定義并改善無線 LAN 中的數(shù)據(jù)吞吐量

摘要

能夠通過802.11接口傳輸?shù)男畔⒘砍７Q作"信號傳輸速率"、"數(shù)據(jù)速率"或"吞吐量"。這些術語具有不同的含義，彼此不可互換。我們認為，802.11b標準具備11Mbps的信號傳輸速率，而 802.11a 與 802.11g 標準則具備高達54Mbps的速率。

本文中，我們將對上述術語加以區(qū)別，并將指出，上述標準的信號傳輸速率分別為11Mbps與54Mbps。但實際的數(shù)據(jù)吞吐量，也就是我們真正關心的部分，則大大低于上述數(shù)值。我們將就提高數(shù)據(jù)吞吐量給出建議，特別要對家庭網(wǎng)絡消費類領域進行討論。

信號傳輸速率

802.11的信號傳輸速率定義如下：

信號傳輸速率=1／比特時間

比特時間是指傳輸一比特信息所需的時間。802.11的信號傳輸速率從1Mbps到最高為11Mbps不等，根據(jù)所用的具體傳輸技術而各不相同。802.11a標準和802.11g標準草案可提供高達54Mbps的信號傳輸速率，是802.11b的5倍。

數(shù)據(jù)吞吐量

802.11標準及其所有衍生標準（802.11b、802.11a以及802.11g草案）定義了物理層 (PHY) 以及通訊所用的協(xié)議。換言之，該標準描述了被傳輸信息應采用何種格式才能在另一端被接收和理解。這些協(xié)議包括大量開銷。開銷是所有信息以及用于非數(shù)據(jù)事項的播放時間的總稱。802.11系統(tǒng)中的開銷包括：

• 承載控制器件所需信息的協(xié)議報頭；
  
• 幀間隔時間，使頻帶用戶可以訪問通訊介質(zhì)（空氣）；
  
• 錯誤和流程控制，可確保傳輸?shù)耐暾裕?
  
• 確認接收的消息，因為使用無線介質(zhì)很可能出現(xiàn)錯誤消息和消息沖突。

考慮到802.11b包括上述論及的數(shù)據(jù)和開銷，我們可以預計，數(shù)據(jù)吞吐量會接近5.5Mbps，而不是11Mbps，而802.11a或802.11g產(chǎn)品的吞吐量將接近30Mbps，而不是54Mbps的信號傳輸速率。

802.11標準

目前最初的802.11標準具備三個擴展，分別為802.11b、802.11a以及802.11g草案版本。最初的802.11標準發(fā)布于1997年。802.11僅可提供高達2Mbps的數(shù)據(jù)速率。為了提高數(shù)據(jù)速率，出現(xiàn)了兩種新型的但又互不兼容的標準版本，分別為802.11b和802.11a。802.11b運行于2.4GHz工業(yè)、科學及醫(yī)療設備 (ISM) 頻帶上，能夠提供最大11Mbps的信號傳輸速率。而802.11a則運行于5GHz無需許可證的國家信息基礎設施 (U-NII) 頻帶上，并能提供高達54Mbps的信號傳輸速率。802.11a設備不具備同802.11b設備的向后兼容性，這意味著必須購買并安裝所有新設備。許多常見的家庭設備也使用2.4GHz頻帶，包括無繩電話、微波爐以及嬰兒監(jiān)視器等。這些"其他用戶"可能產(chǎn)生干擾，導致 802.11b 用戶不能訪問網(wǎng)絡。802.11b器件傳輸數(shù)據(jù)的距離可達300英尺，而802.11a器件的最大傳輸距離僅為150英尺，這是由于較高的頻率具備較高的"路徑損失"特點，在相同的空間中要求更多的接入點。此外，與運行在2.4GHz頻帶上的802.11b器件相比，802.11a器件在5GHz頻帶上要求更多的功率來傳輸信息，這是由于高頻率上的功率放大器效率較低。

