無線局域網(wǎng)——展望未來

標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)
符合802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)為市場(chǎng)上無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展搭建了穩(wěn)定的平臺(tái)。Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)可保證不同廠商產(chǎn)品的互操作性，從而確保最終消費(fèi)者投資的安全。隨著與802.11b同在2.4 GHz帶寬上運(yùn)行的更新802.11g網(wǎng)絡(luò)的推出，無線網(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(fèi)者也可以選擇在5 GHz頻段上以相同的速率運(yùn)行802.11a系統(tǒng)。然而，在歐洲，這種選擇受到一些管制規(guī)則的限制(見802.11h部分)。目前，支持兩種頻率的系統(tǒng)正在競(jìng)相投放市場(chǎng)，它們被稱作“多?！?、“combo”或“802.11a/b/g”等。Wi-Fi聯(lián)盟正在對(duì)這些速度更快的網(wǎng)絡(luò)類型的互操作性進(jìn)行測(cè)試。但迄今為止，還沒有任何WLAN可以保證能達(dá)到傳輸話音和視頻流的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求。為了解決這個(gè)問題, 802.11e標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被提出來了，雖然還沒有得到最后通過，但當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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。不過還是有一些額外的需求被提出來，比如說在移動(dòng)的設(shè)備上進(jìn)行基于音頻和視頻的娛樂活動(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(qiáng)業(yè)務(wù)提供出來前的一瞬間，這種更新更強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)就是802.11n， 這種標(biāo)準(zhǔn)基于增強(qiáng)的射頻技術(shù)， 能夠提供更高的帶寬，增強(qiáng)的糾錯(cuò)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(jī)制，與人們熟悉的以太網(wǎng)類似，它也根據(jù)突發(fā)式訪問機(jī)制(在本文中通常稱為“盡力而為”)傳輸數(shù)據(jù)。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(xù)使用，因而我們使用CSMA機(jī)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，每個(gè)站點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)量總體而言是相同的，但隨著時(shí)間推移，我們并不能保證數(shù)據(jù)容量，也不能保證它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)可以得到平等分配。在原來的802.11標(biāo)準(zhǔn)中，它被稱為分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)，也稱為點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)，后者鮮為人知，因?yàn)樗鼜膩頉]有實(shí)施過。在PCF中，WLAN的接入點(diǎn)(AP)可以設(shè)定固定的時(shí)間階段，此階段DCF功能被關(guān)閉，即所謂的無競(jìng)爭(zhēng)階段(CFP)。在這段時(shí)間內(nèi)，屬于DCF區(qū)域的站點(diǎn)被要求保持靜默或者不激活狀態(tài)，而AP則輪詢屬于PCF區(qū)域的站點(diǎn)，從而提供一種“準(zhǔn)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(yīng)用。
802.11e的QoS標(biāo)準(zhǔn)目前仍在制訂過程中，它在QoS的管理上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使得推廣類似Voice over 802.11的業(yè)務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。但是在802.11e的規(guī)范中仍然需要包括或增強(qiáng)相應(yīng)特性，從而保證“無線娛樂”這樣多媒體流業(yè)務(wù)能夠得到象有線傳輸一樣的質(zhì)量。802.11e為網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)創(chuàng)建分配帶寬的機(jī)制，并為物理介質(zhì)(如果媒介無法再傳輸數(shù)據(jù)，例如嚴(yán)重干擾，將不能保證數(shù)據(jù)速率。因而這些保證只針對(duì)“已在運(yùn)行的媒介”)中可能發(fā)生的意外情況提供時(shí)間保證。該標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種機(jī)制，既可單獨(dú)使用，也可結(jié)合使用。這種功能稱為無線多媒體擴(kuò)展(WME)，而在標(biāo)準(zhǔn)中又被稱為擴(kuò)展數(shù)據(jù)信道訪問(EDCA)，它可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)流的優(yōu)先權(quán)分配。為此，每個(gè)站點(diǎn)和AP可以實(shí)現(xiàn)最多4種類別(背景、盡力而為、視頻、音頻)，根據(jù)802.1d區(qū)分優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包將被映射到訪問類別。QoS的實(shí)現(xiàn)如圖1所示。
