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引言
IEEE标准802.11,也就是被人们称之为Wi-Fi的技术,始于1997年,是IEEE采用的标准系统。此标准已经演化了多年,现在已经到802.11n版本。在这篇文章中,我们将对这项新技术的基本情况进行介绍,并概括其演化史。
IEEE
先让我们简单介绍一下IEEE。IEEE是“电气电子工程师协会”的简称,其核心是一个标准制订组织。它由多个电气电子工程师组成,这些工程师都是其各自领域的专家。在全球范围内推行统一的标准才有能确保不同产品间的互操作性。事实上,对于IEEE而言,这是最棘手的任务之一,因为他们有时候无法实现在全球推广其标准。IEEE推出的标准涵盖电气工程的各个领域,其中也包括电脑网络。当有人分析这些标准时,要牢记性能优劣通常不是这些标准的设计初衷。实际上,其标准可能存在很多不足。但是,如前所述,一项标准只有在全球普遍推广后才显现其价值,在标准制订过程中,这一点要压倒其他所有因素。
本文涉及的IEEE小组委员会是LAN/MAN小组委员会。该委员会被指定使用802标识符,因此基于此产生的每个标准都以802开头。802.11中的11表明该标准涉及无线调制;所有以802.11冠名的标准都由802小组委员会制订且都使用无线调制。通常我们会看到在这样的标准后面还尾随着时间,如802.11-1997,这一时间代表的就是该标准推出的时间。随着标准的不断演化,小组委员会也会不断将时间更新。此外,我们还会看到802.11b这样的标识符。后面的小写字母表明了对原始标准所作出的更改。在802.11中,这些修改增加了802.11技术的速度、范围和可靠性等。
802.11-1997
最先推出的Wi-Fi标准是 802.11 -19 97。我们之前提到过,IEEE有时无法广泛推广其标准,802.11-1997就是一个例子。这一原始标准没有获得广泛认可,某种程度上要归咎于其缓慢的传输速度(1至2MB/s)。802.11-1997标准可以被下列三种技术替代:
(1) Infrared (红外传输):流量达到1M
B/s。
(2) FHSS (调频扩频技术):流量为1至2MB/s。
(3) DSSS (直接序列扩频技术):流量为1至2MB/s。
除此以外,价格昂贵也是该技术标准无法被大量采用的原因之一。1997年,用于802.11-1997的传输器和接收器都比较昂贵。直到1999年,该标准被更新至802.11a和802.11b版本,Wi-Fi技术才获得了广泛认可。尽管802.11a和802.11b于1999年同时推出,但是,只有802.11b被广泛接受。
802.11a和802.11b
802.11a在速度上有所改进,802.11-19
97只能以2MB/s的速度传输,而802.11a能以54MB/s的速度进行传输。速度增快主要是因为它用5GHz频率取代了原来的2.4GHz频率。除了能增快速度,使用5GHz频率还有另一个好处:原先的设备很少使用该频率,所以它受到的干扰也少。不过,使用5GHz频率存在一个缺陷,该频率的波长较短,它覆盖的范围因此也缩短了,所以其信号不容易穿透障碍。通常,容易被吸收的短波就意味着难以穿透障碍物。
802.11b继承了DSSS技术,其操作频道为2.4GHz。2.4GHz频率的沿用既有优点又有缺点。优点是该频率未受管制,因此使用价格相对低廉。缺点是,许多设备都使用该频段,那么它受到干扰的几率比较大。
802.11b中最大的改变是实现了数率传输的最大化——11MB/s。这一速度相对于传统以太网速度而言是极大的进步。这一速度的提升意味着许多消费者都可以使用Wi-Fi,移动性网络的优势也得到彰显。而价格的降低也使802.11b技术得到广泛接受。
802.11g
随着以太网速度的增快以及802.11标准的改进。2003年,IEEE批准了802.11g标准。802.11g同样使用2.4GHz频率,但是它使用802.11a所使用的正交频分复用技术(OFDM)。该技术可让802.11g的传输速度达到54MB/s,毫无疑问,该标准以其价格和速度优势再次获得广泛认可。
