頻段交錯技術(shù)加快向下一代WLAN演進(jìn)
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今天的802.11b/g WLAN (無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))因為信道過(guò)于擁擠而正在快速耗盡所有的容量；雖然頻率更高的802.11a WLAN能夠提供更大的信道容量，但是將現有系統升級成雙頻接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )系統卻需要運營(yíng)商為此支付巨額資本?，F在，新出現的一種叫做頻段交錯的技術(shù)能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題，而且成本十分低廉。
iSuppli等市場(chǎng)調研公司估計，2004年出產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口超過(guò)8000萬(wàn)個(gè)，到2008年之前，這個(gè)數字將攀升到每年2億個(gè)。但是，這種極高的普及度將會(huì )引起信道擁擠，因為基于802.11b/g 標準的第一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供給用戶(hù)的信道數量十分有限。
WLAN是通過(guò)連到接入端口的無(wú)線(xiàn)電鏈路，把客戶(hù)機節點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò )，802.11標準為這些鏈路定義了若干個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，802.11b標準規定了11個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，原始數據傳輸速率11 Mbps；802.11g標準將這一數據速率提高到54 Mbps。在這兩種情況下，可用信道在頻率上都會(huì )重疊交錯，導致網(wǎng)絡(luò )覆蓋的服務(wù)區只有三條非重疊的信道可以使用，結果這個(gè)服務(wù)區的用戶(hù)只能共享這三條信道的數據帶寬。這三條信道還會(huì )受到其它無(wú)線(xiàn)電信號源的干擾，因為802.11b/g WLAN標準采用了擁擠的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)電頻段，這個(gè)頻段還被用于各種應用，其中包括藍牙無(wú)線(xiàn)連接、無(wú)線(xiàn)電話(huà)機甚至微波爐，這些應用在這個(gè)頻段產(chǎn)生的干擾可能會(huì )進(jìn)一步限制WLAN用戶(hù)的可用帶寬。
在已知的WLAN范圍內只有很少的用戶(hù)時(shí)，這些限制還不算是一個(gè)問(wèn)題。但是，隨著(zhù)在某一個(gè)服務(wù)區的用戶(hù)的數量不斷增加，用戶(hù)的可用信道容量就開(kāi)始下降。隨著(zhù)用戶(hù)對帶寬需求的提高，WLAN這種擁擠性開(kāi)始顯現出來(lái)。如果過(guò)去WLAN只是用于滿(mǎn)足間歇性網(wǎng)絡(luò )瀏覽的需求，而現在則必須在家庭網(wǎng)絡(luò )上連續幾個(gè)小時(shí)高速傳送大量的多媒體數據，視頻流和媒體流等新的應用提高了每個(gè)用戶(hù)的平均帶寬需求量。
802.11a網(wǎng)絡(luò )大大提高了可用帶寬
為了解決這些問(wèn)題，用戶(hù)必須轉向IEEE 802.11a標準定義的下一代WLAN。這個(gè)標準要求在5 GHz頻段建立無(wú)線(xiàn)電信令系統，允許在一個(gè)給定的服務(wù)區內最多有8個(gè)非重疊信道。盡管每個(gè)信道的數據容量與802.11g標準WLAN相同，但是每個(gè)用戶(hù)的可用帶寬卻提高了兩倍。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，使用5 GHz頻段的其他服務(wù)種類(lèi)數量很少，只有雷達和衛星等服務(wù)，它們不會(huì )對普通的WLAN用戶(hù)產(chǎn)生干擾。
把客戶(hù)機節點(diǎn)升級到802.11a標準，同時(shí)兼容現有的802.11b/g標準相對來(lái)說(shuō)比較容易，用戶(hù)只需安裝一個(gè)雙頻通信設備即可。當雙頻設備想要把用戶(hù)連接到WLAN時(shí)，它只掃描無(wú)線(xiàn)電頻譜，確定哪個(gè)頻率正在使用中，然后將射頻切換到相應的頻率即可。
