无线局域网——展望未来

标准的发展趋势
符合802.11b标准的无线局域网为市场上无线网络的发展搭建了稳定的平台。Wi-Fi标准可保证不同厂商产品的互操作性，从而确保最终消费者投资的安全。随着与802.11b同在2.4 GHz带宽上运行的更新802.11g网络的推出，无线网络得到进一步发展。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，消费者也可以选择在5 GHz频段上以相同的速率运行802.11a系统。然而，在欧洲，这种选择受到一些管制规则的限制(见802.11h部分)。目前，支持两种频率的系统正在竞相投放市场，它们被称作“多模”、“combo”或“802.11a/b/g”等。Wi-Fi联盟正在对这些速度更快的网络类型的互操作性进行测试。但迄今为止，还没有任何WLAN可以保证能达到传输话音和视频流的带宽和服务质量要求。为了解决这个问题, 802.11e标准已经被提出来了，虽然还没有得到最后通过，但当时标准的提出使基于802.11/Wi-Fi的业务、服务质量得到了飞跃。不过还是有一些额外的需求被提出来，比如说在移动的设备上进行基于音频和视频的娱乐活动。所以尽管近些年基于802.11业务的能力和性能得到迅猛发展，但是目前的情况只是在更新更强业务提供出来前的一瞬间，这种更新更强的标准就是802.11n， 这种标准基于增强的射频技术， 能够提供更高的带宽，增强的纠错性能和流量管理特性。

服务质量—802.11e
WLAN网络符合CSMA机制，与人们熟悉的以太网类似，它也根据突发式访问机制(在本文中通常称为“尽力而为”)传输数据。由于特定的传输频率在某个地点和时间只能由一个站点连续使用，因而我们使用CSMA机制尽可能公平地为网络上的所有服务器服务。在很长一段时间内，每个站点通过网络接收到的数据量总体而言是相同的，但随着时间推移，我们并不能保证数据容量，也不能保证它们在短时间内可以得到平等分配。在原来的802.11标准中，它被称为分布式协调功能(DCF)，也称为点协调功能(PCF)，后者鲜为人知，因为它从来没有实施过。在PCF中，WLAN的接入点(AP)可以设定固定的时间阶段，此阶段DCF功能被关闭，即所谓的无竞争阶段(CFP)。在这段时间内，属于DCF区域的站点被要求保持静默或者不激活状态，而AP则轮询属于PCF区域的站点，从而提供一种“准服务质量”。然而，PCF虽然具有固有的QoS能力，但还是存在一些不足，所以从未得到正式应用。
802.11e的QoS标准目前仍在制订过程中，它在QoS的管理上有了长足的进步，使得推广类似Voice over 802.11的业务成为现实。但是在802.11e的规范中仍然需要包括或增强相应特性，从而保证“无线娱乐”这样多媒体流业务能够得到象有线传输一样的质量。802.11e为网络站点创建分配带宽的机制，并为物理介质(如果媒介无法再传输数据，例如严重干扰，将不能保证数据速率。因而这些保证只针对“已在运行的媒介”)中可能发生的意外情况提供时间保证。该标准提供了两种机制，既可单独使用，也可结合使用。这种功能称为无线多媒体扩展(WME)，而在标准中又被称为扩展数据信道访问(EDCA)，它可实现不同数据流的优先权分配。为此，每个站点和AP可以实现最多4种类别(背景、尽力而为、视频、音频)，根据802.1d区分优先级的数据包将被映射到访问类别。QoS的实现如图1所示。
为执行该功能，每个站点的传输终端具有相应的4个等候队列，发送到传输终端的数据包可以进行分类。此外，每个站点的规则是：清空优先级较高的队列，然后处理优先级较低的队列。作为标准类别，“尽力而为”业务可与DCF进行协调。背景数据流的优先级最低，只有在网络允许时才被传输。顾名思义，视频和音频就是传输图像和话音，此时应该考虑到它们对网络的特定需求。因为网络的需要，这时站点不能象以往那样，只为一个数据包占用无线网络，而是为一个系列的数据包 (在此定义TXOP为传输机会)，这对视频系列尤为有利。但必须注意的是，EDCA过程也称作参数化的服务质量控制，是一种统计学上的优先权分配方法。从长期来看，具有更高优先级的数据流仍然会被分配给更多的带宽。就短时间间隔来说，低优先级数据流的速率也可能比中优先级数据流的速率快。EDCA无法为严格的同步数据流或实时应用提供足够的安全性。
802.11e中的第二个访问程序是混合控制信道访问(HCCA)，它实施真正的轮询。为此，可在AP上安装控制装置(HC为混合控制器)，负责轮询(有趣的是，标准没有说明如何实施HC)的管理。该站点接收8个出口队列，它们根据需求将数据分配到队列中，以进行传输。所有等候队列必须通过所谓的流量规范(TSPEC)注册到AP。该TSPEC包含了站点对等候队列的“期望要求”(最小和最大的服务间隔，最小的TXOP期限)。AP将返回一个所谓的日程表，其中包含等候队列的实际分配。这意味着它可能不符合“期望要求”。例如，如果AP已经超负荷，不能再处理更多数据流，这种要求甚至可能遭到完全拒绝。现在，HC负责通过轮询处理各个站点排队。由于HCCA具有绝对的优先权，高于EDCA，因而HC实际上能够在任何时候进行控制，通过适当方式处理要求严格(包括数据速率和同步性要求)的数据流。在此期间，EDCA被挂起，未处理相应的数据流。
除上述两种主要机制外，802.11e还提供以下特性：扩展的节能机制、更强的同步程序、拦阻认可，以及绕过AP在站点之间直接交换的“直接链路”。该标准已经出台了第四个草案，可能会在2004年中期通过审批。

