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定义并改善无线网WLAN中的数据吞吐量
2005-09-28    Yoram Solomon       阅读:

[摘要]

能够通过802.11接口传输的信息量常称作"信号传输速率"、"数据速率"或"吞吐量"。这些术语具有不同的含义,彼此不可互换。我们认为,802.11b标准具备11Mbps的信号传输速率,而 802.11a 与 802.11g 标准则具备高达54Mbps的速率。

本文中,我们将对上述术语加以区别,并将指出,上述标准的信号传输速率分别为11Mbps与54Mbps。但实际的数据吞吐量,也就是我们真正关心的部分,则大大低于上述数值。我们将就提高数据吞吐量给出建议,特别要对家庭网络消费类领域进行讨论。

 

       信号传输速率

       802.11的信号传输速率定义如下:
       信号传输速率=1/比特时间

       比特时间是指传输一比特信息所需的时间。802.11的信号传输速率从1Mbps到最高为11Mbps不等,根据所用的具体传输技术而各不相同。802.11a标准和802.11g标准草案可提供高达54Mbps的信号传输速率,是802.11b的5倍。

       数据吞吐量

       802.11标准及其所有衍生标准(802.11b、802.11a以及802.11g草案)定义了物理层 (PHY) 以及通讯所用的协议。换言之,该标准描述了被传输信息应采用何种格式才能在另一端被接收和理解。这些协议包括大量开销。开销是所有信息以及用于非数据事项的播放时间的总称。802.11系统中的开销包括: 承载控制器件所需信息的协议报头; 帧间隔时间,使频带用户可以访问通讯介质(空气); 错误和流程控制,可确保传输的完整性; 确认接收的消息,因为使用无线介质很可能出现错误消息和消息冲突。

       考虑到802.11b包括上述论及的数据和开销,我们可以预计,数据吞吐量会接近5.5Mbps,而不是11Mbps,而802.11a或802.11g产品的吞吐量将接近30Mbps,而不是54Mbps的信号传输速率。


       802.11标准


       目前最初的802.11标准具备三个扩展,分别为802.11b、802.11a以及802.11g草案版本。最初的802.11标准发布于1997年。802.11仅可提供高达2Mbps的数据速率。为了提高数据速率,出现了两种新型的但又互不兼容的标准版本,分别为802.11b和802.11a。802.11b运行于2.4GHz工业、科学及医疗设备 (ISM) 频带上,能够提供最大11Mbps的信号传输速率。而802.11a则运行于5GHz无需许可证的国家信息基础设施 (U-NII) 频带上,并能提供高达54Mbps的信号传输速率。802.11a设备不具备同802.11b设备的向后兼容性,这意味着必须购买并安装所有新设备。许多常见的家庭设备也使用2.4GHz频带,包括无绳电话、微波炉以及婴儿监视器等。这些"其他用户"可能产生干扰,导致 802.11b 用户不能访问网络。802.11b器件传输数据的距离可达300英尺,而802.11a器件的最大传输距离仅为150英尺,这是由于较高的频率具备较高的"路径损失"特点,在相同的空间中要求更多的接入点。此外,与运行在2.4GHz频带上的802.11b器件相比,802.11a器件在5GHz频带上要求更多的功率来传输信息,这是由于高频率上的功率放大器效率较低。

       由于802.11b和802.11a之间具备上述问题,因此IEEE于2000年开始就802.11g扩展进行工作。与 802.11b 一样,802.11g也运行在2.4GHz频带上,但能以802.11a所用相同的调制技术(正交频分复用技术)提供802.11a的信号传输速率。802.11g也与802.11b向后兼容,用户不必升级即可继续使用原有设备。由于802.11g与802.11b都运行于2.4GHz的频带上,因此也会遇到其他常见家庭设备的干扰问题。在802.11b向802.11g转变的时期中,许多WLAN都支持高速信号传输速率作为首选项,但如果受设备或条件限制,则会降至802.11b的速度。

 