802.11n
最新的标准是802.11n,该标准现已获认可。该标准中的主要改进是多输入输出(MI/MO)技术,顾名思义,这项技术要求使用多个传输器和接收器。比如:如果用户拥有两个传输器和两个接收器,传输器会将信号一分为二,然后将两个分信号同时传出,而接收器会同时接收到两个分信号,然后再将信号合二为一,因此传输时间便减少了一半。我们将就此进行详细阐述。
MIMO
802.11n中最大的创新是在Wi-Fi标准中引入多传入传出(MIMO)技术。以前的Wi-Fi天线配置只使用单一输入输出(SISO)技术。如MIMO的名称所言,该技术使用多个天线用于输入和输出。MIMO配置是多天线可选择的三种常规配置中的一种。这三种配置分别是:
(1) 单输入多输出(SIMO)
(2) 多输入单输出(MISO)
(3) 多输入多输出(MIMO)
MIMO技术将很快显示出其优势。MIMO适合多人使用同一Wi-Fi资源的情况,例如:在办公室,用户希望在休息区使用单独的Wi-Fi节点,那样所有同事就可以同时使用该节点了。而在802.11n出现以前,如果多个用户同时使用一个节点,网络性能会被弱化。现在,有了802.11n和MIMO,单独的天线也可以分配给多个用户使用,而其速度不会有明显影响。
天线多样性
即便只有一个用户,MIMO也具有优势。让我们回到上面的例子。在以前,如果只有一个用户使用Wi-Fi节点,而其他同事在使用黑莓手机,那么同一环境下就存在若干条微波,如果还有人使用无绳电话,那就很难接收到稳定信号。可是MIMO可以从多条天线向同一用户发送相同信号,从而能有效抵抗这样的干扰。接收到这类信号的用户可以对信号进行比较,然后再确定哪个信号为真。
这种抗干扰的方法被称为天线多样性。有五种方法可以实现天线多样性。
空间多样性
如果应用程序使用空间天线多样性,那么组成该基点的多个天线是相互独立的。通常,这些天线都具备相同的特性。一般来说,天线之间的间隔相当于信号的波长长度。在其他例子中,天线间距也可以按公里计算。这是Wi-Fi 802.11n基站最常用的天线多样性方案。
模式多样性
模式多样性通常用于定向天线。在这种天线多样性方案中,这些定向天线使用不同辐射模式。与单一多向性天线相比,这样的多样性方案可以产生更好的性能。
极化多样性
极化多样性包括一对分别拥有正反两极的天线。因为从这些天线发送出的信号拥有相反的两极,所以信号遇到的干扰会有所不同。因此这些信号中的某一个信号会被接收器误读,或者至少接收器可以使用一组信号来重构信息。
传输/接收多样性
基站使用单独的传输天线和单独的接收天线时,可以使用传输/接收多样性方案。这一方案没有什么优势,不过,它可以节约一些成本。
上文提到过,MIMO会立刻使用户受益。一点不假,下面来看看未来它能带给我们的好处。
令笔者非常兴奋的一项技术是Dirty Paper Coding(DPC)。本质上,DPC是一个数学问题,就是在传输前对信号进行复杂的预编写。在解释什么是DPC之前,我们先看看它能解决什么问题。再次回到上面的办公室案例,MIMO可以为每个用户指定单独天线,因此,每个用户使用的都是自己的基点天线。这样一来,信号之间会互相干扰,从而减少传输范围。DPC旨在解决这一问题。基本上,DPC理论认为,如果用户知道被传输的两个信号,那么他们就对这样的干扰应有所了解,因此他们要更改信号,这样干扰会恢复信号,然后接收器可以接收到意向明确的信号。
这些听起来很容易,而事实并非如此。因为,如果用户改变了任何一个信号,干扰也会发生改变,同时会要求用户改变其他信号,而干扰又会再次发生改变。因此信号被传输到Wi-Fi基点后,很难对DPC要求的更改作出计算。
单独用户享用更多资源(MSSU)
这一点暂时还无法在互联网上了解到什么相关信息,不过,应该不久后就可以实现。如果只有一个用户使用MIMO基点,那么在不采用每个电信传输相同数据的前提下,数据可以被拆分,而每个天线可以传输数据的一部分,然后通过接收器来重新组装信息。理论上,用户可以用一半的时间接收相同量的数据,但实际操作不一定是这样,因为初学者会感到数据传输中的无线传输部分是一大瓶颈。当然,无线传输通常并非是数据路径中的瓶颈。希望在不久的将来能见证这一新的技术。
