利用802.11n和5GHz实现高清家庭视频网络

很清楚，如果数字内容的可用性快速起飞的话，该行业不会依赖于消费者用以太网或同轴电缆对其家庭进行重新布线，因为无线网络的更快部署、更低安装成本、配置灵活性和其它优势已经很好地建立起来了。

然而，对基于IEEE 802.11a/b/g标准的家庭网络在家庭环境中传播高品质(特别是HD)视频的能力，人们一直持怀疑态度。担忧的主要原因在于：多种干扰、可用数据带宽以及来自其它采用相同频谱的设备的干扰。

发展中的IEEE 802.11n标准将改变那种状况，在适当地实现的802.11n Wi-Fi网络中，基于仍然在演变中的标准的原型系统，毫无疑问实现了高清晰度视频传输所需要的数据吞吐量、频谱可用性、对多径干扰的免疫性和品质要求。

在德国柏林IFA 2006展览会上，NXP半导体公司介绍了它的Connected Living(互联生活)的概念，其演示产品就工作在802.11n标准之上。在演示房间中，多个房间的PVR、DMA/PC服务器和一个音频网络集线器都通过无线方式连接起来，以便从任意一台设备把实况和录制的高清晰度内容流向若干台数字电视和便携式播放器。Connected Living是一种概念，在这种环境中，服务器设备如多房间PVR以及移动和汽车设备能够方便地建立连接，从而让用户能够访问已存储的或实况的内容，在家庭或移动中随时随地获得“信息、娱乐和服务”。

系统级考虑

如前所述，IEEE 802.11n是必需的，因为现有的802.11 a/b/g无线网络标准对消费电子应用存在重大的限制。此外，它们被创建来实现PC与PC之间的通信，往往对数据率的要求不是特别高，并且对断断续续的干扰完全能够容忍。例如，802.11g尽管有54 Mb/s的理论最大数据率，实际上它常常难以达到20Mbps的速率。在家庭这样一个困难的环境中，信号必须穿透墙壁，从而导致数据率将大幅度下降，这样的数据率就不够好。

基于专有技术的系统可以提供超过100Mbps的速率，但是，这些系统将迫使消费者购买采用相同技术制造的设备，从而引入兼容性问题。802.11a/b/g的巨大成功之一是从Wi-Fi认证获得了互用性。

在技术上有其它变化，这些变化对联网家庭所使用的联网技术的要求产生了重要影响。尽管编解码技术如MPEG4、H.264和WMV9的进步降低了传输给定的数据流所需要的带宽，但是，其它趋势还驱动着增加这种需求。向高清晰度转移的趋势使联网音频设备进一步渗透，在整个家庭网络的现有数据流中还必须同时支持VoIP。

重大的技术集成是必需的，集成商需要对设备有尽可能多的了解，这些设备包括电视机、机顶盒、蜂窝电话，同时，还要掌握联网标准—如UPnP和数字生活网络联盟(DLNA)标准，正如需要掌握无线联网技术一样。把视听设备联网与把计算机联网有很大的不同，掌握整个系统的专门技术是成功的关键。

根据这个背景，802.11n将进一步推进家庭无线联网，供应商必须着手实现这个版本。

MIMO技术

基于802.11n的系统具有空前的性能，它采用的核心技术就是天线分集技术，也称为MIMO(多输入多输出天线)技术，此外，还有其它技术的贡献。图1所示是天线分集的一个简单例子。左边天线发射的信号，被右边三根天线接收。实际上，在MIMO系统中，有一条以上的发射天线。从各个天线下来的信号，每一个都要经过相位和幅度的调节，然后，组合起来构成一个实现最佳可能结果的输出信号。

在多路径环境—特别是在接收设备如机顶盒可能时常移动的家庭环境—中，MIMO把不同路径的信号挑选出来并组合成鲁棒的数据流的能力是颇有价值的。进一步说，这种MIMO安排能实际发挥多路径的优势，以增强鲁棒性和性能。

图1：多天线创建更为鲁棒的输出信号

图1描绘了1:3的MIMO配置。从理论上说，采用任意数量的发射和接收天线都是可能的。重要的是要注意：所有天线的发射和接收频率都是相同的。为了把多径信号去相关以合成为一个鲁棒的输出信号，需要大量的计算；并且配置通常涉及相对少的几个天线(如2:2和2:3)。

天线分集的目标是使每一个天线的衰落独立于其它的天线，并最小化所有信号相同地衰落的可能性。实现独立衰落的方式有三种：

1. 把各个天线间隔尽可能远

一般来说，1/4波长间隔足以实现独立的衰落，如果散射环境产生有所有方向抵达的信号的话。

2. 把各个天线指向不同的方向或让各个天线具有不同方向图。

3. 因为每一个天线都有不同的信号路径，所以，衰落是独立的，采用了不同的极化。

可以把天线的分隔距离、方向图以及极化分集混合起来使用，对天线数量的实际限制是每一个天线所需要的RF电路的成本、复杂性和功率。

MIMO显著地产生出众的结果：与传统的1发射器、1接收器的系统相比，2:2配置的系统把物理层(PHY)数据率提高了一倍。鲁棒性也得到了改进。数据率加倍常常伴随着接受灵敏度也提高8dB。

