８０２．１１ｎ：下一代無線局域網技術

概述

過去幾年，人們對無線局域網(WLAN)硬件的需求有了顯著的增長，無線局域網很快從新奇的技術發展成為生活必需品。2005年WLAN芯片組出貨量突破1億套大關，比2001年不足1000萬套增長了10多倍，這些數字說明WLAN市場正在快速擴張。

Wi-Fi普及率的提高有助于這項技術拓展到電腦以外，進入互聯網電話、音樂流播、游戲、甚至照片欣賞和家庭視頻傳送等消費電子應用。加速這一發展趨勢的還有把內容集中起來供全家欣賞的個人錄像機和其他AV存儲專用設備。這些新用途，再加上普通WLAN用戶的增多，使現有Wi-Fi網絡越來越力不從心。行業已經就802．11n的各組成部分達成了協議，802．11n是一個WLAN新標準，承諾提供更高的數據傳輸率和可靠性，IEEE正在敲定該標準的最后細節。雖然預計該規范要到2007年才能最后定稿，但是由于已經通過了IEEE的正式審核過程，所以這個草案已證明相當穩定。與此同時，符合802．11n草案的硬件已開始面市，消費者可搶在標準之前建立高速無線網絡，既保證高速互操作性，同時又仍可支持現有WLAN硬件。

本文旨在介紹即將到來的802．11n標準，以及它如何助力WLAN支持新興的多媒體應用。還將對802．11n和現有WLAN標準做詳細比較，并為考慮部署高帶寬替代技術的用戶提出采購策略。

Wi-Fi標準比較

第一個被市場接受的WLAN標準是802．11b，該標準采用一個叫補碼鍵控(CCK)的調制技術提供最高llMbps的原始數據傳輸率，該標準還支持早期802．11規范的直接序列擴頻(DSSS)。和802．11b標準差不多同時推出的802．11a標準采用了一個叫正交頻分多路復用(OFDM)的更有效的傳輸方法。OFDM支持最高54Mbps的原始數據傳輸率，這正是802．11a的最高數據傳輸率。盡管802．11a有更高的數據傳輸率，但它沒有成為802．11b的下一代標準技術，因為它采用了和802．11b不兼容的射頻頻帶5GHz，802．11b采用2．4GHz。(注：所有WLAN標準都規定了多個傳輸速率選項，以便在通信受環境干擾的時候，網絡可降速到較低的數據傳輸率(更容易維持)。在大多數良好環境里，802．11a和802．11b分別支持最高54Mbps和llMbps的數據傳輸率。)

2003年6月，IEEE批準了802．11g，該標準把OFDM調制技術用在了2．4GHz頻帶。它集合了兩者的優點：在和流行的802．11b相同的射頻頻帶上提供最高54Mbps的數據傳輸率。基于802．11g的WLAN硬件很快受到尋求更高帶寬的消費者和企業追捧。事實上，消費者非?？释苡幸粋€替代802．11 b的高性能技術，以致他們在標準尚未最終定稿前一年左右就開始購買WLAN客戶端和接入點硬件。

今天銷售的絕大多數計算機網絡硬件都支持802．11g。隨著技術的改進，住同一芯片組中既支持2．4GHz又支持5GHz越來越容易、越來越經濟，雙頻硬件也就越來越常見。事實上，目前可用的大量WLAN客戶端硬件都支持802．11a和802．11g。

現存，和802．11g草案現象相似的情景又出現任了802．11n上，產業在2006年初達成了有關高速802．11n標準所包含功能的實質性協議。盡管標準可能要到2007年才能批準，但是該規范已經非常穩定，足以使草案n Wi-Fi板卡和路由器應用于各類電子產品的設計。

802．11n選項菜單

新出現的802．11n規范和以往WLAN標準的不同之處在于它規定了具有不同最大原始數據傳輸率的多種可選模式和配置。這樣該標準既為所有802．11n設備規定了基本性能參數，同時又允許廠商增強或調整性能，以適應不同的應用和價位。如果啟用所有可選項，802．11n可能會提供最高600Mbps的原始數據傳輸率。不過符合該標準的WLAN硬件不必支持每一個選項。舉例來說，2006年多數可用的草案nWLAN硬件有望支持最高300Mbps的原始數據傳輸率。

比較起來，每一款符合802．11b的產品必須支持最高llMbps的數據傳輸率，所有802．11a和802．11g硬件必須支持最高54Mbps的數據傳輸率。

更好的OFDM

802．11n草案的第一個規定是支持改進的OFDM，即用更高的最大碼率和略寬的帶寬改進802．11a／g標準所用的OFDM。這個改變可把可達到的最高原始數據傳輸率從現行標準的54Mbps提高到65Mbps。