IEEE标准802.11,也就是被人们称之为Wi-Fi的技术,始于1997年,是IEEE采用的标准系统。此标准已经演化了多年,现在已经到802.11n版本。在这篇文章中,我们将对这项新技术的基本情况进行介绍,并概括其演化史。
IEEE
先让我们简单介绍一下IEEE。IEEE是“电气电子工程师协会”的简称,其核心是一个标准制订组织。它由多个电气电子工程师组成,这些工程师都是其各自领域的专家。在全球范围内推行统一的标准才有能确保不同产品间的互操作性。事实上,对于IEEE而言,这是最棘手的任务之一,因为他们有时候无法实现在全球推广其标准。IEEE推出的标准涵盖电气工程的各个领域,其中也包括电脑网络。当有人分析这些标准时,要牢记性能优劣通常不是这些标准的设计初衷。实际上,其标准可能存在很多不足。但是,如前所述,一项标准只有在全球普遍推广后才显现其价值,在标准制订过程中,这一点要压倒其他所有因素。
本文涉及的IEEE小组委员会是LAN/MAN小组委员会。该委员会被指定使用802标识符,因此基于此产生的每个标准都以802开头。802.11中的11表明该标准涉及无线调制;所有以802.11冠名的标准都由802小组委员会制订且都使用无线调制。通常我们会看到在这样的标准后面还尾随着时间,如802.11-1997,这一时间代表的就是该标准推出的时间。随着标准的不断演化,小组委员会也会不断将时间更新。此外,我们还会看到802.11b这样的标识符。后面的小写字母表明了对原始标准所作出的更改。在802.11中,这些修改增加了802.11技术的速度、范围和可靠性等。
802.11-1997
最先推出的Wi-Fi标准是 802.11 -19 97。我们之前提到过,IEEE有时无法广泛推广其标准,802.11-1997就是一个例子。这一原始标准没有获得广泛认可,某种程度上要归咎于其缓慢的传输速度(1至2MB/s)。802.11-1997标准可以被下列三种技术替代:
(1) Infrared (红外传输):流量达到1M
B/s。
(2) FHSS (调频扩频技术):流量为1至2MB/s。
(3) DSSS (直接序列扩频技术):流量为1至2MB/s。
除此以外,价格昂贵也是该技术标准无法被大量采用的原因之一。1997年,用于802.11-1997的传输器和接收器都比较昂贵。直到1999年,该标准被更新至802.11a和802.11b版本,Wi-Fi技术才获得了广泛认可。尽管802.11a和802.11b于1999年同时推出,但是,只有802.11b被广泛接受。
802.11a和802.11b
802.11a在速度上有所改进,802.11-19
97只能以2MB/s的速度传输,而802.11a能以54MB/s的速度进行传输。速度增快主要是因为它用5GHz频率取代了原来的2.4GHz频率。除了能增快速度,使用5GHz频率还有另一个好处:原先的设备很少使用该频率,所以它受到的干扰也少。不过,使用5GHz频率存在一个缺陷,该频率的波长较短,它覆盖的范围因此也缩短了,所以其信号不容易穿透障碍。通常,容易被吸收的短波就意味着难以穿透障碍物。
802.11b继承了DSSS技术,其操作频道为2.4GHz。2.4GHz频率的沿用既有优点又有缺点。优点是该频率未受管制,因此使用价格相对低廉。缺点是,许多设备都使用该频段,那么它受到干扰的几率比较大。
802.11b中最大的改变是实现了数率传输的最大化——11MB/s。这一速度相对于传统以太网速度而言是极大的进步。这一速度的提升意味着许多消费者都可以使用Wi-Fi,移动性网络的优势也得到彰显。而价格的降低也使802.11b技术得到广泛接受。
802.11g
随着以太网速度的增快以及802.11标准的改进。2003年,IEEE批准了802.11g标准。802.11g同样使用2.4GHz频率,但是它使用802.11a所使用的正交频分复用技术(OFDM)。该技术可让802.11g的传输速度达到54MB/s,毫无疑问,该标准以其价格和速度优势再次获得广泛认可。
802.11n
