定義并改善無線 LAN 中的數(shù)據(jù)吞吐量

摘要

能夠通過802.11接口傳輸?shù)男畔⒘砍７Q作"信號傳輸速率"、"數(shù)據(jù)速率"或"吞吐量"。這些術(shù)語具有不同的含義，彼此不可互換。我們認(rèn)為，802.11b標(biāo)準(zhǔn)具備11Mbps的信號傳輸速率，而 802.11a 與 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)則具備高達(dá)54Mbps的速率。

本文中，我們將對上述術(shù)語加以區(qū)別，并將指出，上述標(biāo)準(zhǔn)的信號傳輸速率分別為11Mbps與54Mbps。但實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量，也就是我們真正關(guān)心的部分，則大大低于上述數(shù)值。我們將就提高數(shù)據(jù)吞吐量給出建議，特別要對家庭網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)類領(lǐng)域進(jìn)行討論。

信號傳輸速率

802.11的信號傳輸速率定義如下：

信號傳輸速率=1／比特時間

比特時間是指傳輸一比特信息所需的時間。802.11的信號傳輸速率從1Mbps到最高為11Mbps不等，根據(jù)所用的具體傳輸技術(shù)而各不相同。802.11a標(biāo)準(zhǔn)和802.11g標(biāo)準(zhǔn)草案可提供高達(dá)54Mbps的信號傳輸速率，是802.11b的5倍。

數(shù)據(jù)吞吐量

802.11標(biāo)準(zhǔn)及其所有衍生標(biāo)準(zhǔn)（802.11b、802.11a以及802.11g草案）定義了物理層 (PHY) 以及通訊所用的協(xié)議。換言之，該標(biāo)準(zhǔn)描述了被傳輸信息應(yīng)采用何種格式才能在另一端被接收和理解。這些協(xié)議包括大量開銷。開銷是所有信息以及用于非數(shù)據(jù)事項(xiàng)的播放時間的總稱。802.11系統(tǒng)中的開銷包括：

• 承載控制器件所需信息的協(xié)議報(bào)頭；
  
• 幀間隔時間，使頻帶用戶可以訪問通訊介質(zhì)（空氣）；
  
• 錯誤和流程控制，可確保傳輸?shù)耐暾裕?
  
• 確認(rèn)接收的消息，因?yàn)槭褂脽o線介質(zhì)很可能出現(xiàn)錯誤消息和消息沖突。

考慮到802.11b包括上述論及的數(shù)據(jù)和開銷，我們可以預(yù)計(jì)，數(shù)據(jù)吞吐量會接近5.5Mbps，而不是11Mbps，而802.11a或802.11g產(chǎn)品的吞吐量將接近30Mbps，而不是54Mbps的信號傳輸速率。

802.11標(biāo)準(zhǔn)

目前最初的802.11標(biāo)準(zhǔn)具備三個擴(kuò)展，分別為802.11b、802.11a以及802.11g草案版本。最初的802.11標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于1997年。802.11僅可提供高達(dá)2Mbps的數(shù)據(jù)速率。為了提高數(shù)據(jù)速率，出現(xiàn)了兩種新型的但又互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)版本，分別為802.11b和802.11a。802.11b運(yùn)行于2.4GHz工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療設(shè)備 (ISM) 頻帶上，能夠提供最大11Mbps的信號傳輸速率。而802.11a則運(yùn)行于5GHz無需許可證的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施 (U-NII) 頻帶上，并能提供高達(dá)54Mbps的信號傳輸速率。802.11a設(shè)備不具備同802.11b設(shè)備的向后兼容性，這意味著必須購買并安裝所有新設(shè)備。許多常見的家庭設(shè)備也使用2.4GHz頻帶，包括無繩電話、微波爐以及嬰兒監(jiān)視器等。這些"其他用戶"可能產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致 802.11b 用戶不能訪問網(wǎng)絡(luò)。802.11b器件傳輸數(shù)據(jù)的距離可達(dá)300英尺，而802.11a器件的最大傳輸距離僅為150英尺，這是由于較高的頻率具備較高的"路徑損失"特點(diǎn)，在相同的空間中要求更多的接入點(diǎn)。此外，與運(yùn)行在2.4GHz頻帶上的802.11b器件相比，802.11a器件在5GHz頻帶上要求更多的功率來傳輸信息，這是由于高頻率上的功率放大器效率較低。

