原创 2008技术展望之三：Wi-Fi 802.11n标准将在家庭联网、在线游戏和手机中获得广泛应用

"Wi-Fi为IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准(IEEE802.11)。 Wi-Fi第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbits。随后的802.11的补充标准还包括：802.11a，物理层补充(54Mbits工作在5GHz)；802.11b，物理层补充(11Mbits工作在2.4GHz)；802.11g，物理层补充(54Mbits工作在2.4GHz)等，而即将通过的802.11n导入了多重输入输出(MIMO)技术，将使得802.11a/g无线局域网的传输速率提升一倍。1999年业界成立了Wi-Fi联盟，致力解决符合802.11标准的产品的生产和设备兼容性问题。随着802.11技术的不断成熟，Wi-Fi正在成为无线接入以太网的主流技术。"

高清视频、在线游戏、网络视频和电话都是最炙手可热的新兴应用，他们对与之相配套的无线网络提出了更高的带宽要求。要搭建支持高清视频的数字家庭网络，要在手机和笔记本电脑上实现在线游戏和实时的网络视频通话，过去的Wi-Fi标准802.11a/b/g都已不再适用。

比如对于越来越普及的高清视频来讲，例如H.264/VC-1的编码，其实际码率多在20Mbps至40Mbps之间，而在多音轨等情况下，码率还会进一步提高。面对如此大的流量，传输速度只有54Mbps的802.11g已经完全无法胜任，只有802.11n才可以满足，因而802.11n标准有望借助为这些热门应用提供支持的机会获得自身真正的应用起飞。

802.11n的技术特点和性能改善

具体来讲802.11n较之以前的Wi-Fi标准究竟都有哪些技术优势呢，CSR公司的市场经理Richard Edgar先生为我们总结如下：
1. 使用多输入多输出(MIMO)技术提升了传输带宽。802.11n使用MIMO技术，在设备的收发两端都使用3个天线的设计。借助于此，使用者可以实现3倍于802.11g的数据流，即实现162Mbps的空中传输速率，换算为有效的数据吞吐量也可达到100Mbps。
2. 更大的信道带宽。目前的Wi-Fi标准都使用20Mhz的信道带宽，而802.11n则允许使用40Mhz的信道带宽。如此宽的信道带宽允许每个信道实现较以往标准2倍的数据吞吐量。(笔者认为这也是在一个信道内传输实际码率有可能达到20Mbps-40Mbps的高清视频信号所必需的)
3. 使用多天线提高信号的鲁棒性。

对于传输速度的提高，TI的产品行销工程师黄凯先生表示：“由于采用MIMO技术，802.11n的无线数据传输率甚至可以达到200Mbps。”而接受采访的Intel的专家在谈到802.11n标准的吞吐量和覆盖范围时提到：“吞吐量和覆盖范围依赖于环境状况、天线和平台特性，这使得很难去量化一些绝对的指标。只能说，我们期望较a/g网络有高达5倍的性能提升(达127Mbps)和2倍的覆盖范围(在相似的环境状况下采用相同的平台，提高到68米)。”他还举例说：“Intel Wireless Wi-Fi Link 4965AGN采用MIMO技术、信道连接技术和有效载荷优化技术以增加吞吐量。在这种情况下，如果环境提供充分的多通道支持多重数据流，还可达到更高的吞吐量。换句话说，高吞吐量需要多通道环境。”

为了使MIMO系统的性能在频率选择性衰落信道中依然良好，802.11n还会采用正交频分复用(OFDM)调制技术，形成MIMO-OFDM系统。

除了能够带来传输速率的提升，802.11n是否还可以提高无线接入点(AP)的覆盖范围呢？TI的黄凯先生表示：“对Wi-Fi手机而言，如果AP采用最大比合并(MRC)和空时分组码(STBC)，那么802.11n在户外可使上行距离较802.11a与802.11b增加一倍，达到约500米的直线距离，下行距离采用STBC后也能延长30%。室内距离则可达到70米左右”

