采用IEEE 802.11a实现家庭无线联网

与IEEE 802.11b和蓝牙技术相比,IEEE 802.11a被视为一种可行的家庭无线联网(WLAN)方案。本文详细描述了IEEE 802.11a所采用的正交分频复用技术(OFDM),并介绍了如何用CMOS来构建工作于5GHz的IEEE 802.11a系统,从而实现物美价廉的家庭无线互联。

在实现高带宽的家庭互联时,“最后一里”仍是主要瓶颈。目前业界针对这一问题有多种解决方案,包括蓝牙、HomePNA、HomeRF和HomePlug。最近设计人员开始将兴趣转向采用IEEE 802.11a的无线局域网(WLAN)技术,IEEE 802.11a工作频率为5GHz,数据传输率为54Mbps。一些厂商甚至已开始构建基于IEEE 802.11a WLAN规范的系统。

2.4GHz传输阻塞

目前,家用网络设备设计者正努力构建工作于联邦通信委员会(FCC)的2.4-2.4835GHz的工业、科学及医用(ISM)开放频带。不过,在这一带宽上开发产品的最大问题便是容易受到干扰。

由于过去几年里蓝牙系统、HomeRF 系统、IEEE 802.11b WLAN器件、无绳电话及其它设备对2.4-2.4835GHz频带使用过多,从而导致严重的瓶颈,并对家用网络环境产生干扰。

2.4GHz频带上的干扰问题主要来自多种互不兼容的数据传输技术。使用这一频带的器件分为直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)系统。DSSS数据传输方案主要用于IEEE 802.11b系统,其数据传输率可高达11Mbps。

DSSS工作原理

在IEEE 802.11b产品中,DSSS方案在窄带信号传输前将它与一个高带宽的伪随机噪声(PN)码相乘来实现扩频(图1)。扩频量通常称为处理增益(GP),即扩频后的传输信息带宽与实际信息带宽(BWInfo)的比值。通常处理增益远大于1。

通过这种扩频技术可以开发多接入点系统。在这种系统中,每个用户的传输信息均会在发送端用一个不同的PN码进行扩展,然后在同一频带内发送。接收到有用信号时,再将它与对应的PN码相乘,从而使有用信号解扩恢复成原来的传输信息。而其它与PN码不对应的信号和噪声则会被进一步扩大。有用信号再经过滤波,去掉残余的扩频干扰信号和噪声信号。通过这种方法,每一用户的信息均可与其它用户信息在相同的频带内独立地收发。

然而,IEEE 802.11b DSSS标准无法用于多个接入点。换言之,有用的处理增益和位能量与噪声之比(Eb/N0)不允许其它具有相同能量(但PN码不同)的信号同时传输。IEEE 802.11b DSSS系统只能承受高于有用信号-3dB的干扰。而在同一信道中,一个用户对另一用户的干扰远大于此。

因此,DSSS技术无法用于相同频带中的多信号同时传输。802.11b标准将同时传输的信号分配到三个不同的频带,每个22-MHz,从而在2.4GHz的频带中同时传输。

FHSS系统

在避免干扰的方法上,蓝牙和HomeRF等FHSS系统与DSSS系统不一样。FHSS系统通过在若干不同频段之间跳转来避免相同频带内其它传输信号的干扰。在每次跳频时,FHSS信号表现为一个窄带信号。如蓝牙的窄带信号频宽为1MHz,每秒跳频1,600次,跳过79个频段。因此,FHSS信号更为灵活,不会占用某一个频率过多时间。

FHSS系统所面临的一个主要挑战便是数据传输速率。就目前情形而言,FHSS系统使用1MHz窄带载波进行传输,数据率可达2Mbps。根据FCC最新规定,系统设计者可将载波信号带宽增加到5MHz,从而使系统数据传输率可高达10 Mbps。不过对于FHSS系统来说,要超越10Mbps的传输速率并不容易,从而限制了它在家庭网络中的使用。

干扰问题

FHSS和DSSS面临的另一个关键问题是干扰。目前FHSS的载波带宽更大,因此业界普遍认为,DSSS和FHSS产品之间可能会产生更大的干扰。

为了评估DSSS系统(如IEEE 802.11b)和FHSS系统(如蓝牙)之间的相互干扰,最好的办法是分开测试一方对另一方的干扰。

测试结果表明,窄带FHSS系统对DSSS传输的干扰十分严重,尤其是如蓝牙这样的快速传输信号。而宽带DSSS系统对FHSS传输的干扰也较为显著。当FHSS系统正好工作在一个有干扰的频率上时,这个信号会跳到一个DSSS带宽外的信道上。但是,信号传输量通常会减少。

5GHz高速带宽

相比之下,IEEE 802.11a 使用的5GHz频带并没有干扰问题存在。在美国,U-NII频带原来主要面对公立学校里价格低廉的计算网络。由于目前没有其它设备工作在U-NII频带(5.15-5.35GHz和5.725-5.825 GHz),在20MHz的频段内提供高达54 Mbps的信号传输并不成问题。因此,IEEE 802.11a标准在这一频带的低端200-MHz内定义了八个此类频段,而在高端100-MHz内定义了四个频段。

对于目前和将来的家用网络传输,如多媒体MP3音频数据流和VoIP电话、因特网接入、数字电视、MPEG-2 DVD流甚至MPEG-4视频点播服务,这种高速数据传输率已绰绰有余。而蓝牙、802.11b和HomeRF(甚至是FCC最近批准的扩展频谱)的数据传输率都不超过11 Mbps,甚至不足以携带HDTV信号。