由于802.11b和802.11a之間具備上述問題，因此IEEE于2000年開始就802.11g擴(kuò)展進(jìn)行工作。與 802.11b 一樣，802.11g也運(yùn)行在2.4GHz頻帶上，但能以802.11a所用相同的調(diào)制技術(shù)（正交頻分復(fù)用技術(shù)）提供802.11a的信號傳輸速率。802.11g也與802.11b向后兼容，用戶不必升級即可繼續(xù)使用原有設(shè)備。由于802.11g與802.11b都運(yùn)行于2.4GHz的頻帶上，因此也會遇到其他常見家庭設(shè)備的干擾問題。在802.11b向802.11g轉(zhuǎn)變的時期中，許多WLAN都支持高速信號傳輸速率作為首選項(xiàng)，但如果受設(shè)備或條件限制，則會降至802.11b的速度。

混合模式802.11g與802.11b

802.11b網(wǎng)絡(luò)用戶目前已達(dá)到約2000萬之多，隨著市場向802.11g的更高數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)移，我們也要考慮到上述用戶的情況。IEEE 802.11g草案標(biāo)準(zhǔn)希望提高2.4GHz頻帶上的數(shù)據(jù)吞吐量。G任務(wù)組采用了一個與802.11a標(biāo)準(zhǔn)相同調(diào)制技術(shù) (OFDM) 的草案，也具備與該標(biāo)準(zhǔn)相同的短前同步碼。但是，802.11g運(yùn)行于2.4GHz頻帶上。盡管802.11g草案要求具備與802.11b標(biāo)準(zhǔn)的向后兼容性，但這種兼容性卻多少讓人生疑?？吹?向后兼容性"，人們就會希望兩種標(biāo)準(zhǔn)既然都使用2.4GHz頻帶的相同信道，那么就可以共存。但事實(shí)上，如果不具備特定條件的話，它們就不能共存。

不能共存的原因有兩重：首先，"傳統(tǒng)的"802.11b接收機(jī)不能解碼OFDM數(shù)據(jù)。因此，無論這些接收機(jī)是接入點(diǎn)還是站都不能感知 802.11g發(fā)送器在相同的信道上進(jìn)行傳輸。第二，802.11g發(fā)送器傳輸?shù)?短前同步碼"不管是接入點(diǎn)還是站都與802.11b標(biāo)準(zhǔn)所用的不同。希望進(jìn)行傳輸?shù)?02.11b器件將首先根據(jù)CSMA／CA協(xié)議性質(zhì)的要求"監(jiān)聽"信道，如果不能檢測到有效傳輸?shù)脑?，就認(rèn)為無線廣播是"通暢的"，并開始進(jìn)行傳輸。但由于802.11b器件鑒于上述兩種原因不能檢測到802.11g客戶機(jī)傳輸，因此它做出的無線廣播通暢的判斷可能是錯誤的，并在802.11g客戶機(jī)的傳輸"之上"再進(jìn)行傳輸。一般說來，兩種傳輸都會丟失，兩個器件都要求重試，這就大大降低了系統(tǒng)吞吐量。802.11g器件不會犯同樣的"錯誤"，因?yàn)楦鶕?jù)定義，其與802.11b標(biāo)準(zhǔn)是向后兼容的，因此能夠感知802.11b器件，并避免與其同時進(jìn)行傳輸。但由于第一個問題，匯聚系統(tǒng)吞吐量還是會受到影響。

