無線區域網路產出的定義和改進
| 無線區域網路產出的定義和改進 作者：Yoram Solomon, 業務開發處長, 德州儀器無線區域網路事業部 |
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| 摘要 人們常將訊號速率 (signaling rate)、資料速率 (data rate) 或是產出 (throughput) 等名詞混淆使用，泛指802.11界面所能傳輸的資訊量；實際上，它們的含義並不相同，彼此不能相互取代。802.11b標準的訊號速率是11 Mbps，802.11a和802.11g的最大訊號速率則是54 Mbps。 在這篇文章中，我們將深入解釋這三個名詞的差異，並證明雖然這些標準的訊號速率分別為11 Mbps和54 Mbps，但真正重要的實際資料產出卻遠低於訊號速率；我們還會提供建議來改善資料產出，特別是針對家庭網路消費性領域。 訊號速率 802.11的訊號速率定義如下：  位元時間 (bit time) 是傳送一個位元資訊的所須時間。隨著傳輸技術不同，802.11b訊號速率最低為1 Mbps，最高則能達到11 Mbps；802.11a標準和802.11g草案標準最高提供54 Mbps訊號速率，比802.11b的訊號速率快五倍。 資料產出 802.11標準和它的所有衍生標準 (802.11b、802.11a和802.11g草案) 都包含實體層和通訊協定定義；換言之，這些標準都定義一些資料格式，傳送資料必須符合這些格式，才能為線路的另一端所接收和瞭解。這些協定都包含相當的額外負擔 (overhead)，它是指原始資料以外的所有添加資訊和這些資訊所須的傳輸時間 (airtime)。802.11系統的額外負擔包括：
802.11標準
802.11目前有三種衍生標準，分別是802.11b、802.11a和802.11g草案。802.11標準最初是在1997年公佈，最大資料速率只有2 Mbps。為了增加資料速率，業界隨後又提出兩種互不相容的標準，分別是802.11b和802.11a；802.11b使用2.4 GHz ISM頻帶，訊號速率最高11 Mbps，802.11a則使用5 GHz U-NII頻帶，最大可以提供54 Mbps的訊號速率。802.11a設備無法向後相容於802.11b設備，這表示所有的設備都必須重新購買和安裝。許多常見的家電產品也使用2.4 GHz頻帶，包括無線電話、微波爐以及幼兒看護系統，它們可能造成干擾，讓802.11b使用者無法存取網路。802.11b裝置的傳送距離最遠可達300英呎，802.11a裝置的更高操作頻率卻會帶來更嚴重的路徑耗損，使它的最遠傳送距離只有150英呎，因此在同樣區域內必須安裝更多的接取點裝置；此外，訊號頻率越高時，功率放大器的工作效率就越低，故使用5 GHz頻帶的802.11a裝置在傳送資料時，電力需求必然高於使用2.4 GHz頻帶的802.11b裝置。 為解決802.11b和802.11a間的種種問題，IEEE於2000年展開802.11g延伸標準的制定工作。802.11g和802.11b相同，都使用2.4 GHz頻帶，調變技術則採用802.11a的正交分頻多工 (OFDM)，可提供802.11a的資料速率。802.11g也向後相容於802.11b，現有設備無須升級即可繼續使用。由於802.11g也像802.11b一樣使用2.4 GHz頻帶，因此也會受到其它常見家電產品的干擾。在802.11b至802.11g的轉換過程中，許多無線區域網路首先支援較高的訊號速率，若設備或線路狀況有其它需要，再降速至802.11b速率。 802.11g與802.11b混合模式 目前802.11b網路使用者約二千萬，隨著市場升級至資料速率更高的802.11g，這些使用者也必須列入考慮。