       混合模式802.11g与802.11b 

       802.11b网络用户目前已达到约2000万之多,随着市场向802.11g的更高数据速率转移,我们也要考虑到上述用户的情况。IEEE 802.11g草案标准希望提高2.4GHz频带上的数据吞吐量。G任务组采用了一个与802.11a标准相同调制技术 (OFDM) 的草案,也具备与该标准相同的短前同步码。但是,802.11g运行于2.4GHz频带上。尽管802.11g草案要求具备与802.11b标准的向后兼容性,但这种兼容性却多少让人生疑。看到"向后兼容性",人们就会希望两种标准既然都使用2.4GHz频带的相同信道,那么就可以共存。但事实上,如果不具备特定条件的话,它们就不能共存。

       不能共存的原因有两重:首先,"传统的"802.11b接收机不能解码OFDM数据。因此,无论这些接收机是接入点还是站都不能感知 802.11g发送器在相同的信道上进行传输。第二,802.11g发送器传输的"短前同步码"不管是接入点还是站都与802.11b标准所用的不同。希望进行传输的802.11b器件将首先根据CSMA/CA协议性质的要求"监听"信道,如果不能检测到有效传输的话,就认为无线广播是"通畅的",并开始进行传输。但由于802.11b器件鉴于上述两种原因不能检测到802.11g客户机传输,因此它做出的无线广播通畅的判断可能是错误的,并在802.11g客户机的传输"之上"再进行传输。一般说来,两种传输都会丢失,两个器件都要求重试,这就大大降低了系统吞吐量。802.11g器件不会犯同样的"错误",因为根据定义,其与802.11b标准是向后兼容的,因此能够感知802.11b器件,并避免与其同时进行传输。但由于第一个问题,汇聚系统吞吐量还是会受到影响。


       一种可能的解决方案就是不允许混合模式的802.11g和802.11b网络。这样,支持802.11g和802.11b就需要使用两个信道。由于2.4GHz频带只允许三个不重复信道,这就会占用三分之二的可用范围。这种解决方案还会带来更严重的问题,即支持两种标准的成本会大大增加,因为需要两台无线电广播来支持两个信道中的同时操作。

       提高数据吞吐量

       另一种解决方案就是规定网络协调功能,这是服务质量 (QoS) IEEE 802.11任务组E提出的。802.11e草案标准的目标旨在提高WLAN的服务质量,从而使其能够传输诸如语音和视频等实时媒体,而不受当前802.11标准系列提供的"尽力而为"服务级别的影响,该系列标准是以数据为中心而设计的。尽管这种解决方案可在未来解决混合模式802.11g-802.11b的困境,但它却无法解决传统的802.11b客户机问题,也不支持802.11e草案标准。

       基本的802.11标准中还存在另一种解决方案。该标准允许接入点要求站传输发送请求 (RTS) 包,并在继续传输有效负载数据包之前等待接入点的清除发送 (CTS) 包,从而避免站传输。该规定包括于802.11标准中,这就解决了两个站都在接入点覆盖范围内但又不在彼此覆盖范围之内的问题。在这种情况下,它们彼此之间不能"监听",不过它们仍会同时进行传输,而接入点则不能解码其消息。利用这种机制来解决混合模式困境是可行的。当用来保护802.11g OFDM流量不受802.11b传输干扰时,该技术常被称作"保护机制"。但使用它会造成更多系统开销 (RTS-CTS包),这就降低了总体系统吞吐量,并再次削弱了使用高速802.11G的优势。

       那么我们现在能做些什么来提高整体系统吞吐量,同时又支持传统的802.11b客户,并维持成本效率高的解决方案呢?实际上,答案存在于无线LAN市场的细分中,要理解不同市场细分中的购买标准和过程。可互操作性和吞吐量在每个市场细分中都是两种重要的驱动力量。每个人都希望自己的设备在任何地方都能以期望的速度工作。可互操作性指的是来自不同制造商的设备可在相同的网络中工作。

       家庭/消费类产品/零售市场细分

       在家庭市场中,无线网络设备通常以"套件"的形式购买。购买者将决定安装无线网络,为了避免潜在的不兼容性,同时会在同一个地点从相同的厂商处购买接入点和网络卡。零售连锁通常会提供既包括接入点又包括网络卡的套件,或者组合在一个组合包装中,或者以优惠促销的形式提供。尽管这能在实际的家庭环境中解决可互操作性问题,但消费者显然希望在其他地点(通常是在公共场所)也能使用无线卡,也显然希望能在家庭环境中使用IT部门安装在其"工作电脑"中的无线卡。

