我眼中的下一代无线网络架构

WLAN技术为家庭和企业用户描绘了美好的蓝图，也吸引着众多半导体和系统设备公司涌入该市场。WLAN技术的不断演变，将标准建立团体和互通性论坛紧密联系在一起，也将产品开发商和相应的半导体IC供应商紧密联系在一起，而Wi-Fi射频的演变过程及由此引发的对设计人员的挑战也越来越引起关注。

　　Wi-Fi射频的演变历程

　　在过去几年里，基于802.11b的产品已被证明具有低成本和简单易用的特点，能够确保与无线以太网和互联网的无线接入。目前，802.11b已经以多种封装方式被组装进了计算机、PDA、手机甚至游戏设备当中。后来，企业级应用对更高性能WLAN技术的追求导致了802.11a标准的诞生。尽管802.11a标准的有效覆盖范围比802.11b网络的范围小，但其数据传输速度却达到了54Mbits/s。可是一开始，市场并不接受802.11a，因为它采用了截然不同的5.2GHz频段，而早已在市场上广泛运营的802.11b网络是在2.4GHz频段。因此，仅仅持有802.11a网卡的用户就不能够与已经运营的众多b的接入点进行通信。

　　最新的WLAN技术标准是802.11g。这一标准为WLAN用户提供了许多重要的性能改善，例如具有更快的数据传输速度、可象a那样具有稳定的OFDM功能、可以象b那样运行在同一个无须取得授权的2.4GISM频段等等。实际上，与b产品的后向兼容性并非仅仅是g产品可能具有的功能，而是明文规定的IEEE g标准的重要特征。

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　　对于OEM和ODM 而言，WLAN技术从b演进到a、再演进到g，令他们有机会推出满足不同标准的产品；而运营商和消费者出于对已有投资的保护，不愿频繁的更新已有的系统或设备。这导致了WLAN产品出现了多种产品类型，包括仅支持g标准的产品、双模式(a+b)产品以及多模式产品(a+b+g)。每一类型的产品都在成本、性能和产品上市时间上做了不同的折中，而长远来看，多模式产品似乎将是最终赢家，因为这些产品能为客户提供最佳的性能体验，包括能够根据系统容量、信道负载以及用户收发信息的组成部分，通过在a、b或g网络间进行动态的选择或切换，因此为用户提供了无缝的WLAN网络漫游能力。多模式产品使得客户能够充分利用g具有的大覆盖特性和a所支持的更高用户密度。而且，由于g标准在2.4GHz和5.2GHz两个频段中都可使用，企业终端节点就可以在这两个频段之间更加平滑的切换。

　　半导体方案提供商已经分化选择了不同的技术道路，来将这些新技术产品化。其中，射频系统架构仍然至关重要，因为它能决定方案系统的总体成本、性能、稳定性、体积大小和功耗等参数特征。半导体公司们必须为无线系统集成商提供最好的技术，以帮助他们将多模式产品的总体成本降到最低。要想成功实现这一目标，必须解决贯穿于WLAN芯片组的射频IC、基带DSP和MAC之间的身份识别以及对架构设计的寻址问题。

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实际上，将射频与DSP子模块进行分别独立的优化，已经不再是设计多模式802.11方案的有效途径。在过去的无线系统中，数据传输速率非常低，以致于不需要对第二级的射频损耗进行补偿。但是，现在的射频系统为了得到更高的数据传输速率，采用了非常密集的同相/正交调制器(I-Q constellation)。因此，射频架构需要将具有更高信噪比(SNR)的信号传送给数据检波器。通过采用主动的失真消除技术，射频+DSP子系统就能够满足系统容量与覆盖范围的苛刻要求。　

　　回顾WLAN技术的演变过程，实际上就是回顾这些新的带宽和调制技术所需要的性能，是如何通过射频设计来实现的。在早期WLAN从1～2 Mbits/s演进到5.5～11 Mbits/s的过程中，射频IC架构也从使用分立元件，演进到使用分立元件与IC集成在一起的方案，并支持零中频(ZIF)，也叫做直接转换射频。但调变符号集(constellation)的大小很大程度上都是一样的，它们都采用了BPSK(1bps/Hz)和QPSK(2bps/Hz)调制技术，DSP的设计挑战则逐渐演进到需要支持补码键控(CCK)调制，而不是早期的直接序列扩频技术(DSSS)。为达到54Mbits/s的数据传输速度，采用64-QAM调制技术(6 bps/Hz)的正交频分多路复用(OFDM)技术被引入到WLAN中。这一演进反过来将设计群体分成了两个派别：一方支持ZIF架构；另一方则支持超低中频(VLIF)架构，两个派别都认为自己代表了最佳的射频架构。