最新的标准是802.11n,该标准现已获认可。该标准中的主要改进是多输入输出(MI/MO)技术,顾名思义,这项技术要求使用多个传输器和接收器。比如:如果用户拥有两个传输器和两个接收器,传输器会将信号一分为二,然后将两个分信号同时传出,而接收器会同时接收到两个分信号,然后再将信号合二为一,因此传输时间便减少了一半。我们将就此进行详细阐述。
MIMO
802.11n中最大的创新是在Wi-Fi标准中引入多传入传出(MIMO)技术。以前的Wi-Fi天线配置只使用单一输入输出(SISO)技术。如MIMO的名称所言,该技术使用多个天线用于输入和输出。MIMO配置是多天线可选择的三种常规配置中的一种。这三种配置分别是:
(1) 单输入多输出(SIMO)
(2) 多输入单输出(MISO)
(3) 多输入多输出(MIMO)
MIMO技术将很快显示出其优势。MIMO适合多人使用同一Wi-Fi资源的情况,例如:在办公室,用户希望在休息区使用单独的Wi-Fi节点,那样所有同事就可以同时使用该节点了。而在802.11n出现以前,如果多个用户同时使用一个节点,网络性能会被弱化。现在,有了802.11n和MIMO,单独的天线也可以分配给多个用户使用,而其速度不会有明显影响。
天线多样性
即便只有一个用户,MIMO也具有优势。让我们回到上面的例子。在以前,如果只有一个用户使用Wi-Fi节点,而其他同事在使用黑莓手机,那么同一环境下就存在若干条微波,如果还有人使用无绳电话,那就很难接收到稳定信号。可是MIMO可以从多条天线向同一用户发送相同信号,从而能有效抵抗这样的干扰。接收到这类信号的用户可以对信号进行比较,然后再确定哪个信号为真。
这种抗干扰的方法被称为天线多样性。有五种方法可以实现天线多样性。
空间多样性
如果应用程序使用空间天线多样性,那么组成该基点的多个天线是相互独立的。通常,这些天线都具备相同的特性。一般来说,天线之间的间隔相当于信号的波长长度。在其他例子中,天线间距也可以按公里计算。这是Wi-Fi 802.11n基站最常用的天线多样性方案。
模式多样性
模式多样性通常用于定向天线。在这种天线多样性方案中,这些定向天线使用不同辐射模式。与单一多向性天线相比,这样的多样性方案可以产生更好的性能。
极化多样性
极化多样性包括一对分别拥有正反两极的天线。因为从这些天线发送出的信号拥有相反的两极,所以信号遇到的干扰会有所不同。因此这些信号中的某一个信号会被接收器误读,或者至少接收器可以使用一组信号来重构信息。
传输/接收多样性
基站使用单独的传输天线和单独的接收天线时,可以使用传输/接收多样性方案。这一方案没有什么优势,不过,它可以节约一些成本。
上文提到过,MIMO会立刻使用户受益。一点不假,下面来看看未来它能带给我们的好处。
令笔者非常兴奋的一项技术是Dirty Paper Coding(DPC)。本质上,DPC是一个数学问题,就是在传输前对信号进行复杂的预编写。在解释什么是DPC之前,我们先看看它能解决什么问题。再次回到上面的办公室案例,MIMO可以为每个用户指定单独天线,因此,每个用户使用的都是自己的基点天线。这样一来,信号之间会互相干扰,从而减少传输范围。DPC旨在解决这一问题。基本上,DPC理论认为,如果用户知道被传输的两个信号,那么他们就对这样的干扰应有所了解,因此他们要更改信号,这样干扰会恢复信号,然后接收器可以接收到意向明确的信号。
这些听起来很容易,而事实并非如此。因为,如果用户改变了任何一个信号,干扰也会发生改变,同时会要求用户改变其他信号,而干扰又会再次发生改变。因此信号被传输到Wi-Fi基点后,很难对DPC要求的更改作出计算。
单独用户享用更多资源(MSSU)
这一点暂时还无法在互联网上了解到什么相关信息,不过,应该不久后就可以实现。如果只有一个用户使用MIMO基点,那么在不采用每个电信传输相同数据的前提下,数据可以被拆分,而每个天线可以传输数据的一部分,然后通过接收器来重新组装信息。理论上,用户可以用一半的时间接收相同量的数据,但实际操作不一定是这样,因为初学者会感到数据传输中的无线传输部分是一大瓶颈。当然,无线传输通常并非是数据路径中的瓶颈。希望在不久的将来能见证这一新的技术。