       由于消费者希望以尽可能高的速度将丰富内容的器件连接起来,吞吐量在家庭市场中正成为越来越重要的一项要求。举例而言,照片和高质量视频流将通过WLAN从照相机或摄像机下载至PC。在这种应用中,具备高数据吞吐量是至关重要的。

       企业市场细分

       企业市场中的一条关键选择标准就是可互操作性。其原因在于,接入点的购买与网络卡的购买是分开进行的。一旦无线接入点基础设施安装之后,不同器件网络卡的选择不必依循相同的过程。网络卡不一定要从出售接入点的相同厂商处购买,事实上也通常是从不同的厂商处购买的。此外,无线接入点基础设施会不时更新,因此即便接入点和网络卡最初都是从相同厂商处购买的,进行上述升级之后二者就不见得仍会来自相同的厂商。因此,可互操作性是企业的一个关键选择标准,Wi-Fi联盟正在努力实现各厂商之间的可互操作性。

       吞吐量在企业市场细分中仍是重要因素,因为网络中通常都会有巨大的流量。大多数企业 IT 经理都会选择就任意通讯设备向每位用户提供所能保证的最高速度。

        公共接入市场细分

       与企业市场非常相似,公共接入市场也非常关注可互操作性,但二者关注的原因不同。公共接入市场不能保证接入点和网络卡从相同的厂商处购得。不管公共接入服务供应商选择作为接入点来源的厂商是哪一家,用户都会使用他们已安装的来自不同厂商的网络卡。如果服务供应商要求用户仅使用特定厂商的网络卡,那么这只可能限制公共接入 WLAN 市场的成长。此外,不同的服务供应商很可能选用不同的接入点厂商,这就在接入点厂商和网络卡厂商之间增加了又一重不一致性。因此,较之于企业市场细分,可互操作性在公共接入市场细分中更为重要。

       数据吞吐量对公共接入市场也很重要。大多数用户使用网络几乎都是为了访问因特网,而这要求级别很高的数据吞吐量。

       家庭环境中的可互操作性解决方案

       我们提出了以下方法以成本效率较高的方式来提高家庭环境中的"真正吞吐量",但同时也不会有损于可互操作性。该解决方案的特点应为:

    1. 毋需诸如服务质量等特别要求和规定即可在任何 802.11b 环境中实现可互操作性的功能。
    2. 在家庭环境中有能力提供更高吞吐量,同时其他"传统的"802.11b 网络卡在上述网络中也能实现可互操作性,且不会出现混合模式 802.11g-802.11b 网络中可能发生的吞吐量显著下降的情况。
    3. 无线卡能够在其他服务位置实现漫游功能,如公共接入"热点"等,同时与上述服务具备全面的可互操作性,在上述位置上不会出现服务质量或吞吐量的降低。
    4. 可以假定,接入点和网络卡从相同的厂商处购买,因此可能两端标准实施没有强制规定的可选特性,这由上述两种特点或条件所决定。

       分组二进制卷积码 (PBCC) 作为提高无线网络信号传输速率的方法开发而成,从 802.1b 所支持的 11Mbps 提高到 22Mbps,同时确保可与传统的 802.11b 系统实现完全共存和可互操作性。这种调制/编码技术也向 802.11g 任务组提出过,尽管没有成为该草案标准所规定的高速调制技术,但它被接受为一种可选的技术。我们应当注意到,尽管局限于 11Mbps,但 802.11b 标准也是以 PBCC 作为可选调制方法的。在市场中,有时 PBCC 也称为 802.11b+。

       PBCC 的一个关键特点是,它与传统的 802.11b 器件使用的是同完全相同的报头,这与使用 OFDM 报头、不能被 802.11b 器件解码的 802.11g 不同。这意味着传统的客户机可以解码 PBCC 包报头。根据最初的 802.11 标准的定义,该报头具备一个字段,称作"持续时间"字段。该字段的唯一目的就是让接收机知道当前传输的包将持续多长(单位为微秒)。换言之,即便接收机不能解码包的其他部分(或是由于干扰,或是由于接收机不熟悉以 PBCC 或其他调制技术编码的数据),它也能够知道应该等待多长时间,何时可以再次传输,这样就不会与当前传输发生冲突。