IEEE 802.11g草案標準希望提高2.4 GHz頻帶的資料產出，G工作小組 (Task Group G) 的草案就採用相同於802.11a標準的OFDM調變技術，包括與此標準相同的短封包前置資料 (short preamble)；另一方面，802.11g則使用2.4 GHz頻帶。雖然802.11g草案要求向後相容於802.11b標準，這種相容性卻很值得懷疑。所謂「向後相容性」是指在2.4 GHz頻帶中使用相同頻道的兩種標準能夠共存，但在實際應用中若不藉助某些特定功能，這些裝置將無法共存。 無法共存的原因有二：「現有」802.11b接收機無法解碼OFDM資料，因此無論這些接收機是在接取點或是基地台，它們都沒有能力偵測在相同頻道中傳送資料的802.11g發射機。其次，無論在接取點或基地台，802.11g發射機所傳送的短封包前置資料都不同於802.11b標準使用的前置資料。802.11b裝置想傳送資料時，它會先根據CSMA/CA協定要求來「傾聽」頻道狀態，若它沒有偵測到任何合法的傳送動作，就會假設頻道此時處於「空閒」狀態，隨即開始傳送資料。但另一方面，由於802.11b裝置受到前述兩個因素的影響，無法偵測出正在傳送資料的802.11g用戶，因此可能錯誤的認為頻道無人使用，於是讓自己的傳送訊號「蓋過」802.11g用戶的傳送訊號，通常這會造成雙方的傳送動作失敗，於是兩部裝置被迫重傳資料，系統的產出因而大幅下降。802.11g裝置則不應犯相同「錯誤」，因為根據定義，它應向後相容於802.11b標準，也就是有能力偵測出802.11b裝置，避免與它同時傳送資料；但受到第一個問題的影響，系統總產出仍會受到傷害。 一個可能的解決方法是禁止混合模式802.11g和802.11b網路，若要同時支援802.11g和802.11b標準，就必須使用兩個頻道，由於2.4 GHz頻帶只能容納三個非重疊頻道，這種做法將佔掉2/3的可用頻譜；更糟的是，若採用這種解決方法，同時支援這兩種標準的成本將大幅攀升，因為系統需要兩組無線電，才能讓兩個頻道同時進行操作。 改善資料產出 另一個解決方法是強制要求系統提供一項網路協調功能，這也是IEEE 802.11的E工作小組 (Task Group E) 針對網路連線品質 (QoS) 所提出的建議。802.11e草案標準的目標是改善無線區域網路的連線品質，使它能傳送即時媒體資料，例如聲音和視訊，不受現有802.11系列標準，它們是以資料傳輸為主，所提供的「盡力而為」(best effort) 服務水準的影響。雖然這種方法將來可以解決混合模式802.11g-802.11b的困境，但對於不支援802.11e草案標準的現有802.11b用戶，它仍然無能為力。 基本802.11標準還提供另一種解決方法。根據這套標準的規定，接取點可以禁止基地台傳送資料，方法是要求基地台先送一個「傳送要求」(RTS) 封包，等到它們收到接取點送來的「允許傳送」(CTS) 封包後，才可以繼續傳送他們的酬載資料封包。802.11標準包含此項條款是為了解決以下問題：兩個基地台在多個接取點的涵蓋範圍內，卻不在彼此的涵蓋範圍內，由於它們無法「聽到」對方的存在，所以可能會同時傳送資料，使得接取點無法對任一個基地台的訊息進行解碼。此機制可以解決混合模式的困境，若利用它來保護802.11g OFDM資料流量 (traffic)，使其不受802.11b傳輸的影響，這項技術通常又被稱為「保護機制」(Protection Mechanism)；但另一方面，使用它將對系統造成更多的額外負擔 (必須處理RTS-CTS封包)，系統總產出也會降低，更高速率802.11g標準所能帶來的好處將不復存在。 