选择2.4GHz还是5GHz频段？

从整个系统的观点看联网家庭，为了发挥802.11n规范中的选项优势，至少有两个原因要采用5-GHz而不是更为流行的2.4-GHz频段。最重要的原因在于，2.4GHz频段已经被严重地利用(滥用)。如果把全世界的蓝牙、无绳电话和现有的802.11 a/b/g/设备都计算在内，可能有超过10亿台设备在使用该频段，并且绝大多数是移动设备。这种设备之间的干扰在以数据为中心的应用中是可以容忍的，因为用户对于花上几百毫秒载入网页可能不在乎，但是，在视频应用中这么长的下载时间将会导致看得见的图像干扰，这是无法接受的。

另一方面，5GHz频段被使用得不多。主要原因在于设计能够满足消费者价格点的设备比较困难。因此，全球大约只有5,000万台设备工作在5GHz频段，并且其中大多数是在日本使用的802.11a设备。

这样看来，在联网家庭的消费电子设备一侧拥有专门技术的公司，需要在802.11n领域具有高超设计能力的合作伙伴，由他们对用于5GHz频段的解决方案进行最优化设计。

5GHz频段的其它优势在于有更多的可用频谱被用做避免干扰的策略。性能改进的一部分是由802.11n的Channel Bonding技术实现的。

根据仙农的信道容量定律，一个通信系统的理论数据容量极限随带宽可用性线性地增加。这意味着提高数据率的最简便方式就是扩展其工作带宽，这被称为Channel Bonding(通道绑定)。

通道绑定

对于无线LAN系统来说，通过把两个临近的20MHz通道绑定到一个40MHz的通道，可以获得额外的带宽。带宽实际上提高一倍以上，因为两个绑定通道之间的保护频带也取消了。

图2：通道绑定增加带宽，提高天线分集的性能

2.4GHz频段的问题在于，它仅仅有三个不重叠的20MHz带宽，这就使得通道绑定最好情况下也会存在问题。另一方面，在大多数国家中，5GHz频带的不重叠通道在10到20个之间，因而，有极佳的机会利用通道绑定来实现如图2所示的结果。

对于设计从计算机到计算机的网络的工程师来说，通道绑定和频谱可用性可能不能证明：为了设计一个5GHz无线电设备所增加的工程设计时间和成本是正当的。然而，对于设计家庭网络的工程师来说，折衷是相当不同的。发展中的802.11n标准并没有把采用5GHz频带和通道带宽作为强制要求，而是包含在选项之中。

前向纠错(FEC)

前向纠错也是视频传输的重要技术。以前的802.11版本(即a/b/g)打算供PC到PC之间的通信，它采用卷积码作为误码检测，这种卷积码也是依次从更早的IEEE标准继承下来的。

然而，802.11n提供另外一个选项—低密度奇偶校验检查(LDPC)，这种方法提供的代码增益大约比卷积码的增益高3dB。此外，当需要低的包错率(PER)和高数据率时，LDPC的编码好处最大——并且这正是像视频传输这样的应用条件所迫切需要的。

LDPC不是一种新的技术。它已经被DVB-S2卫星广播和基于铜标准的10Gbps以太网所验证和采用。

LDPC编码是由非常稀疏的奇偶校验检查矩阵表示的线性分组码。附加的编码增益能被用于在相同的数据率下扩大覆盖范围。例如，3dB的LDPC编码增益相当于把覆盖范围提高了30%。它也可以被用于提高吞吐量或增加鲁棒性以及对干扰的免疫性。

前向纠错(FEC)是另一个例子，其中，视听系统的专门技术导致不同于个人电脑的结论。FEC在芯片级实现最佳，并且大多数芯片组供应商看来都没有走LDPC路线。Metalink公司的WLANPlus就是采用LDPC而不是传统的卷积编码的一个产品例子，它有很大的优势。图3的仿真显示了用Metalink公司的WLANPlus芯片组实现的一个2 x 3 MIMO系统。结果包括通道绑定的影响，并利用了ETSI通道A模型，每个天线的输出功率为13dBm，LDPC和非LDPC模式工作的SNR差为3dB。

图3：LDPC前向纠错的好处

LDPC编码增益的优点使得以较低的SNR获得更高的吞吐量成为可能。这种SNR增益相当于减低了RF成本，提高了速率或增加了如上所述的覆盖范围。

服务质量(QoS)

视频、游戏和类似的数据类型对带宽波动是不能容忍的，并且这给现有的802.11协议造成了一个问题，因为它们对无线媒介采用分布式协调功能(DCF)访问方法。不幸的是，DCF被选用于计算机传输。正因为如此，它让每一个器件均等地访问媒介。在此，从具有视频系统专门技术的人的观点来看，由DCF提供的公平访问必须被认为是不充分的。然而，它将保持一种选项，一些芯片制造商可能实现这个选项。搞定QoS一直是一个受到热烈争论的主题。IEEE 802.11e标准提供两个选项：增强分布式协调功能(EDCF)以及混合式协调功能受控制频道存取(HCCA)。然而，在2006年5月，Wi-Fi联盟董事会终止了HCCA任务组的工作，为具有适当的认证计划的QoS留下WMM(EDCA)作为唯一的方案。