　　比特率与现有Wi-Fi射频的调制密度结合在一起，使得射频子系统的SNR成为一个至关重要的设计约束。数据检波器所得到的最终SNR是由下列因素决定的：1)注入到发射机中的噪声集合，包括各种热噪声、相位噪声、1/f噪声、量化噪声和本振(LO)的信号泄漏；2)数据在无线媒介中传输时发生的瑞利衰减(Rayleigh fading)和路径损失。3)注入到接收机端的噪声(热噪声、相位噪声、1/f噪声等)，加上各种失真，频率和直流的偏移，以及I/Q不均衡。接收机也会有失真，因为临近信道之间的信号可能会产生交迭或冲突。所有的这些噪声和失真都降低了数据检波器所得到的信号的质量。如果最终的SNR值小于既定的目标值，DSP就需要进行失真消除。

　　设计的挑战与射频架构之争

　　由于以上原因，要想设计与实现OFDM射频架构，就必须了解整个噪声的来源以及噪声会对射频与DSP部分造成的各种失真。在6Mbits/s时，SNR受热噪声的限制多，而受信号失真的限制少；而在54Mbits/s时，SNR受失真的影响要更多些。射频架构的不同，对SNR具有重要的影响，因为如果没有某些程度的失真补偿和校准，54Mbits/s的OFDM射频架构就不能达到所要求的性能。所要求的校准的精度取决于：1)射频架构是属于VLIF、ZIF架构，还是超外差架构；2)射频IC所采用的半导体制造工艺是CMOS、BiCMOS，还是SiGe工艺(如SiGe材料的固有噪声无疑比CMOS要低很多)。所需要补偿的程度，反过来又将影响整体系统的物料成本(通过增加裸片大小)、整体设计的功率耗散、整体方案的性能、各种运营模式下稳定性，以及制造的冗余度。

　　射频接收器前端传统上是基于外差式或超外差式架构的，这种架构通过一个或多个中频阶段来达到不错的选择性和灵敏度。可是，典型的外差式或超外差式射频电路需要用到大量的分立元件，这将增加系统集成的难度。大规模市场应用要求WLAN系统向低成本架构发展，这使得信道的滤波功能可通过选择直接转换和VLIF架构来推向更低的频率。

　　选择ZIF架构还是VLIF架构，应该取决于想要实现的信号噪声畸变比(SNDR)、射频系统想实现的最小灵敏度，以及阻塞性能。杰尔的WaveLAN系列方案在同一个产品中包含了两种架构，并表现出下面四点不同的设计挑战：

　　首先，对ZIF架构而言，接收机的I/Q不平衡一直是个问题。为了避免不均衡的发生(如串扰)，同相分量(I)与正交分量(Q)之间需要相互正交(分别呈90度)，这在集成的收发机中很难实现。而对VLIF接收机而言，由于没有临近信道，就不存在I/Q不均衡的问题。

　　其次，频率偏移会导致OFDM信号中子载波的相互干扰。再加上直流偏移，会进一步导致信号失真。而VLIF架构由于不存在直流偏移，只需要解决子载波之间的干扰问题。在ZIF和VLIF接收机中，都要求具备频率偏移的修正电路。

　　再次，直流偏移是ZIF接收机的致命弱点，要求具备能优化射频性能的补偿措施。因为直接转换将射频信号直接转换到基带中，信号主要的增益和滤波就在直流到信号带宽中的频段中。在这一过程里，信号链路固有的直流偏移会无意中被放大，反过来会降低电路的动态范围。另外，当某些信道内的本振信号泄漏被送至混频器的射频前端，也会产生直流偏移问题。VLIF架构就没有直流偏移的问题，因为中频阶段能简单的滤除直流偏移。

　　最后，1/f噪声也是ZIF设计需要着力解决的问题，尤其是当射频IC采用了CMOS工艺技术制造的时候。而对VLIF架构而言，这一问题并不存在。

　　ZIF架构的主要优点就在于成本。它能在射频端为镜像信号抑制和中频信道的选择，减少昂贵的滤波器件的使用，提高硅芯片的集成度。由于能够降低元器件的数量、系统功耗和电路板面积，因此对某些特定应用而言，这种架构已被证明是一个不错的设计选择。

　　为了将802.11的数据传输速度提升到54Mbits/s，802.11a和g标准中采用了OFDM技术，以提高频谱效率和信道吞吐量。由于OFDM在每个子信道都采用了64-QAM调制技术，因此可以在20MHz的信道带宽里，将高速信号通过64个并行子信道发送出去。64-QAM解调技术要求SNR值要高，再加上OFDM调制技术对由直流偏移和频率偏移所造成的失真非常敏感，因此ZIF架构不太适用于802.11a/g接收机。

　　VLIF接收机架构的固有特点，使其在对OFDM信号进行滤波时会滤除掉直流偏移，因此避免了ZIF架构会遇到的直流偏移的问题。要滤除VLIF接收机中的镜像信号，可让本振到混频器之间的信号相互精确正交。信道选择是由多相滤波器来执行的，这种多相滤波器也能抑制最终下变频与直流之间的镜像信号，同时还可降低对A/D转换器的动态范围要求。成功实现OFDM射频架构的关键就在于避免会危害数据检波的失真。如果选择了明智的射频架构，就会避免直流偏移的问题，这时DSP就只需要执行频率偏移的修正工作。