為執(zhí)行該功能，每個(gè)站點(diǎn)的傳輸終端具有相應(yīng)的4個(gè)等候隊(duì)列，發(fā)送到傳輸終端的數(shù)據(jù)包可以進(jìn)行分類。此外，每個(gè)站點(diǎn)的規(guī)則是：清空優(yōu)先級(jí)較高的隊(duì)列，然后處理優(yōu)先級(jí)較低的隊(duì)列。作為標(biāo)準(zhǔn)類別，“盡力而為”業(yè)務(wù)可與DCF進(jìn)行協(xié)調(diào)。背景數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)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音，此時(shí)應(yīng)該考慮到它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的特定需求。因?yàn)榫W(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(shù)據(jù)包占用無線網(wǎng)絡(luò)，而是為一個(gè)系列的數(shù)據(jù)包 (在此定義TXOP為傳輸機(jī)會(huì))，這對(duì)視頻系列尤為有利。但必須注意的是，EDCA過程也稱作參數(shù)化的服務(wù)質(zhì)量控制，是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)上的優(yōu)先權(quán)分配方法。從長(zhǎng)期來看，具有更高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流仍然會(huì)被分配給更多的帶寬。就短時(shí)間間隔來說，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的速率也可能比中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的速率快。EDCA無法為嚴(yán)格的同步數(shù)據(jù)流或?qū)崟r(shí)應(yīng)用提供足夠的安全性。
802.11e中的第二個(gè)訪問程序是混合控制信道訪問(HCCA)，它實(shí)施真正的輪詢。為此，可在AP上安裝控制裝置(HC為混合控制器)，負(fù)責(zé)輪詢(有趣的是，標(biāo)準(zhǔn)沒有說明如何實(shí)施HC)的管理。該站點(diǎn)接收8個(gè)出口隊(duì)列，它們根據(jù)需求將數(shù)據(jù)分配到隊(duì)列中，以進(jìn)行傳輸。所有等候隊(duì)列必須通過所謂的流量規(guī)范(TSPEC)注冊(cè)到AP。該TSPEC包含了站點(diǎn)對(duì)等候隊(duì)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(duì)列的實(shí)際分配。這意味著它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已經(jīng)超負(fù)荷，不能再處理更多數(shù)據(jù)流，這種要求甚至可能遭到完全拒絕?，F(xiàn)在，HC負(fù)責(zé)通過輪詢處理各個(gè)站點(diǎn)排隊(duì)。由于HCCA具有絕對(duì)的優(yōu)先權(quán)，高于EDCA，因而HC實(shí)際上能夠在任何時(shí)候進(jìn)行控制，通過適當(dāng)方式處理要求嚴(yán)格(包括數(shù)據(jù)速率和同步性要求)的數(shù)據(jù)流。在此期間，EDCA被掛起，未處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。
除上述兩種主要機(jī)制外，802.11e還提供以下特性：擴(kuò)展的節(jié)能機(jī)制、更強(qiáng)的同步程序、攔阻認(rèn)可，以及繞過AP在站點(diǎn)之間直接交換的“直接鏈路”。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)了第四個(gè)草案，可能會(huì)在2004年中期通過審批。

5GHz在歐洲—802.11h
在世界各地，根據(jù)802.11a標(biāo)準(zhǔn)， 5GHz組件必須適應(yīng)不同的波長(zhǎng)范圍。
802.11a 技術(shù)在美國(guó)使用比較普遍，發(fā)射輸出一般為200mW或更高(達(dá)到1 W)，采用美國(guó)現(xiàn)有的全頻范圍。但是，在歐洲，只有在支持802.11h標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的重要原理被支持時(shí)才能使用現(xiàn)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(jù)目前的頻譜情況，自行選擇頻率。如果必要，可以改變當(dāng)前使用的頻譜，以避開雷達(dá)和衛(wèi)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(zhǎng)。
?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(dāng)前要求。在德國(guó)，規(guī)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(guó)REGTP則只允許使用5.15~5.25 GHz，最大的發(fā)射輸出可達(dá)30 mW。