CSR的Edgar则认为，也许较早的信息显示802.11n会比之前的802.11a/b/g获得更长的传输距离，但实际情况并非总是如此。

他认为：“802.11n系统可以最大获得三倍于较早的802.11版本的传输距离，但前提是在接受和发射两端都需要使用3个天线。这在移动设备中是不容易做到的，移动设备更可能仅使用一个天线，这意味着AP端将使用3个天线来发射而移动设备使用一个天线来接收。在这种情况下，传输范围只能提高50%。”而且还有更糟的，他表示：“802.11n使用了MIMO技术，而该技术天生的需要处理多径信号，在一个没有障碍物的真正的开放空间里，是找不到反射信号的。在这种情况下，802.11n的传输距离甚至还不如现在的802.11系列技术。

除了传输带宽和传输距离，一个AP可以支持多少个用户也是运营商和使用者所关心的问题。而纵观专家的回答，这个问题似乎并不存在绝对的答案。它取决于用户的应用、状态，也取决于使用的基站类型，甚至还取决的接入点制造商对半导体厂商所提供的技术和软件的使用情况。

理论上，就如TI的黄凯先生所说：“与以前的标准相比没有变化。802.11的每个AP能支持2,048位用户。由于介质存取控制机制相同(CSMA-CA)，因此每个AP支援的同时工作的用户实际数量为数十个。”

而SiGe的市场推广副总裁John Brewer先生也表示：“我们期待802.11n接入点所能支持的用户数可以相似于或稍多于目前的802.11a/b/g接入点。”不过他同时说：“一个接入点可以支持多少个终端有用户，强烈的取决于具体的应用使用了怎样的基站。举例来说，高速数据传输需要使用多个信道，这样就限制了802.11n波段的用户数。”

802.11n的主要应用

利用以上提到的802.11n的卓越性能，可以开发出很多新的应用。Edgar先生就表示：“一个潜在的应用就是在移动设备上实时传送高清视频内容，该应用需要增强的数据吞吐量和更强的鲁棒性以及增强的传输距离。”

SiGe WiMAX和嵌入式产品市场总监Sanjiv Shah则表示:“SiGe认为家庭网络——电视机、机顶盒、笔记本电脑/台式电脑和大容量存储设备之间的无线连接，将成为Wi-Fi(802.11n)的主要应用领域。尤其是从机顶盒或大容量存储器设备传送流视频到电视机显示屏和笔记本电脑，更需要802.11n技术。我们认为这正是目前领先的消费电子厂商投资草案802.11n技术的原因，他们希望开发家庭视频流和视频分配市场。”

而谈及此，Broadcom WLAN事业部的总经理和副总裁Michael Hurlston先生认为：“游戏和手机将会是两个最重要的Wi-Fi应用领域。许多最先进的游戏设备已经集成了Wi-Fi功能，

他们可以实现无线网络游戏和通过宽带下载最新的游戏和内容，任天堂的Wii就是一个典型的例子。他还表示：“对于Wi-Fi应用来说，手机将提供比游戏设备更大的机会。Wi-Fi在手机中可以被用于VoWLAN通信和高速的多媒体文件传输。业界期待Wi-Fi在手机中的应用能够很快获得显著增长。”

图2：Broadcom 公司 Michael Hurlston。

整合Wi-Fi功能时所面临的设计挑战

要把Wi-Fi功能集成进上面提到的应用，业界将共同面临一系列挑战。SiGe的Shah先生认为：“802.11n利用多发射器和多接收器来实现高速率，而这将使无线电器件的功耗成倍增加，并要求功率放大器设计人员尽最大努力地提高功率放大器的效率。他还表示：“由于这些无线电器件将被集成到很多小型设备中，故其尺寸也非常重要。由于每个无线电器件至少有2个发射器和2个接收器，因此需要极高的集成度。”