MIMO改善性能

該草案規范最廣為人知的一部分叫多人多出(MIMO)。MIMO利用了一個叫多徑(multipath)的無線電波現象：被發送的信息從墻壁、門和其他物體反射回，通過不同路徑在略有不同的時間內多次到達接收天線。不受控制的多徑使原始信號失真，難以譯解，降低了Wi-Fi的性能。MIMO用一個叫空分多路復用(space—divisionmultiplexing)的技術來利用“多徑”。發送信息的WLAN設備實際上把數據流分割成叫空間流(spatial streams)的多個部分，每個空間流通過不同的天線被發送到接收端的相應天線。目前的802．11n草案規定最多分割四個空間流，但并不要求相容硬件支持這么多。

把空間流從一個加倍到兩個可有效地使原始數據傳輸率提高一倍。小過也要做一些權衡，比如功耗會增加，成本也會少量增加。草案n規范包含一個MIMO省電模式，只有在網絡通信確實需要更高性能時才利用多路徑，以此降低功耗。MIMO省電模式是草案n規范的一個必備功能。

MIMO增強

草案n規范有兩個功能是為改善MIMO性能設計的，一個叫聚束(beam-forming)，一個叫分集(diversity)。聚束是一個把無線電信號直接聚向目標天線，從而降低干擾，改善覆蓋范圍和性能的技術。

分集利用多單元天線，如果天線在數量上多于接收空間流所需的天線，則把多個天線的輸出組合在一起或者選擇天線的最佳子集。這個功能非常重要，因為草案n規范最多支持四個天線，所以設備可能會遇到裝有不同數量天線的其他設備。舉例來說，帶兩個天線的筆記本電腦可能會連接到帶三個天線的接入點。在這個例子中，即使接入點能支持三個空間流，也只能用兩個空間流。

有了分集，就可以很好地利用多余的天線。天線較多的設備可利用多余的天線覆蓋更大的范圍。舉例來說，兩個天線的輸出可以組合起來接收一個空間流，獲得更遠的傳輸距離。這個概念也可以擴展到把三個天線的輸出組合起來接收兩個空間流，獲得更高的數據傳輸率和覆蓋范圍。

分集并不局限于802．11n甚至WLAN。它可用于改善任何無線電通信。事實上，分集已用在一些現有的802．11a、802．11b和802．11g硬件里，用于選擇兩個天線中最好的。

提高吞吐率和數據傳輸率

802．11n草案的另一個可選模式是把WLAN信道帶寬從20MHz加倍到40MHz，從而有效地把數據傳輸率提高一倍。這里需要權衡的主要是供其他設備使用的信道會減少。2．4GHz頻帶有足夠的空間容納三個不重疊的20MHz信道。不用說，40MHz信道沒有為在同樣頻帶加入網絡或發送信息的其他設備留出多少空間。這意味著智能動態管理非常重要，為了保證40MHz信道選項能改善整個WLAN性能，就要在其他客戶端需要保持網絡連接的情況下權衡某些客戶端的高帶寬需求。

本文包含802．11n草案規范的眾多主要的強制性或可選功能，當然，不會事無巨細都涵蓋。舉例來說，草案n硬件的其他可選功能還有高吞吐率復制模式(high-throughput duplicate mode)和短保護區間(short guard interval)，高吞吐率復制模式有助于擴大網絡覆蓋范圍，短保護區間進一步降低系統管理開銷，以此改善效率。

有了所有可選模式和回饋(back—off)的選項，功能和相應數據傳輸率的可能組合多得令人吃驚。確切地說，目前的802．11n草案規定了576個可能的數據傳輸率配置。比較起來，802．11g規定了12個可能的數據傳輸率，802．11a和802．11b分別規定了8個和4個。

和已有WLAN共存802．11n草案規范是在以前標準的基礎上制定的，旨在保證和目前在用的2億多件Wi-Fi設備兼容。草案n接入點將用5GHz頻帶和802．11a設備通信，用2．4GHz頻帶和802．11b、802．11g硬件通信。除了設備之間的基本互操作性外，802．11n還為混合模式提供了高于802．11g所提供的網絡效率。網絡效率基本上和發送數據的可用帶寬成正比，和管理網絡通信的系統開銷(overhead)或協議成反比。無線環境比有線網絡更難協調組織，因此通常需要更多的系統開銷，以保證發送的數據確實被收到，保證其他客戶端在發送數據期間讓信道開放。