802.11h標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大量新數(shù)據(jù)包類型和信息領(lǐng)域進(jìn)行了規(guī)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(dāng)站點(diǎn)和AP熟悉時(shí)，兩者的“能力”就能相互協(xié)調(diào)。在此，如果發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)違反本地規(guī)定(比如發(fā)射輸出過高，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(guī)允許，在某些情況下，也可接受不支持802.11h的傳統(tǒng)站點(diǎn)。
這一任務(wù)看似簡(jiǎn)單，實(shí)施起來卻頗為不易。DFS機(jī)制必須檢查雷達(dá)信號(hào)能否被識(shí)別(在系統(tǒng)啟動(dòng)和當(dāng)前運(yùn)行時(shí))。這種情況下使用的標(biāo)準(zhǔn)是ETSI EN 301893。規(guī)定的測(cè)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(yīng)用)，脈沖寬度是5~210 ms。脈沖識(shí)別的閾值是-64 dBm，也就是WLAN可運(yùn)行的波長(zhǎng)。為進(jìn)行有效的測(cè)量，AP可能暫時(shí)關(guān)閉WLAN(靜態(tài))，提示相關(guān)站點(diǎn)執(zhí)行它們各自的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，然后把測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給AP。如果雷達(dá)識(shí)別結(jié)果為正，則目前頻率上的運(yùn)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(tǒng)不會(huì)考慮更多的DFS活動(dòng)。實(shí)施DFS的訣竅是：將這些過程集成到數(shù)據(jù)包傳輸中，使用戶不會(huì)注意。
在當(dāng)前的運(yùn)行中，TPC機(jī)制負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)AP站的發(fā)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(dá)到這一目標(biāo)，它將交換所謂的TPC請(qǐng)求和報(bào)告數(shù)據(jù)包，從而確定連接水平。但遺憾的是，標(biāo)準(zhǔn)沒有明確規(guī)定：在這種情況下，必須應(yīng)用哪種標(biāo)準(zhǔn)和方法，對(duì)于制造商而言這也是一個(gè)問題。

高吞吐量的WLAN (802.11n)
最近，許多基于IEEE 802.11的無線產(chǎn)品競(jìng)相進(jìn)入市場(chǎng)，達(dá)到最快54 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。然而，高清晰度視頻傳輸、家庭影院等全新應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)速率卻有更高的要求。針對(duì)這一情況，IEEE成立了“n”工作組，負(fù)責(zé)制訂支持超過100 Mbit/s數(shù)據(jù)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于802.11a和 802.11g，物理層上的數(shù)據(jù)速率是54 Mbit/s。由于系統(tǒng)的消耗，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)上傳輸?shù)恼嬲俣?數(shù)據(jù)吞吐量)只有30 Mbit/s。新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)旨在提高效率，并試圖通過增加物理層數(shù)據(jù)信道的使用來提高速度?，F(xiàn)有三種提高數(shù)據(jù)速率的方法：
?調(diào)制擴(kuò)展。802.11a和802.11g標(biāo)準(zhǔn)最多使用一個(gè)64正交振幅調(diào)制(QAM)。在此期間，6bit數(shù)據(jù)同時(shí)在一個(gè)載波上調(diào)制?？梢詫⒃摂?shù)值增加到256 QAM，每個(gè)載波調(diào)制8bit，將20MHz信道上的數(shù)據(jù)速率增加到72 Mbit/s。調(diào)制間隔的繼續(xù)減小是個(gè)極為不利的因素，因?yàn)榻邮照咝枰玫亟邮招盘?hào)，才能區(qū)別256個(gè)調(diào)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(kuò)展這個(gè)規(guī)模，可增加調(diào)制頻率，從而提高數(shù)據(jù)吞吐量。但這會(huì)使本來就不多的信道數(shù)量繼續(xù)減少。
