執行它們各自的測試標準，然后把測試結果轉發(fā)給AP。如果雷達識別結果為正，則目前頻率上的運行會(huì )被中止，并且尋找其它“空”頻率。放棄的頻率隨后會(huì )堵塞30分鐘，系統不會(huì )考慮更多的DFS活動(dòng)。實(shí)施DFS的訣竅是：將這些過(guò)程集成到數據包傳輸中，使用戶(hù)不會(huì )注意。
在當前的運行中，TPC機制負責動(dòng)態(tài)調整相關(guān)AP站的發(fā)射輸出，以控制無(wú)線(xiàn)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(méi)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(gè)問(wèn)題。

高吞吐量的WLAN (802.11n)
最近，許多基于IEEE 802.11的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品競相進(jìn)入市場(chǎng)，達到最快54 Mbit/s的數據速率。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(guò)100 Mbit/s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54 Mbit/s。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/s。新的802.11n標準旨在提高效率，并試圖通過(guò)增加物理層數據信道的使用來(lái)提高速度?，F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(gè)64正交振幅調制(QAM)。在此期間，6bit數據同時(shí)在一個(gè)載波上調制?？梢詫⒃摂抵翟黾拥?56 QAM，每個(gè)載波調制8bit，將20MHz信道上的數據速率增加到72 Mbit/s。調制間隔的繼續減小是個(gè)極為不利的因素，因為接收者需要更好地接收信號，才能區別256個(gè)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(guò)合并或擴展這個(gè)規模，可增加調制頻率，從而提高數據吞吐量。但這會(huì )使本來(lái)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(guò)不同路徑同時(shí)傳輸，這一技術(shù)稱(chēng)為MIMO(Multiple Input - Multiple Output)，它指代一個(gè)過(guò)程(Agere于2002年10月在埃因霍芬大學(xué)展示了MIMO，速率為162Mb/s)，在該過(guò)程中，多部天線(xiàn)同時(shí)在發(fā)送和接收端使用。MIMO為頻率和時(shí)間范圍增加了第三個(gè)維度，即空間，這不會(huì )與天線(xiàn)分集混淆 (在WLAN技術(shù)開(kāi)始時(shí)就使用)。在天線(xiàn)分集中，任何情況下都只能使用最好的發(fā)送和接收天線(xiàn)。MIMO可在同一載波頻率上同時(shí)傳輸不同數據流。由于墻壁和天花板的反射，天線(xiàn)的發(fā)射會(huì )在接收器的多個(gè)天線(xiàn)上產(chǎn)生不同的信號強度和相位長(cháng)度。原始數據可以使用數學(xué)過(guò)程，從單個(gè)天線(xiàn)接收的混合信號中恢復。因此，只有產(chǎn)生足夠的反射，MIMO才能發(fā)揮作用。提高多臺發(fā)射器和接收器的技術(shù)費用會(huì )使系統成本提高。802.11n標準有望在2005或2006年獲得批準。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)—將把我們帶往何處
在90年代，WLAN作為superhet設計，通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)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(wèn)題，它需要大量零散組件，卻很難集成。作為選擇，我們可以利用ZIF(零中頻)或VLIF(極低中頻)方法，來(lái)提供高度集成、優(yōu)化成本的解決方案。這就使另一種方法應運而生，它甚至適用于應用技術(shù)。在90年代，高頻應用的集成電路仍然使用雙極技術(shù)生產(chǎn)。集成水平較低，無(wú)線(xiàn)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(shù)，我們可以生產(chǎn)ZIF或VLIF的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。RF-CMOS可在一個(gè)芯片上集成無(wú)線(xiàn)和邏輯，是最高水平集成的理想之選。而B(niǎo)i-CMOS則有更好的高頻特性，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(shí)施，不需要時(shí)間密集的中頻過(guò)濾器和混合器。然而，必須在一個(gè)頻率上對接收信號進(jìn)行必要的整體放大，這使各層之間的絕緣變得更為重要。非優(yōu)化布局在敏感度方面的風(fēng)險是接收器的敏感度降低了，不能超過(guò)ZIF要求的芯片范圍。解調信號的波長(cháng)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(chǎn)生錯誤電壓，那么也就縮小了OFDM調制的波長(cháng)(如在802.11a和802.11g中使用)。
VLIF接收器的工作原理與ZIF迥然不同。接收信號不會(huì )直接轉換到基帶中，而是轉換到一個(gè)非常低的中頻 (ZF)中。由于ZF較低，傳統過(guò)濾器不再是單獨模塊，而是作為集成電路的功能進(jìn)行實(shí)施。為進(jìn)行過(guò)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(shí)現可重復的實(shí)施。VLIF接收器的傳輸具有高吞吐量特點(diǎn)，而對于CCK信號，這種優(yōu)勢就不明顯了。然而，由于不存在直流電壓失調的問(wèn)題，OFDM調制的動(dòng)態(tài)范圍沒(méi)有受到限制，所以接收敏感度能達到最佳狀態(tài)。
兩種系統都有DAC或ADC，這些轉換器的特點(diǎn)，比如掃描速率、位數和線(xiàn)性，都是實(shí)施無(wú)線(xiàn)技術(shù)的重要因素，對整個(gè)無(wú)線(xiàn)系統質(zhì)量的影響非常大。如果說(shuō)在90年代，無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域仍然是帶有許多平衡點(diǎn)的模擬技術(shù)一統天下，那么隨著(zhù)數字技術(shù)的出現，許多模擬技術(shù)已轉換為數字技術(shù)。
ZIF和VLIF等接收器加強了集成，有助于降低生產(chǎn)成本。顯而易見(jiàn)，接收器和制造技術(shù)的選擇并非一個(gè)無(wú)足輕重的問(wèn)題。每種設計都考慮到不同因素，以進(jìn)行優(yōu)化。從現在的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，包含VLIF和ZIF的接收器似乎特別適合于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的傳輸。

UWB—競爭和補充
超寬帶是WLAN中經(jīng)常提到的術(shù)語(yǔ)。原則上，這是一種運行在非常低的光譜密度中的調制技術(shù)(FCC極限是-41 dBm/MHz)，但同時(shí)，它也分布在很廣的波長(cháng)范圍內(波長(cháng)范圍為FCC3.1~10.6GHz內的500MHz)，因而能產(chǎn)生非常短的脈沖(100ps~10ns)，直接傳輸到天線(xiàn)上。
這種調制經(jīng)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(diǎn)是媒體信息(話(huà)音和視頻)的傳輸，并將超寬帶視為可能的調制方式。作為個(gè)人網(wǎng)(PAN)，它專(zhuān)為較短距離的傳輸而設計，類(lèi)似于藍牙技術(shù)。
提供802.11e QoS的WLAN實(shí)際上被視為802.15.3系統的競爭對手，兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。一旦標準獲得通過(guò)，提供QoS的WLAN必能投入使用。由于雙方(寬帶OFDM和DS-CDMA)的僵持，802.15.3組已被暫停使用?！?/P>