一種可能的解決方案就是不允許混合模式的802.11g和802.11b網(wǎng)絡(luò)。這樣，支持802.11g和802.11b就需要使用兩個信道。由于2.4GHz頻帶只允許三個不重復(fù)信道，這就會占用三分之二的可用范圍。這種解決方案還會帶來更嚴(yán)重的問題，即支持兩種標(biāo)準(zhǔn)的成本會大大增加，因?yàn)樾枰獌膳_無線電廣播來支持兩個信道中的同時操作。

提高數(shù)據(jù)吞吐量

另一種解決方案就是規(guī)定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，這是服務(wù)質(zhì)量 (QoS) IEEE 802.11任務(wù)組E提出的。802.11e草案標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)旨在提高WLAN的服務(wù)質(zhì)量，從而使其能夠傳輸諸如語音和視頻等實(shí)時媒體，而不受當(dāng)前802.11標(biāo)準(zhǔn)系列提供的"盡力而為"服務(wù)級別的影響，該系列標(biāo)準(zhǔn)是以數(shù)據(jù)為中心而設(shè)計(jì)的。盡管這種解決方案可在未來解決混合模式802.11g-802.11b的困境，但它卻無法解決傳統(tǒng)的802.11b客戶機(jī)問題，也不支持802.11e草案標(biāo)準(zhǔn)。

基本的802.11標(biāo)準(zhǔn)中還存在另一種解決方案。該標(biāo)準(zhǔn)允許接入點(diǎn)要求站傳輸發(fā)送請求 (RTS) 包，并在繼續(xù)傳輸有效負(fù)載數(shù)據(jù)包之前等待接入點(diǎn)的清除發(fā)送 (CTS) 包，從而避免站傳輸。該規(guī)定包括于802.11標(biāo)準(zhǔn)中，這就解決了兩個站都在接入點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)但又不在彼此覆蓋范圍之內(nèi)的問題。在這種情況下，它們彼此之間不能"監(jiān)聽"，不過它們?nèi)詴瑫r進(jìn)行傳輸，而接入點(diǎn)則不能解碼其消息。利用這種機(jī)制來解決混合模式困境是可行的。當(dāng)用來保護(hù)802.11g OFDM流量不受802.11b傳輸干擾時，該技術(shù)常被稱作"保護(hù)機(jī)制"。但使用它會造成更多系統(tǒng)開銷 (RTS-CTS包)，這就降低了總體系統(tǒng)吞吐量，并再次削弱了使用高速802.11G的優(yōu)勢。

那么我們現(xiàn)在能做些什么來提高整體系統(tǒng)吞吐量，同時又支持傳統(tǒng)的802.11b客戶，并維持成本效率高的解決方案呢？實(shí)際上，答案存在于無線LAN市場的細(xì)分中，要理解不同市場細(xì)分中的購買標(biāo)準(zhǔn)和過程?？苫ゲ僮餍院屯掏铝吭诿總€市場細(xì)分中都是兩種重要的驅(qū)動力量。每個人都希望自己的設(shè)備在任何地方都能以期望的速度工作?？苫ゲ僮餍灾傅氖莵碜圆煌圃焐痰脑O(shè)備可在相同的網(wǎng)絡(luò)中工作。

家庭／消費(fèi)類產(chǎn)品／零售市場細(xì)分

在家庭市場中，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常以"套件"的形式購買。購買者將決定安裝無線網(wǎng)絡(luò)，為了避免潛在的不兼容性，同時會在同一個地點(diǎn)從相同的廠商處購買接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)卡。零售連鎖通常會提供既包括接入點(diǎn)又包括網(wǎng)絡(luò)卡的套件，或者組合在一個組合包裝中，或者以優(yōu)惠促銷的形式提供。盡管這能在實(shí)際的家庭環(huán)境中解決可互操作性問題，但消費(fèi)者顯然希望在其他地點(diǎn)（通常是在公共場所）也能使用無線卡，也顯然希望能在家庭環(huán)境中使用IT部門安裝在其"工作電腦"中的無線卡。