因此，要如何做才能改善系統的總產出，支援現有802.11b用戶，並繼續提供一套低成本解決方案？答案在於無線區域網路的市場區隔 (segmentation)，以及瞭解不同市場的採購準則和過程。操作互通性和產出是每個市場區隔的兩大推動要素，每個人都希望他們的設備能在他們想要的任何地點以他們想要的速度操作，操作互通性則是指不同製造商所提供的設備在同一個網路上共同工作的能力。 家庭／消費性／零售市場 在家庭市場，無線網路設備通常是以「套件」方式進行採購，買主可能決定安裝一套無線網路，並希望避免潛在的不相容性，因此他們會在同一個時間，在同一個地點，向同一個店家購買接取點和網路卡。零售店面提供套件時，接取點和網路卡通常來自同一組套裝產品或是同一項促銷計劃，雖然這能解決實際家庭環境的操作互通性問題，但消費者還希望能在其它地點使用無線網路卡 (通常是在公共場所)，也希望就算在家裏，也能使用電腦部門為他們的「工作電腦」所安裝的無線網路卡。 產出對於家庭市場的重要性日益增加，因為消費者希望能以最高速度連接至可提供豐富內容的裝置；舉例來說，使用者可以透過無線區域網路，把攝影機所拍攝的圖片和高畫質視訊位元流下載至個人電腦，高資料產出對於這類應用非常重要。 企業市場 操作互通性是企業市場的重要選購準則之一，原因是接取點和網路卡的購買通常會分開進行，當無線接取點基礎設施建置完成後，企業為不同裝置選購網路卡時，就不一定要依循相同的程序；企業不一定會向他們的接取點供應商購買網路卡，在多數情形裏，他們反而會向其它廠商購買。此外，無線接取點基礎設施可能會不斷升級，就算企業最初向同一家廠商購買接取點和網路卡，在經過多次升級後，它們也不一定仍是由相同的廠商供應。因此操作互通性是企業非常重視的選購準則，Wi-Fi聯盟 (Wi-Fi Alliance) 的努力目標就是確保無線產品能提供跨廠商的操作互通性。 產出也是企業市場的一項重要因素，由於這類網路的資料流量必然極為龐大，絕大多數的企業電腦部門主管在採購通訊設備時，都會選擇保證速率 (guaranteed speed) 最高的產品。 公共接取市場 公共接取市場 (Public Access Market) 和企業市場很像，最關心的是操作互通性，但是原因並不相同。公共接取市場不可能保證接取點和網路卡都來自同一家廠商，無論公共接取服務供應商向誰採購接取點設備，客戶都會使用他們已經安裝的網路卡，這些網路卡也必然來自不同廠商；若服務供應商企圖要求客戶採用特定廠商的網路卡，結果只會對公用無線區域網路的市場成長造成限制。此外，不同的服務供應商多半會選擇不同的接取點廠商，使得接取點廠商和網路卡廠商更不可能是同一家公司，因此公共接取市場對操作互通性的重視程度必然更勝於企業市場。 資料產出對於公共接取市場也很重要，絕大多數使用者在利用這些網路時，都是為了上網存取大量資料。 具備操作互通性的家用解決方案 以下討論將提出數種方法來改善家庭環境的「實際產出」，它們不但成本低，而且不會影響產品的操作互通性。這些解決方案必須提供以下特色：
802.11g採用802.11b裝置無法解碼的OFDM標頭，PBCC的標頭則和現有802.11b裝置完全相同，因此現有802.11b裝置可對PBCC封包標頭進行解碼，這是PBCC重要特性之一。PBCC標頭包含一個「持續時間」(Duration) 欄位，它是由原始的802.11標準所定義，用途是讓接收機知道目前傳送的封包有多長 (微秒計算)；換言之，即使接收機無法對封包的其餘部份進行解碼，例如受到干擾或資料編碼採用接收機不認識的PBCC或其它調變技術，接收機也知道要等待多久才能重新傳送資料，而不會與目前的傳送動作發生衝突。 PBCC符合要求 (a)，因為它允許現有802.11b基地台、「PBCC加強型」802.11b基地台以及選用PBCC模式的802.11g基地台在一起工作，不需要特殊的QoS網路連線品質或協調功能。