　　由于ZIF接收机面临各种失真问题，某些开发商正试图通过减少发射失真，来减轻接收机的失真。这种做法固然能满足工作的要求，然而WLAN市场是由IEEE标准所规范的。因此，为减轻接收失真的限制而减少发射的失真，会导致各供应商设备之间的互通性问题，必将损害整个WLAN产业的长期发展。

　　如果想在2.4GHz和5.2GHz两个频段中都实现54Mbits/s无线通信的同时，还能达到给定的SNR要求，覆盖范围就会非常有限，通常情况下也是不能完美实现企业级WLAN应用的关键障碍。当前正在研究的一项创新是，采用多进多出(MIMO)配置，这种方法可能的好处在于(除了潜在的能增加系统容量外)，采用MIMO技术的WALN系统能增加覆盖范围。一个双天线接收机系统能在接收机DSP输入端提供更高的SNR，同时还减少了信号衰减的程度。

　　一个可能的MIMO配置可采用双天线WLAN接入点和一个单天线的接收机。在接收模式中，时分复用(TDD)接入点能采用最高比结合(MRC)算法，在发射模式能采用最高比发射(MRT)算法。这一配置的优点在于，不需要改变802.11a/g标准，也无需对已安装的用户设备进行任何改变，就能实现产品之间的相互兼容和应用的顺利展开。

　　随着对高带宽应用如HDTV信号传输需求的增加，未来的Wi-Fi射频很可能是以OFDM技术为支柱，但也有一点变化，那就是将采用MIMO技术来扩展覆盖范围和带宽。实际上，由相应的校准双天线所提供的SNR的改善，能使未来的WLAN系统能够在信道吞吐量和覆盖范围的提升这两个参数之间进行动态的切换。并且当用户在接入点所覆盖的范围内移动时，能够动态的调节信道吞吐量。

链接之一：WLAN芯片老大黯然出局

　　2003年7月，拥有WLAN芯片市场50%以上份额的美国Intersil公司宣布将其WLAN芯片部门转让给一家DSL芯片厂商GlobespanVirata公司，交易金额为3亿美元左右，这标志着Intersil彻底退出了WLAN芯片市场，该公司的举动令业界无比震惊。

　　根据IDC的报告显示，虽然WLAN芯片的鼻祖Intersil的市场份额在近些年一直受到其他厂商的挑战，但其仍占有50%以上的市场份额，Agere以25%的市场份额居第二位，包括Atheros、Broadcom等其他公司占据了其他市场份额。特别应该指出的是，虽然Intel所占市场份额还很小，但其今年3月份推出的“迅驰”移动处理器近来取得了飞速的发展，未来不容小视。

　　Intersil的黯然退出反映了WLAN芯片领域的市场格局，随着众多芯片提供商涌入该领域，竞争底加剧导致芯片的价格直线下跌，据美国TechKnowledge Strategies公司的报告显示，2002年802.11b芯片的平均价格还是16.06美元，但今年底该价格将下跌到仅有6.61美元，该公司还预测，WLAN芯片总的销售额将在今年出现下滑，从去年底3.687亿美元下降到3.402亿美元，因此可以预料WLAN芯片市场的激烈竞争和兼并整合将愈演愈烈。

　　链接之二：　CMOS工艺冲击WLAN芯片

　　市场研究公司Linley的最新报告指出，当前主要WLAN芯片商都在开发集成MAC、基频及射频的单芯片，而采用CMOS工艺的厂商最有机会胜出，单芯片解决方案将会对市场产生重大冲击，COMS工艺将迅速替换BiCMOS及SiGe工艺，预计2004年第二季度就会有采用802.11g的单芯片问世，其中Broadcom与德州仪器(TI)最有可能率先推出。在激烈竞逐之后，以“迅驰”横扫笔记本电脑市场的Intel很可能称霸WLAN芯片市场，在802.11g芯片取得初步胜利的Broadcom则紧随其后，德州仪器可能是黑马，因为其采用0.13工艺，不过其当前尚未掌握射频技术，但未来可能会改变。

　　当前，Broadcom的802.11g收发器采用0.18微米的CMOS工艺，德州仪器则第一个采用0.13微米工艺，发展802.11a/b/g的MAC及基频芯片。事实上，两家公司都已量产与802.11b/g同样使用2.4GHz的蓝牙单芯片。

　　其他厂商方面，Atheros也采用CMOS工艺，不过是0.25微米等级；至于采用SiGe工艺的Intersil及采用BiCMOS的Agere/Infineon，较不利于推出单芯片产品。

　　至于新兴公司方面，Bermai、Envara及Synad都有一场硬仗要打，因为产品的差异化有限，这些厂商并不排除被购并的可能，其对象可能为尚未进入WLAN芯片市场的意法半导体及摩托罗拉。（完）