频段交错技术加快向下一代WLAN演进

作者:Kevin Mapplebeck 意法半导体无线局域网事业部营销总监一种在双频工作的无线系统能够以低廉成本在2.4GHz和5GHz无线局域网络之间搭起互通桥梁

　　今天的802.11b/g WLAN (无线局域网)因为信道过于拥挤而正在快速耗尽所有的容量；虽然频率更高的802.11a WLAN能够提供更大的信道容量，但是将现有系统升级成双频接入点网络系统却需要运营商为此支付巨额资本。现在，新出现的一种叫做频段交错的技术能够有效地解决这个问题，而且成本十分低廉。

　　iSuppli等市场调研公司估计，2004年出产的无线网络接口超过8000万个，到2008年之前，这个数字将攀升到每年2亿个。但是，这种极高的普及度将会引起信道拥挤，因为基于802.11b/g 标准的第一代无线网络提供给用户的信道数量十分有限。

　　WLAN是通过连到接入端口的无线电链路，把客户机节点连接到网络，802.11标准为这些链路定义了若干个无线信道，802.11b标准规定了11个无线信道，原始数据传输速率11 Mbps；802.11g标准将这一数据速率提高到54 Mbps。在这两种情况下，可用信道在频率上都会重叠交错，导致网络覆盖的服务区只有三条非重叠的信道可以使用，结果这个服务区的用户只能共享这三条信道的数据带宽。这三条信道还会受到其它无线电信号源的干扰，因为802.11b/g WLAN标准采用了拥挤的2.4 GHz无线电频段，这个频段还被用于各种应用，其中包括蓝牙无线连接、无线电话机甚至微波炉，这些应用在这个频段产生的干扰可能会进一步限制WLAN用户的可用带宽。

　　在已知的WLAN范围内只有很少的用户时，这些限制还不算是一个问题。但是，随着在某一个服务区的用户的数量不断增加，用户的可用信道容量就开始下降。随着用户对带宽需求的提高，WLAN这种拥挤性开始显现出来。如果过去WLAN只是用于满足间歇性网络浏览的需求，而现在则必须在家庭网络上连续几个小时高速传送大量的多媒体数据，视频流和媒体流等新的应用提高了每个用户的平均带宽需求量。

　　802.11a网络大大提高了可用带宽

　　为了解决这些问题，用户必须转向IEEE 802.11a标准定义的下一代WLAN。这个标准要求在5 GHz频段建立无线电信令系统，允许在一个给定的服务区内最多有8个非重叠信道。尽管每个信道的数据容量与802.11g标准WLAN相同，但是每个用户的可用带宽却提高了两倍。另一个优点是，使用5 GHz频段的其他服务种类数量很少，只有雷达和卫星等服务，它们不会对普通的WLAN用户产生干扰。

　　把客户机节点升级到802.11a标准，同时兼容现有的802.11b/g标准相对来说比较容易，用户只需安装一个双频通信设备即可。当双频设备想要把用户连接到WLAN时，它只扫描无线电频谱，确定哪个频率正在使用中，然后将射频切换到相应的频率即可。

　　不幸的是，网络升级不是件容易的事情。客户机节点可以选择要使用的频段，所以它兼容两种网络类型中的任何一种。然而，如果网络同时兼容以前的2.4 GHz 和新的 5 GHz，网络的接入点则必须能够在双频段内同时通信。

　　双频接入点成本昂贵

　　这种双频接入节点如图1所示，双频接入节点的实现成本相对较昂贵，这是因为它们必须集成两个独立的射频电路，而射频电路又是节点中成本最昂贵的元件之一。处理数据流量的CPU的成本也会增加，因为它必须处理两个同步数据流。所以，与单频设备相比，双频接入节点通常需要一个处理速度更快的CPU，结果双信道方法比单频方法提高接入节点的成本近一倍，典型材料单（bill of materials）的成本至少增加了20美元，这一成本负担阻碍了网络运营商采用802.11a标准的步伐。

　意法半导体（STMicroelectronics）公司率先推出了另一个可以选择的解决方案，这个新方案叫做频段交错技术，它几乎可以免去这一成本负担。采用频段交错技术的接入点在两个频段之间交替工作，而不是同时工作在两个频段内。采用一个“零中频”无线电设计，频段交错方案允许两个无线电频段共用从频率合成器直至上变频混频器的所有元件。共享元件使射频设计占用的芯片面积仅仅稍大于1mm2，使双频射频的成本比单频略高一点，从而使采用频段交错方案的双频接入节点比普通的单频接入节点的成本仅略高一些，典型设计的材料单成本只增加了不到5美元。

　　频段交错对于用户是透明的，它使用现有的协议管理独立的双频段信道，所以用户节点无需安装特殊的软件。当接入节点与客户机节点不在同一个频段信道时，频段交错方法禁止客户机节点试图发射信号。频段交错技术使用频段转换速度十分快（不到20ms）的射频芯片，而且转换对于TCP和802.11信令协议是隐蔽的。

　　频段交错方案通过管理两个频道之间的交替转换来确保数据传输的透明性。这样，信道不会显得只得到半个预期带宽。管理频率交替操作有两种方法，其中一种是静态方法：接入点在每个频率上工作固定间隔。另一种是动态方法：接入点根据某一时刻频段内的数据流量给每个频段分配时间。频段交错方案在每个频段使用动态时间分配方法，以最大限度提高带宽的利用率。

