视频多媒体共享对消费电子与无线网络的融合来说至关重要。随着数字和个人视频录像机变得普及,消费者期望能够在家中的任何地方访问所存储的视频资料。
为此,需要一种能够提供足够高位速率的无线联网技术,来支持从一个中心位置分发视频和HDTV流,而且要达到整个家庭的覆盖范围。视频应用不能容忍带宽波动,所以有保障的带宽和服务质量(QoS)是最基本的需求。此外,不管环境条件怎么变化,无线网络都应该提供类似有线网络的性能。
在新家庭环境中的这些挑战和其它一些挑战是无法靠现有基于IEEE 802.11 a/b/g的无线产品来应对的。试图把WLAN技术用于视频分发的解决方案已被证明无法满足消费者对连接范围和图片质量的期望值。因而,需要开发新技术,目的是支持具有更高带宽、更低扰动、更短延迟和更广覆盖范围的高质量视频应用。
扩大覆盖范围
更高的数据吞吐率并不能解决与WLAN视频分发相关的所有问题,但它是向鲁棒解决方案迈出的重大一步。更高的数据吞吐率提供了更好的干扰抑制率,以及处理恶化的连接条件的种种手段。过剩带宽还可被转换成扩大的覆盖范围或较低的功耗。许多可供选择的技术和方法能用来达到这个目的。
MIMO:多输入和多输出技术是一种信号处理和智能天线技术,与传统的无线系统相比,它可通过多个天线发送多个数据流并可达到更高的速率、更广的范围和更好的频谱效率。MIMO是一种多维技术。它通过各个天线发送彼此独立的数据流,因而其频谱利用率增加的倍数相当于所发送数据流的个数。
图:采用信道捆绑可以达到两倍以上的数据率。
为了实现这点,MIMO在正交频分复用(OFDM)的上层采用了空间多路技术(多个天线)。通过多个发送和接收天线对空间域和频域上的信息进行编码,再与每个天线上的OFDM调制结合起来,从而增加了分集性以及鲁棒性。这使得MIMO能够克服信道损害问题,比如码间干扰和其它干扰。
在发送端,MIMO对单一高速数据流编码的方法是把它分散并从空间上独立的天线上发送出去。有两个而非一个数据流的好处是,通过让每个数据流保持相同的速率可以使吞吐量翻倍,又或者是可以扩大原始数据流的传输范围,因为每个较低速率的数据流可以使用较低的天线群并只需要一个较低的信噪比就可把信号复原。在接收端,MIMO接收器利用算法来复原所发送的信号并把它们结合成单一的数据流。
MIMO的主要优点包括较高的数据发送率,其增加的倍数相当于发送数据流的数目,以及在多个通路的环境中建立无线连接的能力。
信道捆绑:香侬容量定律指出理论容量极限随带宽线性增加。因而,增加任何给定系统速率的最好方法就是扩大其工作带宽。对于WLAN系统来说,这通常叫做信道捆绑,因为把相临的两个20MHz信道捆绑在一起就可实现一个单一的40MHz信道。该带宽的增加实际上会超过一倍,因为这两个被捆绑信道之间的保护频带也可以被去除。
移到5GHz:5GHz频带在世界大部分地区提供了超过20条的20MHz信道,这使得它可以支持多得多的用户、每个用户高得多的带宽以及更强的抗干扰能力。
先进的前向纠错:采用可选的低密度奇偶校验(LDPC),可提供比其它IEEE 802.11标准所用的传统卷积编码大约要高3dB的编码增益。LDPC编码是一个由非常稀疏的奇偶校验矩阵确定的线性块编码。LDPC已经得到验证并被采纳为DVB-S2卫星广播和10Gb铜缆以太网的系统规范。
额外的编码增益可用来扩展同样数据率下的传送范围。例如,3dB的LDPC编码增益可转换成多达30%的传输距离改善。它还可被用来增加数据吞吐率或者用来增强鲁棒性和抗干扰能力。当需要一个低的包误差率和高数据率时,LDPC的编码优势可以发挥到最大,尤其是在视频分发这类要求很高的应用中。
提高MAC效率:802.11媒体存取控制层和物理层有固定的处理开销,与包的大小完全无关。在改进现有的802.11 WLAN标准时,降低该处理开销是主要的考虑之一。IEEE 802.11a/b/g的MAC效率在最佳条件下一般为50%左右。如果对发到同一个目的地的各个数据包采用一个聚集方案,就可把MAC效率提高到70%,从而消除了与每个分包相关的处理开销,而代之以一个公共的处理开销。
