頻段交錯(cuò)技術(shù)加快向下一代WLAN演進(jìn)
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今天的802.11b/g WLAN (無線局域網(wǎng))因?yàn)樾诺肋^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(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)成雙頻接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)卻需要運(yùn)營(yíng)商為此支付巨額資本。現(xiàn)在，新出現(xiàn)的一種叫做頻段交錯(cuò)的技術(shù)能夠有效地解決這個(gè)問題，而且成本十分低廉。
iSuppli等市場(chǎng)調(diào)研公司估計(jì)，2004年出產(chǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)接口超過8000萬個(gè)，到2008年之前，這個(gè)數(shù)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?yàn)榛?02.11b/g 標(biāo)準(zhǔn)的第一代無線網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的信道數(shù)量十分有限。
WLAN是通過連到接入端口的無線電鏈路，把客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)，802.11標(biāo)準(zhǔn)為這些鏈路定義了若干個(gè)無線信道，802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了11個(gè)無線信道，原始數(shù)據(jù)傳輸速率11 Mbps；802.11g標(biāo)準(zhǔn)將這一數(shù)據(jù)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(cuò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋的服務(wù)區(qū)只有三條非重疊的信道可以使用，結(jié)果這個(gè)服務(wù)區(qū)的用戶只能共享這三條信道的數(shù)據(jù)帶寬。這三條信道還會(huì)受到其它無線電信號(hào)源的干擾，因?yàn)?02.11b/g WLAN標(biāo)準(zhǔn)采用了擁擠的2.4 GHz無線電頻段，這個(gè)頻段還被用于各種應(yīng)用，其中包括藍(lán)牙無線連接、無線電話機(jī)甚至微波爐，這些應(yīng)用在這個(gè)頻段產(chǎn)生的干擾可能會(huì)進(jìn)一步限制WLAN用戶的可用帶寬。
在已知的WLAN范圍內(nèi)只有很少的用戶時(shí)，這些限制還不算是一個(gè)問題。但是，隨著在某一個(gè)服務(wù)區(qū)的用戶的數(shù)量不斷增加，用戶的可用信道容量就開始下降。隨著用戶對(duì)帶寬需求的提高，WLAN這種擁擠性開始顯現(xiàn)出來。如果過去WLAN只是用于滿足間歇性網(wǎng)絡(luò)瀏覽的需求，而現(xiàn)在則必須在家庭網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)幾個(gè)小時(shí)高速傳送大量的多媒體數(shù)據(jù)，視頻流和媒體流等新的應(yīng)用提高了每個(gè)用戶的平均帶寬需求量。
802.11a網(wǎng)絡(luò)大大提高了可用帶寬
為了解決這些問題，用戶必須轉(zhuǎn)向IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)定義的下一代WLAN。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求在5 GHz頻段建立無線電信令系統(tǒng)，允許在一個(gè)給定的服務(wù)區(qū)內(nèi)最多有8個(gè)非重疊信道。盡管每個(gè)信道的數(shù)據(jù)容量與802.11g標(biāo)準(zhǔn)WLAN相同，但是每個(gè)用戶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)種類數(shù)量很少，只有雷達(dá)和衛(wèi)星等服務(wù)，它們不會(huì)對(duì)普通的WLAN用戶產(chǎn)生干擾。
把客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)升級(jí)到802.11a標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼容現(xiàn)有的802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)來說比較容易，用戶只需安裝一個(gè)雙頻通信設(shè)備即可。當(dāng)雙頻設(shè)備想要把用戶連接到WLAN時(shí)，它只掃描無線電頻譜，確定哪個(gè)頻率正在使用中，然后將射頻切換到相應(yīng)的頻率即可。
不幸的是，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)不是件容易的事情?？蛻魴C(jī)節(jié)點(diǎn)可以選擇要使用的頻段，所以它兼容兩種網(wǎng)絡(luò)類型中的任何一種。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(nèi)同時(shí)通信。
雙頻接入點(diǎn)成本昂貴
這種雙頻接入節(jié)點(diǎn)如圖1所示，雙頻接入節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較昂貴，這是因?yàn)樗鼈儽仨毤蓛蓚€(gè)獨(dú)立的射頻電路，而射頻電路又是節(jié)點(diǎn)中成本最昂貴的元件之一。處理數(shù)據(jù)流量的CPU的成本也會(huì)增加，因?yàn)樗仨毺幚韮蓚€(gè)同步數(shù)據(jù)流。所以，與單頻設(shè)備相比，雙頻接入節(jié)點(diǎn)通常需要一個(gè)處理速度更快的CPU，結(jié)果雙信道方法比單頻方法提高接入節(jié)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(fù)擔(dān)阻礙了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商采用802.11a標(biāo)準(zhǔn)的步伐。
意法半導(dǎo)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(cuò)技術(shù)，它幾乎可以免去這一成本負(fù)擔(dān)。采用頻段交錯(cuò)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(nèi)。采用一個(gè)“零中頻”無線電設(shè)計(jì)，頻段交錯(cuò)方案允許兩個(gè)無線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(shè)計(jì)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(cuò)方案的雙頻接入節(jié)點(diǎn)比普通的單頻接入節(jié)點(diǎn)的成本僅略高一些，典型設(shè)計(jì)的材料單成本只增加了不到5美元。
頻段交錯(cuò)對(duì)于用戶是透明的，它使用現(xiàn)有的協(xié)議管理獨(dú)立的雙頻段信道，所以用戶節(jié)點(diǎn)無需安裝特殊的軟件。當(dāng)接入節(jié)點(diǎn)與客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)不在同一個(gè)頻段信道時(shí)，頻段交錯(cuò)方法禁止客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)試圖發(fā)射信號(hào)。頻段交錯(cuò)技術(shù)使用頻段轉(zhuǎn)換速度十分快（不到20ms）的射頻芯片，而且轉(zhuǎn)換對(duì)于TCP和802.11信令協(xié)議是隱蔽的。
頻段交錯(cuò)方案通過管理兩個(gè)頻道之間的交替轉(zhuǎn)換來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍?。這樣，信道不會(huì)顯得只得到半個(gè)預(yù)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(jù)某一時(shí)刻頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)流量給每個(gè)頻段分配時(shí)間。頻段交錯(cuò)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(jìng)爭(zhēng)協(xié)議是共享的關(guān)鍵
實(shí)現(xiàn)這一透明水平的關(guān)鍵是以創(chuàng)新的方式利用802.11競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，這個(gè)協(xié)議規(guī)定在發(fā)送數(shù)據(jù)前節(jié)點(diǎn)要檢查信道的數(shù)據(jù)流量。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢查到數(shù)據(jù)流量，它就會(huì)等候直到信道發(fā)送請(qǐng)求被清除時(shí)才會(huì)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)如果同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)檢查到?jīng)_突，然后撤消發(fā)送請(qǐng)求，稍后再嘗試發(fā)送操作。
為了防止沖突重復(fù)發(fā)生，節(jié)點(diǎn)中含有一個(gè)可以按照固定速率遞減的計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器含有一個(gè)非零數(shù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就不能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)，計(jì)數(shù)器內(nèi)就會(huì)增加一個(gè)隨機(jī)數(shù)，以降低下次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沖突的可能性。網(wǎng)絡(luò)控制器還可以通過網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV）來設(shè)置計(jì)數(shù)器，以確保某些節(jié)點(diǎn)享有優(yōu)先接入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。
評(píng)論