由于存在802．11b節點，所以在2．4GHz頻帶下通信有些困難，因為這個較早的標準不認識802．11g和草案n所用的OFDM。這意味著OFDM客戶端如果想在存在802．11b客戶端的環境通信，就至少需要使用這個老標準的通信協議，才能保護更高速率的OFDM數據傳送。這會大大降低網絡效率，因為用802．11g和草案n發送數據包所用的時間遠遠短于在802．11b標準下發送的時間。 一些WLAN芯片組供應商，如博通公司(Broadcom)，設計了改善802．11b／g混合網絡效率的創新方案。幸運的是，這個問題在草案n規范里被完全解決了。

草案n規范改善混合模式性能的一個最重要的功能是匯聚(aggregation)。發送數據的客戶端不是發送單個數據幀，而是把幾個數據幀捆綁在一起。因此，匯聚通過提高發送數據的時間百分比而改善效率，如圖l所示。

草案n設備和802．11g、802．11a硬件共存要容易得多，因為它們都采用OFDM。雖然如此，規范仍有一些功能用于提高純OFDM網絡的效率。精簡幀間間隔(RIFS)就是這樣一個功能，可縮短數據傳輸間的延遲。

為獲得優良性能，草案n規范規定了一個叫綠場(greenfield)模式的模式，在這個模式，網絡可被設置成忽略所有的早期標準。在802．11n最終草案里綠場模式是成為強制功能還是可選功能目前還不明朗，但是很可能會成為可選功能。

在現實中，一段時間內，用電池供電的WLAN硬件仍將繼續以802．11g甚至802．11b為基礎。不過，草案n規范盡管加入了改善的效率，也難以消除802．11b的所有障礙。這意味著期待優良網絡性能的消費者可能要考慮更新他們網絡中的802．11bWLAN硬件。

消費類應用需要802．11n

因為802．11n承諾更高的帶寬、更大的覆蓋范圍和更好的可靠性，所以適合多種網絡配置。而且隨著新興的網絡應用進入家庭，越來越多的消費者最終會認為802．11n不僅是對現有網絡的增強，而且是必不可少的。

由于多數互聯網連接速度低于5Mbps，所以只是通過WLAN上網的消費者不會不滿意現有網絡，至少是在短距離使用時。不過，即使這類消費者也會對升級到草案n WLAN硬件所帶來的覆蓋范圍和可靠性提高感到驚喜。一些推動802．11n需求的當前和新興應用包括JP電話(VoIP)、流式視頻與音樂、游戲和網絡附加存儲等。

VolP正在快速發展，消費者和企業都清楚：用互聯網代替傳統電話業務可以在打長途時省錢。一個日益流行的撥打互聯網電話的方式是用VoIP電話，這是用電池供電的話機，一般靠內置的802．11b或802．11g連接互聯網。雖然電話通信需要可靠的網絡連接，但是并不需要高帶寬。802．11b和802．11g的功耗都低于MIMO模式的802 11n，而單流802．11n也許會在VoIP電話中流行。今天，VoIP電話可從草案n接入點增強的覆蓋范圍和可靠性中獲益。和IP電話的情況一樣，流式音樂也是一個能夠進入家庭的需要高可靠連接的應用。成千上萬的消費者通過拷貝CD唱片和在互聯網上購買數字錄音，在他們的個人電腦里建立了數字音樂庫。此外，越來越多的流式音樂是從互聯網上直接下載的。

隨著數字音樂收藏的增多，越來越多的消費者發現他們希望能通過起居室的立體聲音響或其他房間的音樂播放器來聽音樂。雖然更高帶寬并非絕對必要，但是草案n提供的更大覆蓋范圍和更高的可靠性可能比上一代WLAN硬件更適合流式音樂。

游戲是一個日益用到家庭WLAN的應用，無論用戶是用電腦或便攜式游戲機無線連接互聯網，還是用WLAN網絡和家人打游戲。

一個需要802．11n所能提供的一切——高數據傳輸率、覆蓋范圍和可靠性——的發展中的應用是網絡附加存儲(NAS)。NAS作為一種經濟、易用的數據備份替代方法受到企業歡迎。近來，隨著用戶希望保護他們越來越多的數字相冊不致因硬盤損壞而丟失，以及隨著整套NAS備份系統售價下降到遠遠低于1000美元，NAS正在進入小型辦公室甚至一些家庭。NAS令人興奮的新應用正在出現，比如需要可靠的高帶寬連接的視頻存儲中心，可向家里的電視、電腦流播預先錄制的電視節目、音樂視頻和整部故事片。

為了方便出門時觀看，需要把個人錄像機預先錄制的電視節目等大文件拷貝到筆記本電腦或便攜式媒體播放機中，而通過較早的WLAN做這件事需要提早準備和耐心。圖2比較了拷貝30分鐘視頻文件需要的時間。在最高數據傳輸率，用802．11b拷貝文件需要42分鐘，用雙天線草案n客戶端只需要不到一分鐘。

