第一代802.11元件的初始數據率只有1~2Mbps，且價格非常昂貴。隨著802.11b的擴展，WLAN頻寬已經增加到11Mbps，能為電子郵件、文件共享和網際網路應用提供足夠頻寬。而802.11g數據率則達到了54Mbps，可實現音樂串流及其他豐富的多媒體應用。
802.11a標準將所支援的頻譜定義為5GHz，802.11a所提供的數據率與802.11g相同，不過它不能後向相容先前的 802.11標準。隨著無線多媒體設備的普及以及高頻寬應用的增加，WLAN必須具備更高的數據率。為此，IEEE成立了802.11n工作組，著手開發 新的WLAN標準。本文將探討802.11n的新特性、應用需求，以及與該標準相關的互通作業性問題。
核心技術MIMO
802.11採用直接序列擴頻碼分多址(DS-CDMA)調變技術。由於2.4GHz頻段是能被多種無線技術使用的開放頻段，因此無線設備間的干擾是值得關注的問題。目前，一些‘看來可行’的技術，據說可將數據率增加到54Mbps以上：
1. 將訊息通道頻寬增加到40MHz，可將數據率有效增加到108Mbps。但平行訊息通道數將從4個減少到2個，且互通作業性也將是問題；
2. 改進調變技術，但不幸的是，64QAM(正交振幅調變)技術已達極限，無法改進；
3. 改進編碼方案。但目前的編碼方案已達極限，無法改進；
顯然，採用上述這些技術來增加數據吞吐量是不可行的。唯一可行的方案是在相同的平行訊息通道上傳輸多個數據串流，即採用可控制的多輸入/多輸出(MIMO)方式。
圖1顯示了的基本的MIMO技術。採用MIMO技術，原始的數據串流在發射端被分成多個子串流，然後利用不同的天線進行發射。反過來對接收機也是如此。發射及天線和接收及天線之間的關係就是人們熟知的通道模型。
圖1：MIMO技術模型。
該訊息通道的數學描述由表2所示的矩陣來表示。接收機的任務是運算矩陣，因為它是一個可以改變的常數。接收機和發射機可在任何時候操作，即環境可以 改變。為了進行動態重新運算，發射機會發射一個前導訊號(Preamble)，這是一個透過所有天線發射，並僅具些微延遲的固定波形。接收機會偵聽該前導 訊號，以瞭解何種數據即將到達，以及如何為隨後到達的發射數據封包建構發射矩陣。在訓練階段完成後，真正的數據傳輸才會根據MIMO的順序安排展開。
表1：
表1來自目前的802.11n草案，提供了參數組合以及用於一個和兩個空間串流的數據吞吐率運算結果。針對三個和四個空間串流的計算，可透過簡單的乘法運算來獲得。
802.11n支援許多不同模式，並可透過定義相容舊有系統。工作在2.4GHz頻段上的802.11n必須支援802.11g和802.11b。工作在5GHz頻段上的802.11n必須支援802.11a。
在表1中出現的專有名詞均有其代表意義：
1. MCS：顯示合適排的唯一標識；
2. 調變方案：與802.11g/802.11a中所用的調變模式一樣，即BPSK(二相頻移鍵控)、QPSK(四相頻移鍵控)、16QAM和64QAM；
3. 編碼率：並沒有特殊變化，即1/2、2/3、3/4和5/6；
4. 20MHz與40MHz模式：802.11n/g/a均採用OFDM調變數據串流。此處的關鍵在於所謂的數據音調(即副載波編號)。802.11g/a採用動態48音調，802.11n則分別在20MHz與40MHz模式採用52音調與108音調；
5. 保護間隔：接收機能夠區別兩個相鄰符號之OFDM符號間的間隔時間。標準的長短保護間隔分別是800ns和400ns；
6. 用於MIMO的空間串流數量：802.11n支援單數據串流模式，標準最大數據串流數量限制為4個。不過，理論上該數量是無限的，但在實際上有意義的數值非常小。
圖2：訊息通道模型矩陣。
802.11n最低數據率為6.5Mbps，與802.11g/a的6Mbps非常接近。差別在於802.11n中為20MHz模式定義了額外四個 導頻音(Pilot Tone)。第四欄為一個數據串流定義了32種不同速率，而對於兩個數據串流則又定義了另外32種速率，使得最大吞吐率可達到300Mbps。三個數據串 流的吞吐率可達到450Mbps，而四個數據串流的吞吐率為600Mbps。這是該標準中理論上所能實現的最大吞吐率。
折衷方案
在實際設計中，通常會有許多折衷和約束，首要的也是最重要的就是成本。必須考慮天線成本與以下各方面：
1. 功耗：接收機和發射機越多，802.11n架構中所消耗的電流就越大。這對可攜式嵌入式電池至關重要；
2. 天線間距：為實現MIMO，天線必須有足夠的間距。標準的Carbus和USB隨身碟均有規定尺寸，不能更改；
3. 發射功率限制：在歐洲，ETS 300328標準中限定2.4GHz頻段的發射功率不得超過20dBm。目前，802.11g OFDM調變所用的發射機發射功率通常為16dBm，因此還有一些增加的空間。如果發射機為兩個，總功率將增加3dB，但仍未超出限制。不過當發射機增加 到3個和4個時，就會超出標準限制。
改進現有技術
圖3：802.11技術標準的發展進程。
802.11n中整合了一些節省開銷的機制；最主要的一項就是匯聚。匯聚時發射台必須等待，堆積本地將要發射的數據封包，並將其匯聚成一個‘超級數 據封包’。匯聚會增加封包大小並減少封包數量，因此降低了開銷。由於匯聚功能的實際交換速率為300Mbps，因此能在保持與802.11g/a相同開銷 的同時，為用戶提供高於150Mbps的數據率。
802.11n的另一個目標是改善覆蓋能力。如上所述，在最遠距離上，所有的802.11技術都能提供1Mbps的覆蓋能力，這是最低的 吞吐率指標。如果只是達到1Mbps，就不能說得到改善。不過，如果數據率高於1Mbps，則整體覆蓋能力將隨著天線和接收機越來越靠近而獲得改善，相對 於802.11g，802.11n標準加速了這種改善。
應用需求
事實上，沒有人需要數百Mbps的頻寬來進行網際網路瀏覽或文件交換。802.11n的關鍵應用在於視訊，特別是HDTV。由於802.11n可平行處理HDTV串流，故VoIP電話及網際網路上的文件交換可在同一網路上進行，且不會降低多媒體品質。
隨著2.4Hz頻譜變得越來越擁擠，可用頻譜越來越少。針對此一情況，802.11n還定義了一個5GHz頻段，該頻段遠比2.4GHz寬且大部份均未被利用。長遠來看，802.11n將為家庭用戶的多媒體應用開闢新商機，並為企業和公共熱點帶來更多優勢。
作者: Peter Grabienski
WLAN現場應用工程經理
peterg@marvell.com
Marvell半導體德國分公司
沒有留言:
張貼留言