由于802.11b和802.11a之間具備上述問題，因此IEEE于2000年開始就802.11g擴展進行工作。與 802.11b 一樣，802.11g也運行在2.4GHz頻帶上，但能以802.11a所用相同的調(diào)制技術（正交頻分復用技術）提供802.11a的信號傳輸速率。802.11g也與802.11b向后兼容，用戶不必升級即可繼續(xù)使用原有設備。由于802.11g與802.11b都運行于2.4GHz的頻帶上，因此也會遇到其他常見家庭設備的干擾問題。在802.11b向802.11g轉(zhuǎn)變的時期中，許多WLAN都支持高速信號傳輸速率作為首選項，但如果受設備或條件限制，則會降至802.11b的速度。

混合模式802.11g與802.11b

802.11b網(wǎng)絡用戶目前已達到約2000萬之多，隨著市場向802.11g的更高數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)移，我們也要考慮到上述用戶的情況。IEEE 802.11g草案標準希望提高2.4GHz頻帶上的數(shù)據(jù)吞吐量。G任務組采用了一個與802.11a標準相同調(diào)制技術 (OFDM) 的草案，也具備與該標準相同的短前同步碼。但是，802.11g運行于2.4GHz頻帶上。盡管802.11g草案要求具備與802.11b標準的向后兼容性，但這種兼容性卻多少讓人生疑?？吹?向后兼容性"，人們就會希望兩種標準既然都使用2.4GHz頻帶的相同信道，那么就可以共存。但事實上，如果不具備特定條件的話，它們就不能共存。

不能共存的原因有兩重：首先，"傳統(tǒng)的"802.11b接收機不能解碼OFDM數(shù)據(jù)。因此，無論這些接收機是接入點還是站都不能感知 802.11g發(fā)送器在相同的信道上進行傳輸。第二，802.11g發(fā)送器傳輸?shù)?短前同步碼"不管是接入點還是站都與802.11b標準所用的不同。希望進行傳輸?shù)?02.11b器件將首先根據(jù)CSMA／CA協(xié)議性質(zhì)的要求"監(jiān)聽"信道，如果不能檢測到有效傳輸?shù)脑?，就認為無線廣播是"通暢的"，并開始進行傳輸。但由于802.11b器件鑒于上述兩種原因不能檢測到802.11g客戶機傳輸，因此它做出的無線廣播通暢的判斷可能是錯誤的，并在802.11g客戶機的傳輸"之上"再進行傳輸。一般說來，兩種傳輸都會丟失，兩個器件都要求重試，這就大大降低了系統(tǒng)吞吐量。802.11g器件不會犯同樣的"錯誤"，因為根據(jù)定義，其與802.11b標準是向后兼容的，因此能夠感知802.11b器件，并避免與其同時進行傳輸。但由于第一個問題，匯聚系統(tǒng)吞吐量還是會受到影響。

一種可能的解決方案就是不允許混合模式的802.11g和802.11b網(wǎng)絡。這樣，支持802.11g和802.11b就需要使用兩個信道。由于2.4GHz頻帶只允許三個不重復信道，這就會占用三分之二的可用范圍。這種解決方案還會帶來更嚴重的問題，即支持兩種標準的成本會大大增加，因為需要兩臺無線電廣播來支持兩個信道中的同時操作。

提高數(shù)據(jù)吞吐量

另一種解決方案就是規(guī)定網(wǎng)絡協(xié)調(diào)功能，這是服務質(zhì)量 (QoS) IEEE 802.11任務組E提出的。802.11e草案標準的目標旨在提高WLAN的服務質(zhì)量，從而使其能夠傳輸諸如語音和視頻等實時媒體，而不受當前802.11標準系列提供的"盡力而為"服務級別的影響，該系列標準是以數(shù)據(jù)為中心而設計的。盡管這種解決方案可在未來解決混合模式802.11g-802.11b的困境，但它卻無法解決傳統(tǒng)的802.11b客戶機問題，也不支持802.11e草案標準。