由于消費(fèi)者希望以盡可能高的速度將豐富內(nèi)容的器件連接起來，吞吐量在家庭市場中正成為越來越重要的一項(xiàng)要求。舉例而言，照片和高質(zhì)量視頻流將通過WLAN從照相機(jī)或攝像機(jī)下載至PC。在這種應(yīng)用中，具備高數(shù)據(jù)吞吐量是至關(guān)重要的。

企業(yè)市場細(xì)分

企業(yè)市場中的一條關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)就是可互操作性。其原因在于，接入點(diǎn)的購買與網(wǎng)絡(luò)卡的購買是分開進(jìn)行的。一旦無線接入點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施安裝之后，不同器件網(wǎng)絡(luò)卡的選擇不必依循相同的過程。網(wǎng)絡(luò)卡不一定要從出售接入點(diǎn)的相同廠商處購買，事實(shí)上也通常是從不同的廠商處購買的。此外，無線接入點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施會不時更新，因此即便接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)卡最初都是從相同廠商處購買的，進(jìn)行上述升級之后二者就不見得仍會來自相同的廠商。因此，可互操作性是企業(yè)的一個關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi聯(lián)盟正在努力實(shí)現(xiàn)各廠商之間的可互操作性。

吞吐量在企業(yè)市場細(xì)分中仍是重要因素，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中通常都會有巨大的流量。大多數(shù)企業(yè) IT 經(jīng)理都會選擇就任意通訊設(shè)備向每位用戶提供所能保證的最高速度。

公共接入市場細(xì)分

與企業(yè)市場非常相似，公共接入市場也非常關(guān)注可互操作性，但二者關(guān)注的原因不同。公共接入市場不能保證接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)卡從相同的廠商處購得。不管公共接入服務(wù)供應(yīng)商選擇作為接入點(diǎn)來源的廠商是哪一家，用戶都會使用他們已安裝的來自不同廠商的網(wǎng)絡(luò)卡。如果服務(wù)供應(yīng)商要求用戶僅使用特定廠商的網(wǎng)絡(luò)卡，那么這只可能限制公共接入 WLAN 市場的成長。此外，不同的服務(wù)供應(yīng)商很可能選用不同的接入點(diǎn)廠商，這就在接入點(diǎn)廠商和網(wǎng)絡(luò)卡廠商之間增加了又一重不一致性。因此，較之于企業(yè)市場細(xì)分，可互操作性在公共接入市場細(xì)分中更為重要。

數(shù)據(jù)吞吐量對公共接入市場也很重要。大多數(shù)用戶使用網(wǎng)絡(luò)幾乎都是為了訪問因特網(wǎng)，而這要求級別很高的數(shù)據(jù)吞吐量。

家庭環(huán)境中的可互操作性解決方案

我們提出了以下方法以成本效率較高的方式來提高家庭環(huán)境中的"真正吞吐量"，但同時也不會有損于可互操作性。該解決方案的特點(diǎn)應(yīng)為：

1. 毋需諸如服務(wù)質(zhì)量等特別要求和規(guī)定即可在任何 802.11b 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可互操作性的功能；
   
2. 在家庭環(huán)境中有能力提供更高吞吐量，同時其他"傳統(tǒng)的"802.11b 網(wǎng)絡(luò)卡在上述網(wǎng)絡(luò)中也能實(shí)現(xiàn)可互操作性，且不會出現(xiàn)混合模式 802.11g-802.11b 網(wǎng)絡(luò)中可能發(fā)生的吞吐量顯著下降的情況。
   
3. 無線卡能夠在其他服務(wù)位置實(shí)現(xiàn)漫游功能，如公共接入"熱點(diǎn)"等，同時與上述服務(wù)具備全面的可互操作性，在上述位置上不會出現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量或吞吐量的降低。
   