面对这些挑战，Shah先生表示：“SiGe开发了低成本、高效率的功率放大器，可用于定制设计的前端模块。此外，我们还采用先进的模块开发技术，尽量把尺寸减到最小。”

谈到设计挑战，Broadcom的Hurlston也认为是功耗和尺寸问题。同时他表示：“手机应用需要高度紧凑的电路板设计，而将数字和射频元件集成在一起的高度紧凑的单芯片器件可以完全满足此类电路板设计的需要。另外，系统还要针对优化电池寿命而专门设计，因为手机的电池电量有限并且也不可能时时和充电器电源连接”他还表示：“除了采用先进的CMOS制造工艺所具有的杠杆效应(它们固有地可以提供较高的功率性能)，设计师还必须贯彻创新性的解决方案以最小化Wi-Fi芯片的功耗，同时达到业界标准所要求的覆盖范围和数据吞吐量。”

谈到这两大设计挑战，TI的黄凯先生表示：“TI解决方案专为手机而设计，从尺寸、功耗、成本等方面均进行了精心优化，非常适合手机要求。”

而对于功耗挑战，甚至对于笔记本应用，Intel也强调了功耗问题。Intel的专家表示：“英特尔下一代Wireless-N硬件提供较上几代和竞争对手产品显著的功耗提升，最终可延长60分钟的电池续航时间。”

除此之外，在Wi-Fi进入手机等手持设备后，Wi-Fi和蓝牙、FM等无线设备共存时的EMI问题也不可回避。就此CSR的Edgar表示：“要解决EMI问题，设计时必须确保为集成进手机每一种无线方式在收发两端都进行恰当的滤波。但这还不够，对于802.11n来说，在EMI方面还会带来哪些更多的挑战目前还不确定。”

而Broadcom无线连接部门的高级产品线经理Kevin Mukai先生表示：“业界的趋势正在向更小、集成度更高的器件上转移，Broadcom已经可以在单芯片(不仅仅是模块)上集成多种无线功能。Broadcom专注于高度集成的硅技术、共存算法和射频设计经验，已经可以在设计中减轻EMI/EMC并实现这样高度集成的设计。最近的例子是Broadcom推出了BCM4325解决方案，其在单芯片上集成了蓝牙、Wi-Fi和FM功能。”

而TI于2007年2月推出了业界首款集成802.11n、蓝牙2.1与FM的单芯片，标志着TI也找到了在该情况下克服EMI问题的办法。

针对性的802.11n解决方案

谈到射频解决方案，SiGe的Brewer表示：“无论在2.5GHz还是5GHz频段，还是在今天市场上任意的802.11n设备中，.SiGe的802.11n射频功放都具有最高的效率(低电池能量消耗)。”

TI则推出了支持IEEE802.11n草案标准并集成Wi-Fi、蓝牙与FM技术的WiLink 6.0器件。TI的黄凯先生特别强调：“该器件是专门针对手机设计的，因此在功耗等方面都有专门的优化。并且TI还进一步从软硬件两个方面都对其进行了优化，其采用65nm工艺制造，是低成本、低功耗的小体积单芯片。”

较早之前Broadcom就可提供集成Wi-Fi、蓝牙与FM的解决方案BCM4325，而最新他们又推出了BCM4326和BCM4328 Wi-Fi芯片。BCM4326和BCM4328具有基于可现场验证的54g技术的软件栈，并且包含Broadcom广受欢迎的便于快速配置的SecureEasySetup应用程序。Michael Hurlston表示：“Broadcom的单芯片方案可以提供小于50mm²的芯片面积，可以被直接嵌入最小型的Wi-Fi设备,或作为消费电子设计师首选的标准Wi-Fi模块的一部分。”他还表示：“BCM4326和BCM4328具有独特的覆盖范围增强技术，可以在不增加功率开销的情况下，将无线设备的覆盖范围提高25%。

作者：Albert Liu

高级助理编辑

《电子系统设计》