基本的802.11標準中還存在另一種解決方案。該標準允許接入點要求站傳輸發(fā)送請求 (RTS) 包，并在繼續(xù)傳輸有效負載數(shù)據(jù)包之前等待接入點的清除發(fā)送 (CTS) 包，從而避免站傳輸。該規(guī)定包括于802.11標準中，這就解決了兩個站都在接入點覆蓋范圍內(nèi)但又不在彼此覆蓋范圍之內(nèi)的問題。在這種情況下，它們彼此之間不能"監(jiān)聽"，不過它們?nèi)詴瑫r進行傳輸，而接入點則不能解碼其消息。利用這種機制來解決混合模式困境是可行的。當用來保護802.11g OFDM流量不受802.11b傳輸干擾時，該技術常被稱作"保護機制"。但使用它會造成更多系統(tǒng)開銷 (RTS-CTS包)，這就降低了總體系統(tǒng)吞吐量，并再次削弱了使用高速802.11G的優(yōu)勢。

那么我們現(xiàn)在能做些什么來提高整體系統(tǒng)吞吐量，同時又支持傳統(tǒng)的802.11b客戶，并維持成本效率高的解決方案呢？實際上，答案存在于無線LAN市場的細分中，要理解不同市場細分中的購買標準和過程。可互操作性和吞吐量在每個市場細分中都是兩種重要的驅(qū)動力量。每個人都希望自己的設備在任何地方都能以期望的速度工作。可互操作性指的是來自不同制造商的設備可在相同的網(wǎng)絡中工作。

家庭／消費類產(chǎn)品／零售市場細分

在家庭市場中，無線網(wǎng)絡設備通常以"套件"的形式購買。購買者將決定安裝無線網(wǎng)絡，為了避免潛在的不兼容性，同時會在同一個地點從相同的廠商處購買接入點和網(wǎng)絡卡。零售連鎖通常會提供既包括接入點又包括網(wǎng)絡卡的套件，或者組合在一個組合包裝中，或者以優(yōu)惠促銷的形式提供。盡管這能在實際的家庭環(huán)境中解決可互操作性問題，但消費者顯然希望在其他地點（通常是在公共場所）也能使用無線卡，也顯然希望能在家庭環(huán)境中使用IT部門安裝在其"工作電腦"中的無線卡。

由于消費者希望以盡可能高的速度將豐富內(nèi)容的器件連接起來，吞吐量在家庭市場中正成為越來越重要的一項要求。舉例而言，照片和高質(zhì)量視頻流將通過WLAN從照相機或攝像機下載至PC。在這種應用中，具備高數(shù)據(jù)吞吐量是至關重要的。

企業(yè)市場細分

企業(yè)市場中的一條關鍵選擇標準就是可互操作性。其原因在于，接入點的購買與網(wǎng)絡卡的購買是分開進行的。一旦無線接入點基礎設施安裝之后，不同器件網(wǎng)絡卡的選擇不必依循相同的過程。網(wǎng)絡卡不一定要從出售接入點的相同廠商處購買，事實上也通常是從不同的廠商處購買的。此外，無線接入點基礎設施會不時更新，因此即便接入點和網(wǎng)絡卡最初都是從相同廠商處購買的，進行上述升級之后二者就不見得仍會來自相同的廠商。因此，可互操作性是企業(yè)的一個關鍵選擇標準，Wi-Fi聯(lián)盟正在努力實現(xiàn)各廠商之間的可互操作性。

吞吐量在企業(yè)市場細分中仍是重要因素，因為網(wǎng)絡中通常都會有巨大的流量。大多數(shù)企業(yè) IT 經(jīng)理都會選擇就任意通訊設備向每位用戶提供所能保證的最高速度。

公共接入市場細分

與企業(yè)市場非常相似，公共接入市場也非常關注可互操作性，但二者關注的原因不同。公共接入市場不能保證接入點和網(wǎng)絡卡從相同的廠商處購得。不管公共接入服務供應商選擇作為接入點來源的廠商是哪一家，用戶都會使用他們已安裝的來自不同廠商的網(wǎng)絡卡。如果服務供應商要求用戶僅使用特定廠商的網(wǎng)絡卡，那么這只可能限制公共接入 WLAN 市場的成長。此外，不同的服務供應商很可能選用不同的接入點廠商，這就在接入點廠商和網(wǎng)絡卡廠商之間增加了又一重不一致性。因此，較之于企業(yè)市場細分，可互操作性在公共接入市場細分中更為重要。

數(shù)據(jù)吞吐量對公共接入市場也很重要。大多數(shù)用戶使用網(wǎng)絡幾乎都是為了訪問因特網(wǎng)，而這要求級別很高的數(shù)據(jù)吞吐量。