4. 可以假定，接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)卡從相同的廠商處購買，因此可能包括某種"專利技術(shù)"或兩端標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施沒有強(qiáng)制規(guī)定的可選特性，這由上述兩種特點(diǎn)或條件所決定。

分組二進(jìn)制卷積碼 (PBCC) 作為提高無線網(wǎng)絡(luò)信號傳輸速率的方法開發(fā)而成，從 802.1b 所支持的 11Mbps 提高到 22Mbps，同時確?？膳c傳統(tǒng)的 802.11b 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全共存和可互操作性。這種調(diào)制／編碼技術(shù)也向 802.11g 任務(wù)組提出過，盡管沒有成為該草案標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的高速調(diào)制技術(shù)，但它被接受為一種可選的技術(shù)。我們應(yīng)當(dāng)注意到，盡管局限于 11Mbps，但 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)也是以 PBCC 作為可選調(diào)制方法的。在市場中，有時 PBCC 也稱為 802.11b+。

PBCC 的一個關(guān)鍵特點(diǎn)是，它與傳統(tǒng)的 802.11b 器件使用的是同完全相同的報(bào)頭，這與使用 OFDM 報(bào)頭、不能被 802.11b 器件解碼的 802.11g 不同。這意味著傳統(tǒng)的客戶機(jī)可以解碼 PBCC 包報(bào)頭。根據(jù)最初的 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的定義，該報(bào)頭具備一個字段，稱作"持續(xù)時間"字段。該字段的唯一目的就是讓接收機(jī)知道當(dāng)前傳輸?shù)陌鼘⒊掷m(xù)多長（單位為微秒）。換言之，即便接收機(jī)不能解碼包的其他部分（或是由于干擾，或是由于接收機(jī)不熟悉以 PBCC 或其他調(diào)制技術(shù)編碼的數(shù)據(jù)），它也能夠知道應(yīng)該等待多長時間，何時可以再次傳輸，這樣就不會與當(dāng)前傳輸發(fā)生沖突。

由于 PBCC 能夠與傳統(tǒng)的 802.11b 站、"PBCC 增強(qiáng)型"802.11b 站以及使用可選 PBCC 模式的 802.11g 站實(shí)現(xiàn)可互操作性，而無需特別的服務(wù)質(zhì)量或協(xié)調(diào)功能規(guī)定，因此它能夠滿足條件 (a)。能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，是由于使用了相同的報(bào)頭，可由所有三種類型的站解碼（傳統(tǒng)的 802.11b 站、"PBCC 增強(qiáng)型"802.11b 站以及使用可選 PBCC 模式的 802.11g 站），而且報(bào)頭中具備"持續(xù)時間"字段。由于能夠通過增強(qiáng)的信號傳輸速率提供更高的吞吐量，又不會有損于"混合模式"操作，因此它也滿足條件 (b) 的要求。由于支持 PBCC 功能的網(wǎng)絡(luò)卡在與支持 PBCC 功能的家庭網(wǎng)絡(luò)外部進(jìn)行通信時使用標(biāo)準(zhǔn)的、可互操作性的 802.11b 模式，因此它也能滿足條件 (c) 的要求。上述所有這些能夠?qū)崿F(xiàn)，都以 (d) 假定為基礎(chǔ)，因?yàn)樵谙M(fèi)類市場中，接入點(diǎn)和無線卡都能從相同的廠商處購得，通常使用相同廠商的芯片組，并在應(yīng)用兩端都提供 PBCC。