5GHz在欧洲—802.11h
在世界各地，根据802.11a标准， 5GHz组件必须适应不同的波长范围。
802.11a 技术在美国使用比较普遍，发射输出一般为200mW或更高(达到1 W)，采用美国现有的全频范围。但是，在欧洲，只有在支持802.11h标准的以下重要单元时，才允许以较低的带宽(5.15~5.35 GHz)支持200mW输出，以高带宽(5.47~5.725 GHz)支持1 W的输出，而且只有以下两个802.11h标准的重要原理被支持时才能使用现有的所有信道。
?动态频率选择(DFS)。网络(即AP和相关站点)可根据目前的频谱情况，自行选择频率。如果必要，可以改变当前使用的频谱，以避开雷达和卫星的传输。通过这种方式，也可以避免其它WLAN，最高效地利用波长。
?传输电源控制(TPC)。 所有通信合作伙伴的发射输出必须符合当前要求。在德国，规定的正常范围是6 dB。这样可以最大程度地减少其它WLAN的干扰。如果不支持TPC/DFS，在德国REGTP则只允许使用5.15~5.25 GHz，最大的发射输出可达30 mW。
802.11h标准对大量新数据包类型和信息领域进行了规定，站点和AP可与它们交换有关发射输出和频率选择的信息。在连接阶段，当站点和AP熟悉时，两者的“能力”就能相互协调。在此，如果发现站点违反本地规定(比如发射输出过高，频率支持不匹配)时，AP就可以拒绝该站点。如果本地法规允许，在某些情况下，也可接受不支持802.11h的传统站点。
这一任务看似简单，实施起来却颇为不易。DFS机制必须检查雷达信号能否被识别(在系统启动和当前运行时)。这种情况下使用的标准是ETSI EN 301893。规定的测试脉冲是2~60(符合802.11h的 WLAN启动被延迟，至少目前尚未应用)，脉冲宽度是5~210 ms。脉冲识别的阈值是-64 dBm，也就是WLAN可运行的波长。为进行有效的测量，AP可能暂时关闭WLAN(静态)，提示相关站点执行它们各自的测试标准，然后把测试结果转发给AP。如果雷达识别结果为正，则目前频率上的运行会被中止，并且寻找其它“空”频率。放弃的频率随后会堵塞30分钟，系统不会考虑更多的DFS活动。实施DFS的诀窍是：将这些过程集成到数据包传输中，使用户不会注意。
在当前的运行中，TPC机制负责动态调整相关AP站的发射输出，以控制无线信元的尺寸，从而最高效地利用频率。为达到这一目标，它将交换所谓的TPC请求和报告数据包，从而确定连接水平。但遗憾的是，标准没有明确规定：在这种情况下，必须应用哪种标准和方法，对于制造商而言这也是一个问题。

