802.11技术演进及其应用需求分析

第一代802.11设备初始数据率只有1~2Mbps。随着802.11b的扩展，WLAN带宽已增加到11Mbps，已可为电子邮件、文件共享和互联网应用提供足够的带宽。而802.11g数据率则达到了54Mbps，可实现音乐流以及其它丰富多媒体应用。

802.11a标准将所支持的频谱定义为5GHz，802.11a所提供的数据率与802.11g相同，不过它不能后向兼容先前的802.11标准。随着无线多媒体设备的普及以及高带宽应用的增加，需要WLAN具有更高的数据率。为此，IEEE成立了802.11n工作组着手开发新的WLAN标准。本文讨论802.11n的新特性、应用需求，以及与该标准相关的互操作性方面的问题。

核心技术MIMO

802.11采用直序扩频码分多址(DS-CDMA)调制技术。由于2.4GHz频段是开放频段，可被多种无线技术利用，因此无线设备间的干扰是一个值得关注的问题。有一些“貌似可行”的技术据说可将数据率增加到54Mbps以上：

1. 将信道带宽增加到40MHz，可以将数据率有效增加到108Mbps：但是，平行信道数从4个减少到2个，而且互操作性也将是问题；

2. 改进调制技术：不过64QAM(正交幅度调制)技术已达极限，无法改进；

3. 改进编码方案：目前编码方案已达极限，无法改进；

显然，采用上述的这些技术来增加数据吞吐量是不可行的。最终，唯一可行的方案是在相同的并行信道上来传输多个数据流，即采用可控的多入/多出(MIMO)方式。

MIMO技术基于图1所示的模型。采用MIMO技术，原始的数据流在发射端被分成多个子流，然后利用不同的天线进行发射。反过来对于接收机也是如此。发射机天线和接收机天线之间的关系就是人们熟知的信道模型。

该信道的数学描述由图2所示的矩阵来表示。

图2：信道模型矩阵。

接收机的任务是计算矩阵，因为它是一个可改变的常量。任何时候，接收机和发射机都可移动，即环境可改变。为进行动态重新计算，发射机发射一个前导信号(Preamble)，这是一个通过所有天线发射的固定波形，带有少许延迟。接收机侦听该前导信号，以便理解什么数据将到达，并且如何为随后到达的发射数据包构建发射矩阵。在训练阶段完成后，真正的数据传输才根据MIMO的顺序安排开始。

图1：MIMO技术模型。

表1来自目前802.11n草案，表中给出了参数联合及用于一个和两个空间流的数据吞吐率计算结果。而对于三个和四个空间流的计算可通过简单的乘法运算获得。

表1：参数联合及空间流数据吞吐率计算结果

802.11n支持许多不同的模式，并且可以通过定义来兼容以前的旧有系统。工作在2.4GHz频段上的802.11n必须支持802.11g和802.11b。工作在5GHz频段上的802.11n必须支持802.11a。

对表1中所出现的术语的解释：

1. MCS：一个表明合适排的唯一标号；

2. 调制方案：与802.11g/802.11a中所用的调制模式一样，即BPSK(二相键控)、QPSK(四相键控)、16QAM和64QAM；

3. 编码率：这也没有实质的变化，即1/2、2/3、3/4和5/6；

4. 20MHz与40MHz模式：802.11n/g/a全部都是采用OFDM来对数据流进行调制。这里关键的在于所谓的数据音调数(即副载波数)。802.11g/a采用48个副载波，802.11n则在20MHz模式采用52个副载波，二在40MHz模式采用108个副载波；

5. 保护间隔：接收机能够区别两个相邻符号的OFDM符号间的间隔时间。标准的长短保护间隔分别是800ns和400ns；

6. 用于MIMO的空间流的数量：802.11n支持单数据流模式，标准最大数据流数量限制到4个。不过，理论上该数量是无限的，但在实际上有意义的数值非常小。

802.11n最低数据率为6.5Mbps，与802.11g/a的6Mbps非常接近。差别在于802.11n中为20MHz模式所定义的额外的四个导频音(Pilot Tone)。四列为一个数据流定义了32种不同的速率，而对于两个数据流则又定义了另外32种速率，从而使得最大吞吐率可达到300Mbps。三个数据流的吞吐率可以达到450Mbps，而四个数据流的吞吐率600Mbps。这是该标准中理论上所能实现的最大吞吐率。

图3：802.11技术标准的发展进程。

折衷方案

在实际设计中通常有许多折衷和约束，首要的也是最重要的就是成本。必须考虑天线的成本。此外还要考虑以下方面：

1. 功耗：接收机和发射机越多，802.11n架构中所消耗的电流就越大。这对于便携式嵌入式电池是至关重要的；

2. 天线间距：为了实现MIMO，天线必须有足够的间距。标准结构的公交卡和USB棒都有规定的尺寸，不能更改；

3. 发射功率限制：在欧洲，ETS 300328标准中限定2.4GHz频段的发射功率不得超过20dBm。目前，802.11g OFDM调制所用的发射机的发射功率通常为16dBm，所以还有一点增大的空间。如果发射机为两个，总功率将增加3dB，但仍未超出限制。不过当发射机增加到3个和4个时，就将超出了标准限制。

改进原有技术

802.11n中整合了一些节约开销的机制；最主要的一项就是汇聚。汇聚时发射台需要等待，堆积本地将要发射的数据包，并将其汇聚成一个“超级数据包”。汇聚增加了包的大小，减少了包的数量，因此降低了开销。由于汇聚实际切换速率为300Mbps，因而能够在保持与802.11g/a相同开销的同时，为用户提供高于150Mbps的数据率。

802.11n的另一个目标是改善覆盖能力。如上所述，在最远距离上，所有的802.11技术都能提供1Mbps的覆盖能力，这是最低的吞吐率指标。如果只是达到1Mbps，就不能说得到改善。不过，如果数据率高于1Mbps，则总的覆盖能力将随着天线和接收机越来越靠近而得到改善，而相对802.11g5来说，802.11n标准加速了这种改善。

应用需求

实际上没有人需要几百兆的带宽来进行互联网浏览或文本交换。802.11n的关键应用在于视频，特别是HDTV。由于802.11n可以并行处理HDTV流，故VoIP呼叫以及互联网上的文件交换可以在同一网络上进行，而且不降低多媒体体验。

随着2.4GHz频段变得越来越拥挤，可用频段越来越少。好在802.11n还定义了一个5GHz频段，该频段远比2.4GHz宽而且大部分未用。802.11n为家庭用户的丰富多媒体应用开辟了新机会。此外，802.11n还将为企业和公共热点带来益处。

作者: Peter Grabienski

WLAN区域工程经理

peterg@marvell.com

Marvell半导体德国分公司