?增加傳輸路徑。不同數(shù)據(jù)可在相同頻率下通過不同路徑同時(shí)傳輸，這一技術(shù)稱為MIMO(Multiple Input - Multiple Output)，它指代一個(gè)過程(Agere于2002年10月在埃因霍芬大學(xué)展示了MIMO，速率為162Mb/s)，在該過程中，多部天線同時(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)與天線分集混淆 (在WLAN技術(shù)開始時(shí)就使用)。在天線分集中，任何情況下都只能使用最好的發(fā)送和接收天線。MIMO可在同一載波頻率上同時(shí)傳輸不同數(shù)據(jù)流。由于墻壁和天花板的反射，天線的發(fā)射會(huì)在接收器的多個(gè)天線上產(chǎn)生不同的信號(hào)強(qiáng)度和相位長(zhǎng)度。原始數(shù)據(jù)可以使用數(shù)學(xué)過程，從單個(gè)天線接收的混合信號(hào)中恢復(fù)。因此，只有產(chǎn)生足夠的反射，MIMO才能發(fā)揮作用。提高多臺(tái)發(fā)射器和接收器的技術(shù)費(fèi)用會(huì)使系統(tǒng)成本提高。802.11n標(biāo)準(zhǔn)有望在2005或2006年獲得批準(zhǔn)。

無線技術(shù)—將把我們帶往何處
在90年代，WLAN作為superhet設(shè)計(jì)，通過一個(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(tǒng)問題，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(yīng)運(yùn)而生，它甚至適用于應(yīng)用技術(shù)。在90年代，高頻應(yīng)用的集成電路仍然使用雙極技術(shù)生產(chǎn)。集成水平較低，無線功能在電路板中占用非常大的面積?，F(xiàn)在，憑借RF-CMOS或Bi-CMOS技術(shù)，我們可以生產(chǎn)ZIF或VLIF的無線產(chǎn)品。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。RF-CMOS可在一個(gè)芯片上集成無線和邏輯，是最高水平集成的理想之選。而Bi-CMOS則有更好的高頻特性，并且系統(tǒng)運(yùn)行所需的外圍設(shè)備較少。
憑借ZIF，接收信號(hào)直接在基帶中實(shí)施，不需要時(shí)間密集的中頻過濾器和混合器。然而，必須在一個(gè)頻率上對(duì)接收信號(hào)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(xiǎn)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(diào)信號(hào)的波長(zhǎng)和DC一樣小，因此，特別適合于CCK信號(hào)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(diào)解信號(hào)中產(chǎn)生錯(cuò)誤電壓，那么也就縮小了OFDM調(diào)制的波長(zhǎng)(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(hào)不會(huì)直接轉(zhuǎn)換到基帶中，而是轉(zhuǎn)換到一個(gè)非常低的中頻 (ZF)中。由于ZF較低，傳統(tǒng)過濾器不再是單獨(dú)模塊，而是作為集成電路的功能進(jìn)行實(shí)施。為進(jìn)行過濾和解調(diào)，人們選擇了數(shù)字信號(hào)處理方法，從而在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的實(shí)施。VLIF接收器的傳輸具有高吞吐量特點(diǎn)，而對(duì)于CCK信號(hào)，這種優(yōu)勢(shì)就不明顯了。然而，由于不存在直流電壓失調(diào)的問題，OFDM調(diào)制的動(dòng)態(tài)范圍沒有受到限制，所以接收敏感度能達(dá)到最佳狀態(tài)。
兩種系統(tǒng)都有DAC或ADC，這些轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，比如掃描速率、位數(shù)和線性，都是實(shí)施無線技術(shù)的重要因素，對(duì)整個(gè)無線系統(tǒng)質(zhì)量的影響非常大。如果說在90年代，無線領(lǐng)域仍然是帶有許多平衡點(diǎn)的模擬技術(shù)一統(tǒng)天下，那么隨著數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)，許多模擬技術(shù)已轉(zhuǎn)換為數(shù)字技術(shù)。
ZIF和VLIF等接收器加強(qiáng)了集成，有助于降低生產(chǎn)成本。顯而易見，接收器和制造技術(shù)的選擇并非一個(gè)無足輕重的問題。每種設(shè)計(jì)都考慮到不同因素，以進(jìn)行優(yōu)化。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，包含VLIF和ZIF的接收器似乎特別適合于無線局域網(wǎng)的傳輸。

UWB—競(jìng)爭(zhēng)和補(bǔ)充
超寬帶是WLAN中經(jīng)常提到的術(shù)語。原則上，這是一種運(yùn)行在非常低的光譜密度中的調(diào)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(zhǎng)范圍內(nèi)(波長(zhǎng)范圍為FCC3.1~10.6GHz內(nèi)的500MHz)，因而能產(chǎn)生非常短的脈沖(100ps~10ns)，直接傳輸?shù)教炀€上。
這種調(diào)制經(jīng)常與IEEE 802.15.3工作組制訂的標(biāo)準(zhǔn)混淆，IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)是媒體信息(話音和視頻)的傳輸，并將超寬帶視為可能的調(diào)制方式。作為個(gè)人網(wǎng)(PAN)，它專為較短距離的傳輸而設(shè)計(jì)，類似于藍(lán)牙技術(shù)。
提供802.11e QoS的WLAN實(shí)際上被視為802.15.3系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。一旦標(biāo)準(zhǔn)獲得通過，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>