高吞吐量的WLAN (802.11n)
最近，许多基于IEEE 802.11的无线产品竞相进入市场，达到最快54 Mbit/s的数据速率。然而，高清晰度视频传输、家庭影院等全新应用对数据速率却有更高的要求。针对这一情况，IEEE成立了“n”工作组，负责制订支持超过100 Mbit/s数据吞吐量的标准。
对于802.11a和 802.11g，物理层上的数据速率是54 Mbit/s。由于系统的消耗，数据在系统上传输的真正速度(数据吞吐量)只有30 Mbit/s。新的802.11n标准旨在提高效率，并试图通过增加物理层数据信道的使用来提高速度。现有三种提高数据速率的方法：
?调制扩展。802.11a和802.11g标准最多使用一个64正交振幅调制(QAM)。在此期间，6bit数据同时在一个载波上调制。可以将该数值增加到256 QAM，每个载波调制8bit，将20MHz信道上的数据速率增加到72 Mbit/s。调制间隔的继续减小是个极为不利的因素，因为接收者需要更好地接收信号，才能区别256个调制条件。
?增加信道带宽。目前，高频信道的带宽是20或25MHz。通过合并或扩展这个规模，可增加调制频率，从而提高数据吞吐量。但这会使本来就不多的信道数量继续减少。
?增加传输路径。不同数据可在相同频率下通过不同路径同时传输，这一技术称为MIMO(Multiple Input - Multiple Output)，它指代一个过程(Agere于2002年10月在埃因霍芬大学展示了MIMO，速率为162Mb/s)，在该过程中，多部天线同时在发送和接收端使用。MIMO为频率和时间范围增加了第三个维度，即空间，这不会与天线分集混淆 (在WLAN技术开始时就使用)。在天线分集中，任何情况下都只能使用最好的发送和接收天线。MIMO可在同一载波频率上同时传输不同数据流。由于墙壁和天花板的反射，天线的发射会在接收器的多个天线上产生不同的信号强度和相位长度。原始数据可以使用数学过程，从单个天线接收的混合信号中恢复。因此，只有产生足够的反射，MIMO才能发挥作用。提高多台发射器和接收器的技术费用会使系统成本提高。802.11n标准有望在2005或2006年获得批准。

无线技术—将把我们带往何处
在90年代，WLAN作为superhet设计，通过一个或几个中频就能提供尽可能高的选择性和敏感性。但是，由于系统问题，它需要大量零散组件，却很难集成。作为选择，我们可以利用ZIF(零中频)或VLIF(极低中频)方法，来提供高度集成、优化成本的解决方案。这就使另一种方法应运而生，它甚至适用于应用技术。在90年代，高频应用的集成电路仍然使用双极技术生产。集成水平较低，无线功能在电路板中占用非常大的面积。现在，凭借RF-CMOS或Bi-CMOS技术，我们可以生产ZIF或VLIF的无线产品。两种技术各有优缺点。RF-CMOS可在一个芯片上集成无线和逻辑，是最高水平集成的理想之选。而Bi-CMOS则有更好的高频特性，并且系统运行所需的外围设备较少。
凭借ZIF，接收信号直接在基带中实施，不需要时间密集的中频过滤器和混合器。然而，必须在一个频率上对接收信号进行必要的整体放大，这使各层之间的绝缘变得更为重要。非优化布局在敏感度方面的风险是接收器的敏感度降低了，不能超过ZIF要求的芯片范围。解调信号的波长和DC一样小，因此，特别适合于CCK信号的接收(比如在802.11b中使用)。但是，即使接收频率的微小变化也能在调解信号中产生错误电压，那么也就缩小了OFDM调制的波长(如在802.11a和802.11g中使用)。
VLIF接收器的工作原理与ZIF迥然不同。接收信号不会直接转换到基带中，而是转换到一个非常低的中频 (ZF)中。由于ZF较低，传统过滤器不再是单独模块，而是作为集成电路的功能进行实施。为进行过滤和解调，人们选择了数字信号处理方法，从而在数字电路中实现可重复的实施。VLIF接收器的传输具有高吞吐量特点，而对于CCK信号，这种优势就不明显了。然而，由于不存在直流电压失调的问题，OFDM调制的动态范围没有受到限制，所以接收敏感度能达到最佳状态。
两种系统都有DAC或ADC，这些转换器的特点，比如扫描速率、位数和线性，都是实施无线技术的重要因素，对整个无线系统质量的影响非常大。如果说在90年代，无线领域仍然是带有许多平衡点的模拟技术一统天下，那么随着数字技术的出现，许多模拟技术已转换为数字技术。
ZIF和VLIF等接收器加强了集成，有助于降低生产成本。显而易见，接收器和制造技术的选择并非一个无足轻重的问题。每种设计都考虑到不同因素，以进行优化。从现在的观点来看，包含VLIF和ZIF的接收器似乎特别适合于无线局域网的传输。

UWB—竞争和补充
超宽带是WLAN中经常提到的术语。原则上，这是一种运行在非常低的光谱密度中的调制技术(FCC极限是-41 dBm/MHz)，但同时，它也分布在很广的波长范围内(波长范围为FCC3.1~10.6GHz内的500MHz)，因而能产生非常短的脉冲(100ps~10ns)，直接传输到天线上。
这种调制经常与IEEE 802.15.3工作组制订的标准混淆，IEEE 802.15.3标准的重点是媒体信息(话音和视频)的传输，并将超宽带视为可能的调制方式。作为个人网(PAN)，它专为较短距离的传输而设计，类似于蓝牙技术。
提供802.11e QoS的WLAN实际上被视为802.15.3系统的竞争对手，两种技术各有优缺点。一旦标准获得通过，提供QoS的WLAN必能投入使用。由于双方(宽带OFDM和DS-CDMA)的僵持，802.15.3组已被暂停使用。■