家庭環(huán)境中的可互操作性解決方案

我們提出了以下方法以成本效率較高的方式來提高家庭環(huán)境中的"真正吞吐量"，但同時也不會有損于可互操作性。該解決方案的特點應為：

1. 毋需諸如服務質(zhì)量等特別要求和規(guī)定即可在任何 802.11b 環(huán)境中實現(xiàn)可互操作性的功能；
   
2. 在家庭環(huán)境中有能力提供更高吞吐量，同時其他"傳統(tǒng)的"802.11b 網(wǎng)絡卡在上述網(wǎng)絡中也能實現(xiàn)可互操作性，且不會出現(xiàn)混合模式 802.11g-802.11b 網(wǎng)絡中可能發(fā)生的吞吐量顯著下降的情況。
   
3. 無線卡能夠在其他服務位置實現(xiàn)漫游功能，如公共接入"熱點"等，同時與上述服務具備全面的可互操作性，在上述位置上不會出現(xiàn)服務質(zhì)量或吞吐量的降低。
   
4. 可以假定，接入點和網(wǎng)絡卡從相同的廠商處購買，因此可能包括某種"專利技術"或兩端標準實施沒有強制規(guī)定的可選特性，這由上述兩種特點或條件所決定。

分組二進制卷積碼 (PBCC) 作為提高無線網(wǎng)絡信號傳輸速率的方法開發(fā)而成，從 802.1b 所支持的 11Mbps 提高到 22Mbps，同時確?？膳c傳統(tǒng)的 802.11b 系統(tǒng)實現(xiàn)完全共存和可互操作性。這種調(diào)制／編碼技術也向 802.11g 任務組提出過，盡管沒有成為該草案標準所規(guī)定的高速調(diào)制技術，但它被接受為一種可選的技術。我們應當注意到，盡管局限于 11Mbps，但 802.11b 標準也是以 PBCC 作為可選調(diào)制方法的。在市場中，有時 PBCC 也稱為 802.11b+。

PBCC 的一個關鍵特點是，它與傳統(tǒng)的 802.11b 器件使用的是同完全相同的報頭，這與使用 OFDM 報頭、不能被 802.11b 器件解碼的 802.11g 不同。這意味著傳統(tǒng)的客戶機可以解碼 PBCC 包報頭。根據(jù)最初的 802.11 標準的定義，該報頭具備一個字段，稱作"持續(xù)時間"字段。該字段的唯一目的就是讓接收機知道當前傳輸?shù)陌鼘⒊掷m(xù)多長（單位為微秒）。換言之，即便接收機不能解碼包的其他部分（或是由于干擾，或是由于接收機不熟悉以 PBCC 或其他調(diào)制技術編碼的數(shù)據(jù)），它也能夠知道應該等待多長時間，何時可以再次傳輸，這樣就不會與當前傳輸發(fā)生沖突。

由于 PBCC 能夠與傳統(tǒng)的 802.11b 站、"PBCC 增強型"802.11b 站以及使用可選 PBCC 模式的 802.11g 站實現(xiàn)可互操作性，而無需特別的服務質(zhì)量或協(xié)調(diào)功能規(guī)定，因此它能夠滿足條件 (a)。能夠?qū)崿F(xiàn)這一點，是由于使用了相同的報頭，可由所有三種類型的站解碼（傳統(tǒng)的 802.11b 站、"PBCC 增強型"802.11b 站以及使用可選 PBCC 模式的 802.11g 站），而且報頭中具備"持續(xù)時間"字段。由于能夠通過增強的信號傳輸速率提供更高的吞吐量，又不會有損于"混合模式"操作，因此它也滿足條件 (b) 的要求。由于支持 PBCC 功能的網(wǎng)絡卡在與支持 PBCC 功能的家庭網(wǎng)絡外部進行通信時使用標準的、可互操作性的 802.11b 模式，因此它也能滿足條件 (c) 的要求。上述所有這些能夠?qū)崿F(xiàn)，都以 (d) 假定為基礎，因為在消費類市場中，接入點和無線卡都能從相同的廠商處購得，通常使用相同廠商的芯片組，并在應用兩端都提供 PBCC。