EDCA有四个优先级，它们也称为访问类(AC)：语音、视频、最佳努力、背景。通过设置帧之间的间隔、竞争窗口和其它参数，为每一个AC的EDCA参数集定义优先级。用来确定所需传输时间的对媒介接收机制，类似于由DCF定义的机制。

然而，与DCF不同，不同的AC具有不同的最大等待重传(back-off)时间。与优先权较低的AC相比，较高优先级的AC具有较短的最大等待重传时间，能够比较低优先权的AC更频繁地获得对无线媒介的访问。

共享相同的AC的应用或包也具有相同的最大等待重传时间。这让它们有相同的机会获得对无线媒介访问。EDCA的实现相当简单，但是，不能保证延迟、抖动或带宽，并且没有办法以相同的优先级处理若干应用。一种组合方法是以EDCA为基础加上准许访问控制(Admission Control)。

在具有相同的优先级条件下，准许访问控制防止其它流量削弱已准许流量的行为。如果系统资源不足以支持两个高优先级的服务，它确保新增的高优先级服务不会降低优先级相同的现有服务的性能。

例如，尽管EDCA利用数据服务传输视频服务具有较高的优先级，但是，如果试图再传送一条视频流就可能破坏两条视频流。准许访问控制评估该系统的资源；如果发现资源够用，就容许采用附加的视频流。

EDCA准许访问控制在AP是强制性的，在基站是可选的。AP可能需要各个站支持准许访问控制，并且，如果它们希望采用一个访问类的话，会明确地要求访问权。

在典型的场景中，基站指定其流量流动的要求(数据率、延迟范围、包大小和其它)并请求AP批准。AP根据当前以发出的请求的集合，计算现有的负载。以现有的条件为基础，AP可能接受或拒绝新的请求。

如果一个请求被拒绝，在基站内部的高优先访问类就不许采用高优先访问参数，并且必须用较低优先级的参数取而代之。EDCA加准许访问控制网络采用与传统网络严格相同的机制，并且它采用相同的分布式架构，在那里，关于传输时间的决策被留给基站来做。

EDCA加准许访问控制利用了EDCA相当简单地实现的优势，但是，仍然利用了准许访问控制的好处(它最初被包含在最近放弃的HCCA中)。正因为如此，EDCA加准许访问控制现在是针对QoS实现首选。

IEEE 802.11n的演变

IEEE最近把802.11n第二版的最终批准目标日期定到2009年。尽管该标准还在演进，大多数专家认为，在802.11n之前的解决方案的互通性将得到改进。实际上，该标准大部分已经准备就绪。此外，标准组织和行业协会如Wi-Fi联盟有一些不同的利益。行业集团想及时地把产品推向市场，并随着标准的演变与该标准的一个子集一道工作来实现这一点。对于设计工程师来说，另一个重要考虑就是新的基于802.11n产品的集成度。在此，它最好考虑过去的性能。

大多数无线解决方案现在都是以模块的形式提供的，因为主要市场是笔记本电脑和路由器。从短期来看，这将延伸802.11n解决方案；从长期来看，关于何时作出把一个完整的802.11n解决方案与消费电子芯片集成在一起的决定，将取决于该标准何时稳定下来并获得接受。换言之，无论可能突然出现什么问题，当显然没有后续标准时，那么，进一步的方案集成就是值得继续下去的事情。

对于符合新无线标准的芯片组来说，过去的性能也提供一个良好的指南。如果802.11n的报价遵循与802.11g相同的趋势，它将在两年内从其最初上市的20美元下降到小于10美元。早期人们采用标准预案设计的产品来培育市场，一旦802.11g芯片组下降到10美元以下，市场就会真正在批量上起飞，使大量市场成为现实。

本文小结

尽管802.11n标准可能看来进化发展于以往的802.11变量，它确实代表一种不连续点。过去的变量都是从PC对PC的链接的观点创建的，通过在802.11n标准内选择合适的选项，它将成为用于联网家庭中视频传输的有发展潜力的标准。

这意味着成功的实现不仅仅取决于连接性的专门技术，而且也取决于消费电子的专门技术。因为这代表着个人电脑世界与消费电子世界在“芯片级”的融合，最佳的解决方案来自广泛的合作伙伴关系。例如，NXP半导体与Metalink对联网家庭有相同的设想，因此，他们携手并与其它具有相同联网家庭设想的公司一道工作就是自然而然的事情。在联网家庭中，消费者能够从所有的信息、娱乐和服务源在家庭中和移动中随时随地访问数字内容。

关于作者

Paul Martin是NXP半导体公司家用电子事业部的战略市场经理。他是消费电子系统的专家，负责事业部的中长期市场策略，达成战略合作伙伴关系，以提供NXP的互联生活的景象。