PBCC可以達成這項要求，是由於它採用三種基地台 (現有的802.11b基地台、PBCC加強型802.11b基地台與選用PBCC模式的802.11g基地台) 都能解碼的相同封包標頭，而且標頭還包含「持續時間」欄位。PBCC符合要求 (b)，因為它能提高訊號速率，進而提供更高的產出，而且不會影響這類「混合模式」操作。PBCC也符合要求 (c)，因為PBCC網路卡與PBCC家庭網路以外的裝置通訊時，會採用可相互操作的標準802.11b模式。根據假設 (d) 也能符合所有這些要求，因為在消費性市場上，使用者多半會向同一家廠商購買接取點和無線網路卡，它們通常會使用同一家廠商的晶片組，因此能在應用的兩端提供PBCC功能。 最後一個必須回答的問題是：如果使用PBCC，那麼當它與現有802.11b產品進行混合模式操作時，產出能否達到802.11g產品的相近水準。下面的圖表是由TI無線區域網路實驗室所繪製，內容是各種混合模式操作的兩組模擬結果，這些圖表比較了不同技術傳送1,000個位元組封包的所須時間，其中不僅包括「酬載」資料的傳送時間，還包括為了傳送資料、並與網路現有802.11b設備共存而須付出的額外時間。在這些圖中，代表時間的長條越短，就表示它能以更快速度傳送相同數量資料，網路也能提供更高的實際資料產出。第一張圖是在網路環境中使用長封包前置資料 (long preamble，可讓接收機與發射機同步) 的結果，第二張圖則是使用短封包前置資料的結果；值得注意的是，某些現有設備可能只支援長封包前置資料，因此若要支援這類設備，就必須在整個網路中使用長封包前置資料。 從圖中可明顯看出，僅當現有802.11b裝置與PBCC裝置混合操作時，資料傳送時間才超過總傳送時間50%以上，使用OFDM裝置時 (模擬速率24,、36和54 Mbps)，資料佔總傳送時間的比例即大幅下降；事實上，以54 Mbps傳送OFDM時，真正用來傳送酬載資料的時間還不到20%，其它時間都被額外負擔和保護機制所佔用 (PBCC並不需要保護機制)。 從圖中還可以發現，採用PBCC 22傳送1,000個位元組資料區塊的所須時間還不到1毫秒，這表示它的資料產出已超過8 Mbps；相形之下，採用54 Mbps和RTS-CTS保護機制的802.11g卻需要約1.1毫秒，表示它的產出只略高於7 Mbps。  若使用短封包前置資料，並假設與網路連線的802.11b裝置都支援短封包前置資料，則採用54 Mbps速率的802.11g OFDM會稍微勝過PBCC，但此優勢還不到5%，而且當訊號速率回降至36 Mbps時 (通常是由於接取點和基地台間的距離增加)，它的優勢就會完全消失。 結論 若你想透過54-Mbps 802.11a或802.11g線路傳送54-Mbit的檔案，所須時間將會超過一秒鐘，這是由於無線傳輸媒介的實際資料產出通常都遠低於訊號速率，因此我們不應將兩者混淆；無論如何，我們可採取某些措施來改善這種現象，使得資料產出儘可能接近訊號速率。雖然企業市場和公共接取市場由於受到操作互通性要求的限制，而無法對通訊協定做任何改進，家庭市場卻有很大發揮空間 - 只要它能滿足這篇文章所介紹的多項要求，其中最重要的就是維持它在不同環境中的操作互通性。PBCC把無線網路的訊號速率從802.11b支援的11 Mbps增加至22 Mbps，並能與現有802.11b系統維持完整的共存能力和操作互通性，又不像802.11g OFDM裝置因為必須採用「保護機制」而使得產出下降。最後，隨著無線區域網路標準不斷演進，各種技術創新又持續出現，只要人們把關注重點放在實際產出，而不僅是訊號速率，資料產出就會繼續改進。 |