我們要回答的最后一個問題，就是使用 PBCC 是否能夠提供與基于 802.11g 的產(chǎn)品相當?shù)耐掏铝?，同時還能支持與傳統(tǒng) 802.11b 產(chǎn)品的混合模式操作。在以下由 TI 無線 LAN 實驗室創(chuàng)建的圖表中，我們給出了混合模式操作不同選項的兩種模擬示意。兩圖比較了使用不同技術傳輸 1000 字節(jié)數(shù)據(jù)包所用的時間。該時間不僅包括"有效負載"數(shù)據(jù)，而且也包括所有傳輸數(shù)據(jù)所需的開銷，并與網(wǎng)絡中傳統(tǒng)的 802.11b 器件共存。時間條越短，傳輸相同數(shù)據(jù)量的速度就越快，網(wǎng)絡也就能實現(xiàn)最高的實際數(shù)據(jù)吞吐量。第一幅圖給出了采用長前同步碼（用于同步接收機到發(fā)送器）環(huán)境中的結果，而第二幅圖給出了使用短前同步碼環(huán)境中的結果。我們應當注意到，某些傳統(tǒng)器件可能僅支持長前同步碼，因此支持它可能要求用到長前同步碼吞吐量網(wǎng)絡。

從圖中我們馬上就可看到，只有在傳統(tǒng) 802.11b 器件和 PBCC 器件中，數(shù)據(jù)傳輸才需要 50% 以上的總傳輸時間。在 OFDM 器件中（模擬速率為 24、36 和54Mbps），數(shù)據(jù)傳輸占總傳輸時間的部分要小得多。事實上，當以 54Mbps 的速度傳輸 OFDM 時，圖中顯示傳輸"有效負載"數(shù)據(jù)的時間還不到 20%，而其他時間則用于開銷和保護機制（PBCC 器件不要求）。

圖 1：使用長前同步碼傳輸 1,000 字節(jié)塊的所需時間

我們也可以看到，只有在使用 PBCC 22 時，傳輸一個 1,000 字節(jié)數(shù)據(jù)塊所需的時間才低于 1 毫秒，即數(shù)據(jù)吞吐量超過 8Mbps，而使用 54Mbps 和 RTS-CTS保護機制的 802.11g 器件約需 1.1 毫秒，即數(shù)據(jù)吞吐量略高于 7Mbps。

圖 2：使用短前同步碼傳輸 1,000 字節(jié)塊的所需時間

使用短前同步碼時，我們假定與網(wǎng)絡相關聯(lián)的傳統(tǒng) 802.11b 器件能夠支持它，使用 802.11g OFDM 的 54Mbps 速度較 PBCC 略有優(yōu)勢，但優(yōu)勢低于 5%，且當信號傳輸速率下降到 36Mbps 時即會消失（通常是由于接入點和站之間的距離增加使然）。

總結

如果您希望在 54-Mbps 802.11a 或 802.11g 鏈接上發(fā)送一個 54M 比特的文件，那么所需時間會多于一秒鐘。無線媒體的實際數(shù)據(jù)吞吐量大大低于信號傳輸速率，二者不應混淆。但我們可以就此作一些工作，盡可能使數(shù)據(jù)吞吐量接近信號傳輸速率。企業(yè)和公共接入市場細分由于可互操作性要求不能對協(xié)議進行任何改善，但家庭市場細分則可以進行改善，只要它滿足本文所指出的要求即可。最重要的要求就是它可保證不同環(huán)境中的可互操作性。PBCC 提高了無線網(wǎng)絡的信號傳輸速率，從 802.11b 支持的 11Mbps 提高到 22Mbps，同時與傳統(tǒng) 802.11b系統(tǒng)實現(xiàn)全面共存和可互操作性，且不會因為使用 802.11g OFDM 器件要求的"保護機制"而造成吞吐量下降。最后，隨著 WLAN 標準不斷發(fā)展和新技術革新的不斷出現(xiàn)，只要我們繼續(xù)致力于對實際吞吐量的提高而不僅僅是信號傳輸速率，那么數(shù)據(jù)吞吐量就一定會繼續(xù)得到改善。