OFDM的优势

除了高速传输和免受同频带中的其它标准干扰外,使用5GHz的IEEE 802.11a 等国际标准在设计上也具备更好的传输性能。这主要归功于这一标准采用了正交分频复用技术(OFDM)作为其调制技术,从而可避免在家庭联网中的多径效应。

当传输信号在墙壁、家俱及其它室内物体上进行反射时会产生多径效应。在这种情况下,传输信号并非通过单一的直接路径到达接收器,而是经过了多个不同路径。信号从发射器到接收器所经过的每条路径长度都不同,因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是个多次迭加而产生的信号,每个迭加信号都在不同时刻到达接收器,每个迭加信号的强度均不相同。

假设最初与最末到达接收器的两个信号之间的最大延迟为Tmax(称为支路延迟),并假设在每个时间间隔T内发送器发送一个离散数据块(一个码)。在这种情况下,每个接收到的码便可能被混迭了多达Tmax/T次(图2)。这种效应通常称为码间干扰(ISI)。对接收器来说,纠正一个较大的Tmax/T的实现成本很高。

支路延迟是一种环境效应,无法通过接收器来改变,唯一的方法便是增加传输码的间隔时间T。但这样会降低传输速率,与高速传输的宗旨背道而驰。

OFDM可满足两方面要求:它不是在一个时间间隔内用一个频率(或载波)来传输信息,而是将传输信息分配到N个子载波传输,每个子载波的时间间隔增加了N倍(或传输信息减少为1/N)。因此,尽管每个单独的子载波的数据传输率降低为1/N,但由于有N个不同的通道并行传输,因此系统总的传输率是一样的。此外,由于分成了N个子载波,Tmax/T率也下降为Tmax/(T×N)。这意味着每个子载波所能承受的多路径和ISI为原来的N倍。IEEE 802.11a系统的子载波数为52。

OFDM是当前一种效率极高的数据传输技术。它可在一个给定频带内传输大量的数据。

OFDM并非将52个子载波用保护间隔来进行划分,而是将其交迭。如果处理不当,便会产生一种称为互载波干扰(ICI)的效应,即无法清楚地区分每个子载波与相邻子载波中的传输数据。

OFDM通过确保子载波之间相互正交来解决这一问题,图3解释了正交方法。图中有三个子载波,每个均携带有调制信号。三个子载波组成一个OFDM码,然后发送到信道内。在实际的OFDM系统中,由于每个波形分别采用不同的相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM),这些波形的相位或振幅将有所不同。为了方便描述,此处所显示的波形相位与振幅都一致。

正交性

OFDM的正交性是通过组成OFDM码的子载波间的精确关系来实现的。在一个OFDM系统中,在给定的时间间隔T内,每个子载波频率都是基频的一个整数倍(即,f1 = f0, f2 = 2×f0, f3 =3×f0,以此类推)。这一特性使得每个子载波可以分别独立地从其它相邻子载波中检波。

图3的频域等效图如图4所示。图中每个子载波的频谱由一个正弦函数表示,其特性是:在中央频率时振幅达到峰值,而在此频率的整数倍时振幅为零。由于在每个函数振幅达到峰值时,其它子载波对它的影响为零,因此OFDM接收器能有效地将每个子载波进行检波。正是由于这种正交性使得子载波可以紧密交迭从而有效地利用频谱,最终实现54Mbps WLAN连接。

用CMOS构建

关于5 GHz的商业应用的一个错误概念便是它所需成本极高。由于前端RF收发器工作频率高同时要求噪声小,人们常认为它必须采用锗化硅(SiGe)、砷化镓(GaAs)或其它更为先进而昂贵的技术。

然而事实并非如此。CMOS是一种适用范围极广的技术,并且经过多次成功改进。由于CMOS的工艺尺寸不断缩小,现在可用于构建高频集成电路。

在评估一种技术的速度时,大家公认的一个标准是ft或电流增益定点频率。这一频率所对应的晶体管测量电流增益为1(输出与输入电流值相等,即无增益)。在绝大多数情况下,随着CMOS器件门长度的不断减小,这一定点频率将不断增加。

图5是CMOS的ft值与其它非主流技术的比较。对于门长度为0.25微米的CMOS技术而言,ft值在20-30GHz之间,而对于0.18微米的CMOS则为30-60GHz。尽管采用GaAs和SiGe技术可将这一数值翻番达到70-100GHz,但当前的主流CMOS用于实现5GHz WLAN已绰绰有余。

除了速度外,某种技术是否易于实现生产也是一个重要考虑因素。从这方面来看,CMOS技术也比其它技术更具优势,它经过了长达35年的工艺改进,现在人们可以精确地控制CMOS晶体管的沟道长度和氧化门厚度要求,其厚度精确度可调整到接近1-2个原子层的厚度。

材料优势

由于硅材料可实现自保护,这使CMOS生产工艺更具优势。硅可自已形成一层氧化硅,以保护其免受微粒污染和化学反应。而SiGe和GaAs则不具备这一特性。

此外,由于没有会产生缺陷的高能量工艺步骤,CMOS的可生产性也大大提高。在先进的SiGe处理过程中,为了获得精确的尺寸而采用了分子束外延(MBE)技术,这一技术使得晶圆的缺陷率达到100/平方厘米,与批量生产的200mm CMOS硅晶圆相比高出100-1000倍。

实际上,CMOS与其它新型材料在生产率上是不具备可比性的。最主要一点是新型非硅材料衬底的机械和化学特性均不如CMOS中所用的硅衬底。因此,由于GaAs晶圆无法承受目前量产200mm和300mm硅晶圆时的弯曲和挤压应力,它的尺寸通常限制在75mm,从而在价格上也要比CMOS产品更为昂贵。

作者:

James C. Chen

产品经理

Atheros Communications公司

Email:jamesc@