与每个IEEE 802.11a/b/g多MAC协议数据单元(MPDU)发送相关的公共处理开销现在与许多MPDU都相关。这成比例地增加了有效数据吞吐率。多达32个具有相同目的地地址和优先权的MPDU聚集成一个单一的级联有效负载,也叫做一个聚集的MPDU。
用一个认可聚集MPDU的协议实现聚集交换顺序是可能的,该协议具有单一的块应答(Block ACK)而非多个ACK信号。这个协议有效地消除了为每个MPDU都启动一次新传送的需要。
抖动消除和时钟恢复:大部分视频广播采用MPEG-2传送标准。为了以正确的方式解释MPEG表达和定时信息,解码器时钟需要锁定在编码器时钟上。不然的话,在解码器缓冲器这一端也许会发生上溢出和下溢出,从而带来包丢失的风险。
如果抖动持续的时间超过500纳秒的话,大部分公共解码器不能锁定在编码器时钟上。当穿过一个异步包网络时,如一个无线网络,也许会引入一个高得多的抖动,所以需要一种抖动消除机制。
有几种机制可以消除抖动,它们全都要求发送器和接收器具有一个公共的时钟。由于通信流是可变的位速率,在异步网络接收器端的一个抖动缓冲器可与该异步网络发送器端的一个时间标记一起使用。这些时间标记将准确地通知该抖动缓冲器机制何时发出下一个数据包。
然而,在接收器端准确地以发送器发出的形式解释该时间标记需要发送器时间标记机制和接收器抖动缓冲器时间标记机制之间的时钟同步。否则,该抖动缓冲器有可能发生上溢出或下溢出,而且包将会丢失。许多算法允许在有抖动的情况下实现网络端点之间的时钟复原。
由于在异步包网络中的延迟通常不是恒定的,因此需要开发算法来评估网络抖动并把它从时钟差异中隔离出来。为了能够修正所发送的时间标记,这类隔离是需要的,所以它们之间的差异只反映时钟差异,而不是网络抖动。
现有的802.11主要使用分布式协调功能(DCF)方法来访问无线媒质。DCF为每个设备访问该无线媒介提供了一个平等的机会。但是当处理视频、游戏和其它不能容忍带宽波动的应用时,DCF提供的公平访问就不合时宜了。
IEEE 802.11e标准的目标是解决这些问题,该标准包括两个主要部分。第一部分是强化的分布式信道访问(EDCA),它为不同类型的数据包定义了四个优先级别或访问种类。然而,它不保证带宽、抖动或延迟。
第二部分是混合协调功能控制信道访问(HCCA),它通过一个针对带宽利用率的中心仲裁器来保证基于EDCA分类的包预留带宽。
尽管在DCF中,所有站都试图以同样的优先级访问无线媒介。但在EDCA中有四个优先级别或访问种类。它侦听媒介并用一个退避(back-off)机制来确定所允许的发送时间,此机制类似于DCF规定的机制。
然而,不同于DCF,最大的退避时间对于不同的访问种类来说是不同的,这意味着较高优先级的访问种类比优先级较低的访问种类具有更短的最大退避时间。较短的最大退避时间允许较高优先级的访问种类比优先级低的访问种类更多地赢得对无线媒介的访问。
具有同样访问种类的应用或包还具有同样的最大退避时间,因而具有同样的赢得访问无线媒介的机会。EDCA的实现相当简单,但不能保证延迟、抖动或带宽。
一种更好的解决方案
HCCA 采用另一种方法来保证服务质量(QoS)。该方法不是等待一个空闲时间来发送,也不是采用一个退避机制,它是依赖该访问点的中心化控制,这样可以保证每个连接站的发送时间和持续期。愿意加入该网络的每个站必须请求该中心访问点的允许。这个请求包括一个详细介绍了该站所需QoS的通信规范。
该访问点确定它是否能够支持所请求的QoS规范,并接纳或拒绝一个站。该访问点维持一个基于其所有注册站QoS需求的中心化调度系统。随后,该访问点通知每个站可以访问无线媒介的时间。
由于这个过程是从一个中心地点进行管理的,因此可以保证该访问是无竞争冲突的。因为一切都是根据注册预先确定的,所以HCCA能保证带宽、抖动和延迟,不然的话这在一个混合数据和多媒体的环境中将是一个困难的挑战。
作者:Gil Epshtein
资深产品经理
Metalink公司
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