802.11技术演进及应用需求分析

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频宽应用的增加，WLAN必须具备更高的数据率。为此，IEEE成立了802.11n工作组，着手开发新的WLAN标准。本文将探讨802.11n的新特性、应用需求，以及与该标准相关的互通作业性问题。

核心技术MIMO

802.11采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)调变技术。由于2.4GHz频段是能被多种无线技术使用的开放频段，因此无线设备间的干扰是值得关注的问题。目前，一些‘看来可行’的技术，据说可将数据率增加到54Mbps以上：

1. 将讯息信道频宽增加到40MHz，可将数据率有效增加到108Mbps。但平行讯息信道数将从4个减少到2个，且互通作业性也将是问题；

2. 改进调变技术，但不幸的是，64QAM(正交振幅调变)技术已达极限，无法改进；

3. 改进编码方案。但目前的编码方案已达极限，无法改进；

显然，采用上述这些技术来增加数据吞吐量是不可行的。唯一可行的方案是在相同的平行讯息信道上传输多个数据串流，即采用可控制的多输入/多输出(MIMO)方式。

图1显示了的基本的MIMO技术。采用MIMO技术，原始的数据串流在发射端被分成多个子串流，然后利用不同的天线进行发射。反过来对接收机也是如此。发射及天线和接收及天线之间的关系就是人们熟知的信道模型。

图1：MIMO技术模型。

该讯息信道的数学描述由表2所示的矩阵来表示。接收机的任务是运算矩阵，因为它是一个可以改变的常数。接收机和发射机可在任何时候操作，即环境可以改变。为了进行动态重新运算，发射机会发射一个前导讯号(Preamble)，这是一个透过所有天线发射，并仅具些微延迟的固定波形。接收机会侦听该前导讯号，以了解何种数据即将到达，以及如何为随后到达的发射数据封包建构发射矩阵。在训练阶段完成后，真正的数据传输才会根据MIMO的顺序安排展开。

表1：

表1来自目前的802.11n草案，提供了参数组合以及用于一个和两个空间串流的数据吞吐率运算结果。针对三个和四个空间串流的计算，可透过简单的乘法运算来获得。

802.11n支持许多不同模式，并可透过定义兼容旧有系统。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。

在表1中出现的专有名词均有其代表意义：

1. MCS：显示合适排的唯一标识；

2. 调变方案：与802.11g/802.11a中所用的调变模式一样，即BPSK(二相频移键控)、QPSK(四相频移键控)、16QAM和64QAM；

3. 编码率：并没有特殊变化，即1/2、2/3、3/4和5/6；

4. 20MHz与40MHz模式：802.11n/g/a均采用OFDM调变数据串流。此处的关键在于所谓的数据音调(即副载波编号)。802.11g/a采用动态48音调，802.11n则分别在20MHz与40MHz模式采用52音调与108音调；

5. 保护间隔：接收机能够区别两个相邻符号之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的空间串流数量：802.11n支持单数据串流模式，标准最大数据串流数量限制为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。

图2：讯息信道模型矩阵。

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模式定义了额外四个导频音(Pilot Tone)。第四栏为一个数据串流定义了32种不同速率，而对于两个数据串流则又定义了另外32种速率，使得最大吞吐率可达到300Mbps。三个数据串流的吞吐率可达到450Mbps，而四个数据串流的吞吐率为600Mbps。这是该标准中理论上所能实现的最大吞吐率。

折衷方案

在实际设计中，通常会有许多折衷和约束，首要的也是最重要的就是成本。必须考虑天线成本与以下各方面：

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。这对可携式嵌入式电池至关重要；

2. 天线间距：为实现MIMO，天线必须有足够的间距。标准的Carbus和USB随身碟均有规定尺寸，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调变所用的发射机发射功率通常为16dBm，因此还有一些增加的空间。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，就会超出标准限制。

改进现有技术

图3：802.11技术标准的发展进程。

802.11n中整合了一些节省开销的机制；最主要的一项就是汇聚。汇聚时发射台必须等待，堆积本地将要发射的数据封包，并将其汇聚成一个‘超级数据封包’。汇聚会增加封包大小并减少封包数量，因此降低了开销。由于汇聚功能的实际交换速率为300Mbps，因此能在保持与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，则整体覆盖能力将随着天线和接收机越来越靠近而获得改善，相对于802.11g，802.11n标准加速了这种改善。

应用需求

事实上，没有人需要数百Mbps的频宽来进行因特网浏览或文件交换。802.11n的关键应用在于视讯，特别是HDTV。由于802.11n可平行处理HDTV串流，故VoIP电话及因特网上的文件交换可在同一网络上进行，且不会降低多媒体质量。

随着2.4Hz频谱变得越来越拥挤，可用频谱越来越少。针对此一情况，802.11n还定义了一个5GHz频段，该频段远比2.4GHz宽且大部份均未被利用。长远来看，802.11n将为家庭用户的多媒体应用开辟新商机，并为企业和公共热点带来更多优势。