不幸的是，網(wǎng)絡(luò )升級不是件容易的事情?？蛻?hù)機節點(diǎn)可以選擇要使用的頻段，所以它兼容兩種網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型中的任何一種。然而，如果網(wǎng)絡(luò )同時(shí)兼容以前的2.4 GHz 和新的 5 GHz，網(wǎng)絡(luò )的接入點(diǎn)則必須能夠在雙頻段內同時(shí)通信。
雙頻接入點(diǎn)成本昂貴
這種雙頻接入節點(diǎn)如圖1所示，雙頻接入節點(diǎn)的實(shí)現成本相對較昂貴，這是因為它們必須集成兩個(gè)獨立的射頻電路，而射頻電路又是節點(diǎn)中成本最昂貴的元件之一。處理數據流量的CPU的成本也會(huì )增加，因為它必須處理兩個(gè)同步數據流。所以，與單頻設備相比，雙頻接入節點(diǎn)通常需要一個(gè)處理速度更快的CPU，結果雙信道方法比單頻方法提高接入節點(diǎn)的成本近一倍，典型材料單（bill of materials）的成本至少增加了20美元，這一成本負擔阻礙了網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商采用802.11a標準的步伐。
意法半導體（STMicroelectronics）公司率先推出了另一個(gè)可以選擇的解決方案，這個(gè)新方案叫做頻段交錯技術(shù)，它幾乎可以免去這一成本負擔。采用頻段交錯技術(shù)的接入點(diǎn)在兩個(gè)頻段之間交替工作，而不是同時(shí)工作在兩個(gè)頻段內。采用一個(gè)“零中頻”無(wú)線(xiàn)電設計，頻段交錯方案允許兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段共用從頻率合成器直至上變頻混頻器的所有元件。共享元件使射頻設計占用的芯片面積僅僅稍大于1mm2，使雙頻射頻的成本比單頻略高一點(diǎn)，從而使采用頻段交錯方案的雙頻接入節點(diǎn)比普通的單頻接入節點(diǎn)的成本僅略高一些，典型設計的材料單成本只增加了不到5美元。
頻段交錯對于用戶(hù)是透明的，它使用現有的協(xié)議管理獨立的雙頻段信道，所以用戶(hù)節點(diǎn)無(wú)需安裝特殊的軟件。當接入節點(diǎn)與客戶(hù)機節點(diǎn)不在同一個(gè)頻段信道時(shí)，頻段交錯方法禁止客戶(hù)機節點(diǎn)試圖發(fā)射信號。頻段交錯技術(shù)使用頻段轉換速度十分快（不到20ms）的射頻芯片，而且轉換對于TCP和802.11信令協(xié)議是隱蔽的。
頻段交錯方案通過(guò)管理兩個(gè)頻道之間的交替轉換來(lái)確保數據傳輸的透明性。這樣，信道不會(huì )顯得只得到半個(gè)預期帶寬。管理頻率交替操作有兩種方法，其中一種是靜態(tài)方法：接入點(diǎn)在每個(gè)頻率上工作固定間隔。另一種是動(dòng)態(tài)方法：接入點(diǎn)根據某一時(shí)刻頻段內的數據流量給每個(gè)頻段分配時(shí)間。頻段交錯方案在每個(gè)頻段使用動(dòng)態(tài)時(shí)間分配方法，以最大限度提高帶寬的利用率。
競爭協(xié)議是共享的關(guān)鍵
實(shí)現這一透明水平的關(guān)鍵是以創(chuàng )新的方式利用802.11競爭協(xié)議，這個(gè)協(xié)議規定在發(fā)送數據前節點(diǎn)要檢查信道的數據流量。如果一個(gè)節點(diǎn)檢查到數據流量，它就會(huì )等候直到信道發(fā)送請求被清除時(shí)才會(huì )嘗試發(fā)送數據。兩個(gè)節點(diǎn)如果同時(shí)發(fā)送數據，就會(huì )檢查到?jīng)_突，然后撤消發(fā)送請求，稍后再?lài)L試發(fā)送操作。
為了防止沖突重復發(fā)生，節點(diǎn)中含有一個(gè)可以按照固定速率遞減的計數器。當計數器含有一個(gè)非零數時(shí)，節點(diǎn)就不能發(fā)送數據。當兩個(gè)節點(diǎn)沖突時(shí)，計數器內就會(huì )增加一個(gè)隨機數，以降低下次嘗試發(fā)送數據時(shí)兩個(gè)節點(diǎn)沖突的可能性。網(wǎng)絡(luò )控制器還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分配矢量（NAV）來(lái)設置計數器，以確保某些節點(diǎn)享有優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò )的權限。
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