　　竞争协议是共享的关键

　　实现这一透明水平的关键是以创新的方式利用802.11竞争协议，这个协议规定在发送数据前节点要检查信道的数据流量。如果一个节点检查到数据流量，它就会等候直到信道发送请求被清除时才会尝试发送数据。两个节点如果同时发送数据，就会检查到冲突，然后撤消发送请求，稍后再尝试发送操作。

　　为了防止冲突重复发生，节点中含有一个可以按照固定速率递减的计数器。当计数器含有一个非零数时，节点就不能发送数据。当两个节点冲突时，计数器内就会增加一个随机数，以降低下次尝试发送数据时两个节点冲突的可能性。网络控制器还可以通过网络分配矢量（NAV）来设置计数器，以确保某些节点享有优先接入网络的权限。

　　无线系统中会出现两个或多个节点因为没发现已经存在的冲突而进行传输的情况，图2所示就是这样一种情况。当移动站A正在给移动站B发送消息时，移动站C也试图给移动站B发送消息，因为两个移动站相互独立，移动站C无法收到移动站A发送的信号，顾检测不到冲突，于是开始发射信号，结果造成干扰，移动站B也无法给任何一个移动站回应信号。

　　为了防止这一情况发生，无线通信标准增加了一个RTS/CTS (请求发送/清除发送)数据交换，在这种数据交换过程中，移动站A给移动站B发送一个短帧（RTS）从而开始传输，移动站B立即以一个CTS帧回应移动站A。两个数据帧都含有一个NAV值。任何一个接收到RTS或CTS数据的移动站必须设置各自的NAV计数器，当NAV倒计时，任何移动站将被禁止发送数据。移动站C或许接不到移动站A发送的RTS，但是，它可以接收到移动站B发送的一个CTS，因此，在指定的时间内，它将不能尝试发送数据，以确保移动站A在数据传输过程中没有受到干扰。

　　频段交错方案利用RTS/CTS交换来管理两个频段，在转换频段之前，接入点在要离开的频段上发射一个含有足够大NAV值的CTS信号，当接入节点与客户机节点不在同一个频段时，这个矢量可以禁止客户机节点试图发射信号。NAV矢量的最大值允许约32ms的延时，这一时间长度足以让频段交错完成操作。图3详细描述了当一个信道中的接入点分别在每个频段工作时的信号发射时间分配。

　　频段交错时间选择方面的细则

　　接入点序列是从在5 GHz信道发送802.11a 信标开始的，在允许客户机节点与接入点建立联系的预设延时之后，接入点发出一个CTS数据包，这个数据包含有一个NAV值，当接入点转换频段并在2.4 GHz信道上重复发射信标时，NAV值可以暂停客户机节点的活动。然后，接入点在2.4 GHz信道上发送一个CTS信号，而且NAV的设置将给该节点预留与5GHz客户机配合的工作时间，接入点将以这种方式连续转换信道直到下一个信标间隔为止。

　　每次CTS发送后，NAV的数值都会变化，从而接入点可以按照在之前活动期收到的数据流量修改每个信道被分配的时间。这种动态交错方式确保以最有效的方式在客户机节点中分配通过接入点的可用带宽，时间分配过程从50/50对等比例（默认值）开始，然后逐渐转变为5GHz信道（M1）或2.4 GHz信道（M2）分配更多的时间。

　　在时间方面给一个信道的最大分配值大约是90/10的比例，由于LAN流量的突发属性，这个比例能够以有效的方式为每个给定客户机提供最大的网络吞吐量，这个比例还确保有起码足够的时间分配给信道外，

以维持活性的连接以及当客户机节点进入网络时形成新的关联。

　　当一个频段交错技术的接入点在工作时，网络的操作过程是简明易行的，如果网络内有802.11a 和 802.11b/g客户机，每台客户机都将会在各自的信道内发现接入点，并以通常的方式连接。实际上，这样的配置构成了两个通过接入点连接的网络。接入点可以把信息从一个网络转发到另一个网络。通过这种方式，两个网络的客户机可以相互通信。

　　与频段交错接入点互动的双模客户机在它的两个频段上都能发现接入点，只要接入点为每个频段分配不同的网络标识符，用户就能从两个网络中选择其中一个网络。接入点在802.11a 和 802.11b/g网络上可以设置成使用同一网络标识符，这种方法允许两个网络上使用相同的密钥，从而简化了安全操作，但是这种方法使双模客户机不易于从两种网络中选择出一种网络。

　　这种简明易行的系统操作意味着有了频段交错技术，网络运营商将系统升级到802.11a标准变得非常容易，升级接入点的成本几乎没有比普通的单频接入点高出多少，而且还能兼容现有的802.11b 和 802.11g客户机，同时RTS/CTS协议的应用使得网络或客户机端无需安装专有软件。

　　对于设备设计人员，频段交错不只是一个很有前景的概念，而且该技术已经能在硅片上得以实现。例如，意法半导体公司的STLC8000芯片组系列及参考设计可以用于开发频段交错接入点和软件，以实现频段交错和频段管理功能，这个芯片组系列包括一个可在20ms内切换频率的双频射频芯片组。

　　有了产品设计上的支持，频段交错技术随时都可以投入大规模设计。随着网络运营商选用频段交错技术的接入点，无线局域网的性能将会得到大幅度提高，而成本却不会有很大的涨幅，这将会加快802.l1a标准的应用步伐，推动WLAN向下一代网络演进。