從草案n標準承諾的更高原始數據傳輸率中獲益最多的可能是企業。白領員工逐漸習慣了辦公室有WLAN的好處。他們可以把筆記本電腦帶到會議室、同事的辦公桌甚至休息區，同時仍可訪問電子郵件、即時消息、互聯網和企業數據。

但是一些日常應用，比如從集團服務器拷貝大文件、訪問企業數據庫和系統備份，如果通過54Mbps WLAN來做，可能會慢得令人心焦。對于這種大流量應用，許多平常不受網線羈絆的員工也不得不把他們的電腦固定到以太網線，以l00Mbps甚至1Gbps的速度連接網絡。有了草案n硬件，用戶就能集合兩者的優點：有線以太網的速度和WLAN的移動性。

建議

今天，幾乎所有的企業都能從更高帶寬的WLAN獲益。不過，預計許多大企業可能要等到802．11n被批準后才會大規模部署這個新標準。準備部署的企業以及渴望更高數據傳輸率、覆蓋范圍和可靠性的消費者和小企業應該謹慎購買。并不是所有支持MIMO、分集及其他類似802．11n功能的WEAN硬件都能號稱符合這個新標準。購買者應該尋找標明“符合IEEE802．11n草案標準”的產品。

應用者還應記?。翰莅竛規范有大量的可選功能。其中許多功能，比如信道化和綠場模式，是為提高原始數據傳輸率設計的，需要鏈路兩端都支持該功能才可用。

不同設備在如何實現草案n的功能方面也有差異。例如，在為網絡上的某個需要和其他用戶通信的客戶端平衡高帶寬通信需求上，一些支持40MHz信道化的草案n硬件要比另一些硬件好。

對計劃提升家庭WLAN的數據傳輸率和覆蓋范圍的消費者來說，一個好策略是從草案n路由器入手，在預算允許范圍內購買支持最多空間流和可選功能的產品。購買個人錄像機和備份存儲設備等高帶寬文件共享專用設備也遵循類似的策略。

對于不需要高數據傳輸率的固定客戶端，例如流播數字家庭音樂庫或互聯網上的內容的音樂播放器，草案n可能有助于改善覆蓋范圍和可靠性。

為用電池供電的設備選擇適當的草案n替代產品可能是購物清單上最棘手的項目，功耗成為和數據傳輸率、覆蓋范圍和成本一樣需要考慮的重要事項。舉例來說，VolP電話是低帶寬設備，雖然在覆蓋范圍和可靠性不好的環境也能受益于MIMO技術，但是要以電池壽命為代價。

筆記本電腦在進行文件傳輸和數據備份時也可能受益于MIMO、信道化和綠場模式等高性能功能。請記住，通過信道化和MIMO省電模式——即只在需要時才支持多空間流——某些情況下性能功能也能達到省電目的，因為筆記本電腦在WLAN上處于工作狀態的時間比較短。

圖3示出選擇草案nWLAN硬件時需要考慮的一些因素。

博通公司對于草案n的支持

博通公司的Intensi-fi系列WLAN芯片組符合802．11n草案標準。而且盡管草案n標準目前看來相當穩定，Intensi-fi的可編程程度仍非常高，這意味著它能適應規范無法預料和預料不到的改變。憑借博通公司設計的信號處理技術，Intensi-fi芯片組具有主動分集(Active Diversity)功能，使雙天線設備之間的網絡連接有更高的性能、覆蓋范圍和可靠性，而且沒有因第三個天線引起的成本和功耗。

Intensi-fi無線電通信的保真度首屈一指，這意味著它可以在較遠的距離和較不利的條件下保持較高的數據傳輸率。對于可選的40MHz信道模式，Intensi-fi芯片組能在性能和WLAN上的其它成員的需要之間提供良好的平衡。Intensi-fi的“好鄰居”信道化方式包括頻繁掃描其他網絡流量，以及在其他客戶端要求通信時迅速返回全20MHz信道的機制。

Intensi-fi芯片組支持保障WLAN安全的最新標準，包括WPA2和CCX第4版。此外，Intensi—fi支持SecureEasySetup一鍵安全設置，使架設安全WLAN更容易。Intensi-fi支持125High Speed Mode高速模式(又叫SpeedBooster)，這是博通公司的54g802．11g系列芯片組的專有高速模式；還支持改善Wi-Fi設備擴大覆蓋能力的BroadRange信號處理技術。如果網絡中所有WLAN設備都采用Intensi-fi或54g芯片組，就能啟用125高速模式。另一方面，BroadRange能改善802．11g模式的網絡性能，無論網絡中的其他設備采用什么芯片組。