       由于 PBCC 能够与传统的 802.11b 站、"PBCC 增强型"802.11b 站以及使用可选 PBCC 模式的 802.11g 站实现可互操作性,而无需特别的服务质量或协调功能规定,因此它能够满足条件 (a)。能够实现这一点,是由于使用了相同的报头,可由所有三种类型的站解码(传统的 802.11b 站、"PBCC 增强型"802.11b 站以及使用可选 PBCC 模式的 802.11g 站),而且报头中具备"持续时间"字段。由于能够通过增强的信号传输速率提供更高的吞吐量,又不会有损于"混合模式"操作,因此它也满足条件 (b) 的要求。由于支持 PBCC 功能的网络卡在与支持 PBCC 功能的家庭网络外部进行通信时使用标准的、可互操作性的 802.11b 模式,因此它也能满足条件 (c) 的要求。上述所有这些能够实现,都以 (d) 假定为基础,因为在消费类市场中,接入点和无线卡都能从相同的厂商处购得,通常使用相同厂商的芯片组,并在应用两端都提供 PBCC。

       我们要回答的最后一个问题,就是使用 PBCC 是否能够提供与基于 802.11g 的产品相当的吞吐量,同时还能支持与传统 802.11b 产品的混合模式操作。在以下由 TI 无线 LAN 实验室创建的图表中,我们给出了混合模式操作不同选项的两种模拟示意。两图比较了使用不同技术传输 1000 字节数据包所用的时间。该时间不仅包括"有效负载"数据,而且也包括所有传输数据所需的开销,并与网络中传统的 802.11b 器件共存。时间条越短,传输相同数据量的速度就越快,网络也就能实现最高的实际数据吞吐量。第一幅图给出了采用长前同步码(用于同步接收机到发送器)环境中的结果,而第二幅图给出了使用短前同步码环境中的结果。我们应当注意到,某些传统器件可能仅支持长前同步码,因此支持它可能要求用到长前同步码吞吐量网络。

       从图中我们马上就可看到,只有在传统 802.11b 器件和 PBCC 器件中,数据传输才需要 50% 以上的总传输时间。在 OFDM 器件中(模拟速率为 24、36 和54Mbps),数据传输占总传输时间的部分要小得多。事实上,当以 54Mbps 的速度传输 OFDM 时,图中显示传输"有效负载"数据的时间还不到 20%,而其他时间则用于开销和保护机制(PBCC 器件不要求)。


                                           图 1:使用长前同步码传输 1,000 字节块的所需时间

 

 

                                         图 2:使用短前同步码传输 1,000 字节块的所需时间

       我们也可以看到,只有在使用 PBCC 22 时,传输一个 1,000 字节数据块所需的时间才低于 1 毫秒,即数据吞吐量超过 8Mbps,而使用 54Mbps 和 RTS-CTS保护机制的 802.11g 器件约需 1.1 毫秒,即数据吞吐量略高于 7Mbps。 使用短前同步码时,我们假定与网络相关联的传统 802.11b 器件能够支持它,使用 802.11g OFDM 的 54Mbps 速度较 PBCC 略有优势,但优势低于 5%,且当信号传输速率下降到 36Mbps 时即会消失(通常是由于接入点和站之间的距离增加使然)。

       总结

       如果您希望在 54-Mbps 802.11a 或 802.11g 链接上发送一个 54M 比特的文件,那么所需时间会多于一秒钟。无线媒体的实际数据吞吐量大大低于信号传输速率,二者不应混淆。但我们可以就此作一些工作,尽可能使数据吞吐量接近信号传输速率。企业和公共接入市场细分由于可互操作性要求不能对协议进行任何改善,但家庭市场细分则可以进行改善,只要它满足本文所指出的要求即可。最重要的要求就是它可保证不同环境中的可互操作性。PBCC 提高了无线网络的信号传输速率,从 802.11b 支持的 11Mbps 提高到 22Mbps,同时与传统 802.11b系统实现全面共存和可互操作性,且不会因为使用 802.11g OFDM 器件要求的"保护机制"而造成吞吐量下降。最后,随着 WLAN 标准不断发展和新技术革新的不断出现,只要我们继续致力于对实际吞吐量的提高而不仅仅是信号传输速率,那么数据吞吐量就一定会继续得到改善。

来源:电子产品世界

责任编辑: admin

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