ay: block;">第一代設備初始數據率只有1~2Mbps。隨著b的擴展,WLAN帶寬已增加到11Mbps,已可為電子郵件、文件共享和互聯網應用提供足夠的帶寬。而g數據率則達到了54Mbps,可實現音樂流以及其它豐富多媒體應用。

a標準將所支持的頻譜定義為5GHz,a所提供的數據率與g相同,不過它不能后向兼容先前的標準。隨著無線多媒體設備的普及以及高帶寬應用的增加,需要WLAN具有更高的數據率。為此,IEEE成立了n工作組著手開發新的WLAN標準。本文討論n的新特性、應用需求,以及與該標準相關的互操作性方面的問題。

核心技術MIMO

采用直序擴頻碼分多址(DS-CDMA)調制技術。由于頻段是開放頻段,可被多種無線技術利用,因此無線設備間的干擾是一個值得關注的問題。有一些“貌似可行”的技術據說可將數據率增加到54Mbps以上:

1. 將信道帶寬增加到40MHz,可以將數據率有效增加到108Mbps:但是,平行信道數從4個減少到2個,而且互操作性也將是問題；

2. 改進調制技術:不過64QAM(正交幅度調制)技術已達極限,無法改進；

3. 改進編碼方案:目前編碼方案已達極限,無法改進；

顯然,采用上述的這些技術來增加數據吞吐量是不可行的。最終,唯一可行的方案是在相同的并行信道上來傳輸多個數據流,即采用可控的多入/多出(MIMO)方式。

MIMO技術基于圖1所示的模型。采用MIMO技術,原始的數據流在發射端被分成多個子流,然后利用不同的天線進行發射。反過來對于接收機也是如此。發射機天線和接收機天線之間的關系就是人們熟知的信道模型。

該信道的數學描述由圖2所示的矩陣來表示。

圖2:信道模型矩陣。

接收機的任務是計算矩陣,因為它是一個可改變的常量。任何時候,接收機和發射機都可移動,即環境可改變。為進行動態重新計算,發射機發射一個前導信號(Preamble),這是一個通過所有天線發射的固定波形,帶有少許延遲。接收機偵聽該前導信號,以便理解什么數據將到達,并且如何為隨后到達的發射數據包構建發射矩陣。在訓練階段完成后,真正的數據傳輸才根據MIMO的順序安排開始。

圖1:MIMO技術模型。

表1來自目前n草案,表中給出了參數聯合及用于一個和兩個空間流的數據吞吐率計算結果。而對于三個和四個空間流的計算可通過簡單的乘法運算獲得。

表1:參數聯合及空間流數據吞吐率計算結果

n支持許多不同的模式,并且可以通過定義來兼容以前的舊有系統。工作在頻段上的n必須支持g和b。工作在5GHz頻段上的n必須支持a。

對表1中所出現的術語的解釋:

1. MCS:一個表明合適排的唯一標號；

2. 調制方案:與g/a中所用的調制模式一樣,即BPSK(二相鍵控)、QPSK(四相鍵控)、16QAM和64QAM；

3. 編碼率:這也沒有實質的變化,即1/2、2/3、3/4和5/6；

4. 20MHz與40MHz模式:n/g/a全部都是采用OFDM來對數據流進行調制。這里關鍵的在于所謂的數據音調數(即副載波數)。g/a采用48個副載波,n則在20MHz模式采用52個副載波,二在40MHz模式采用108個副載波；

5. 保護間隔:接收機能夠區別兩個相鄰符號的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. 用于MIMO的空間流的數量:n支持單數據流模式,標準最大數據流數量限制到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。

n最低數據率為,與g/a的6Mbps非常接近。差別在于n中為20MHz模式所定義的額外的四個導頻音(Pilot Tone)。四列為一個數據流定義了32種不同的速率,而對于兩個數據流則又定義了另外32種速率,從而使得最大吞吐率可達到300Mbps。三個數據流的吞吐率可以達到450Mbps,而四個數據流的吞吐率600Mbps。這是該標準中理論上所能實現的最大吞吐率。

圖3:技術標準的發展進程。

折衷方案

在實際設計中通常有許多折衷和約束,首要的也是最重要的就是成本。必須考慮天線的成本。此外還要考慮以下方面:

1. 功耗:接收機和發射機越多,n架構中所消耗的電流就越大。這對于便攜式嵌入式電池是至關重要的；

2. 天線間距:為了實現MIMO,天線必須有足夠的間距。標準結構的公交卡和USB棒都有規定的尺寸,不能更改；

3. 發射功率限制:在歐洲,ETS 300328標準中限定頻段的發射功率不得超過20dBm。目前,g OFDM調制所用的發射機的發射功率通常為16dBm,所以還有一點增大的空間。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,就將超出了標準限制。

改進原有技術

n中整合了一些節約開銷的機制；最主要的一項就是匯聚。匯聚時發射臺需要等待,堆積本地將要發射的數據包,并將其匯聚成一個“超級數據包”。匯聚增加了包的大小,減少了包的數量,因此降低了開銷。由于匯聚實際切換速率為300Mbps,因而能夠在保持與g/a相同開銷的同時,為用戶提供高于150Mbps的數據率。

n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,如果數據率高于1Mbps,則總的覆蓋能力將隨著天線和接收機越來越靠近而得到改善,而相對g5來說,n標準加速了這種改善。

應用需求

實際上沒有人需要幾百兆的帶寬來進行互聯網瀏覽或文本交換。n的關鍵應用在于視頻,特別是HDTV。由于n可以并行處理HDTV流,故VoIP呼叫以及互聯網上的文件交換可以在同一網絡上進行,而且不降低多媒體體驗。

隨著頻段變得越來越擁擠,可用頻段越來越少。好在n還定義了一個5GHz頻段,該頻段遠比寬而且大部分未用。n為家庭用戶的豐富多媒體應用開辟了新機會。此外,n還將為企業和公共熱點帶來益處。

作者: Peter Grabienski

WLAN區域工程經理

peterg@

Marvell半導體德國分公司