我們要回答的最后一個問題，就是使用 PBCC 是否能夠提供與基于 802.11g 的產(chǎn)品相當(dāng)?shù)耐掏铝?，同時還能支持與傳統(tǒng) 802.11b 產(chǎn)品的混合模式操作。在以下由 TI 無線 LAN 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的圖表中，我們給出了混合模式操作不同選項(xiàng)的兩種模擬示意。兩圖比較了使用不同技術(shù)傳輸 1000 字節(jié)數(shù)據(jù)包所用的時間。該時間不僅包括"有效負(fù)載"數(shù)據(jù)，而且也包括所有傳輸數(shù)據(jù)所需的開銷，并與網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的 802.11b 器件共存。時間條越短，傳輸相同數(shù)據(jù)量的速度就越快，網(wǎng)絡(luò)也就能實(shí)現(xiàn)最高的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量。第一幅圖給出了采用長前同步碼（用于同步接收機(jī)到發(fā)送器）環(huán)境中的結(jié)果，而第二幅圖給出了使用短前同步碼環(huán)境中的結(jié)果。我們應(yīng)當(dāng)注意到，某些傳統(tǒng)器件可能僅支持長前同步碼，因此支持它可能要求用到長前同步碼吞吐量網(wǎng)絡(luò)。

從圖中我們馬上就可看到，只有在傳統(tǒng) 802.11b 器件和 PBCC 器件中，數(shù)據(jù)傳輸才需要 50% 以上的總傳輸時間。在 OFDM 器件中（模擬速率為 24、36 和54Mbps），數(shù)據(jù)傳輸占總傳輸時間的部分要小得多。事實(shí)上，當(dāng)以 54Mbps 的速度傳輸 OFDM 時，圖中顯示傳輸"有效負(fù)載"數(shù)據(jù)的時間還不到 20%，而其他時間則用于開銷和保護(hù)機(jī)制（PBCC 器件不要求）。

圖 1：使用長前同步碼傳輸 1,000 字節(jié)塊的所需時間

我們也可以看到，只有在使用 PBCC 22 時，傳輸一個 1,000 字節(jié)數(shù)據(jù)塊所需的時間才低于 1 毫秒，即數(shù)據(jù)吞吐量超過 8Mbps，而使用 54Mbps 和 RTS-CTS保護(hù)機(jī)制的 802.11g 器件約需 1.1 毫秒，即數(shù)據(jù)吞吐量略高于 7Mbps。

圖 2：使用短前同步碼傳輸 1,000 字節(jié)塊的所需時間

使用短前同步碼時，我們假定與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng) 802.11b 器件能夠支持它，使用 802.11g OFDM 的 54Mbps 速度較 PBCC 略有優(yōu)勢，但優(yōu)勢低于 5%，且當(dāng)信號傳輸速率下降到 36Mbps 時即會消失（通常是由于接入點(diǎn)和站之間的距離增加使然）。

總結(jié)

如果您希望在 54-Mbps 802.11a 或 802.11g 鏈接上發(fā)送一個 54M 比特的文件，那么所需時間會多于一秒鐘。無線媒體的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量大大低于信號傳輸速率，二者不應(yīng)混淆。但我們可以就此作一些工作，盡可能使數(shù)據(jù)吞吐量接近信號傳輸速率。企業(yè)和公共接入市場細(xì)分由于可互操作性要求不能對協(xié)議進(jìn)行任何改善，但家庭市場細(xì)分則可以進(jìn)行改善，只要它滿足本文所指出的要求即可。最重要的要求就是它可保證不同環(huán)境中的可互操作性。PBCC 提高了無線網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸速率，從 802.11b 支持的 11Mbps 提高到 22Mbps，同時與傳統(tǒng) 802.11b系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面共存和可互操作性，且不會因?yàn)槭褂?802.11g OFDM 器件要求的"保護(hù)機(jī)制"而造成吞吐量下降。最后，隨著 WLAN 標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展和新技術(shù)革新的不斷出現(xiàn)，只要我們繼續(xù)致力于對實(shí)際吞吐量的提高而不僅僅是信號傳輸速率，那么數(shù)據(jù)吞吐量就一定會繼續(xù)得到改善。