分析通信网络中的有线与无线802.11家庭网络

　　介绍
　　无线家庭网络正在成为家庭中新型的首选数据服务分布技术。802.11b 的价格与有线解决方案不相上下，并且无需任何连线即可在新旧家庭中实现互联，对那些希望在家庭中铺设网络的用户来说是自然而然的选择。企业市场对 802.11b 产品的需求非常高，这推动了其价格进一步下降，也为用户提供了家庭和公司网络共同的接口，从而使其作为家庭网络技术更具有吸引力。
　　家庭网络目前最主要的推动力量是在多台电脑间实现宽带连接共享。802.11b 可在 300 至 500 英尺的传输距离中实现 11 Mbps 的原始数据速率，为上述需求提供了良好的解决方案。随着新式服务引入家庭网络中，802.11 g／a 后续标准解决了不断加大的容量需求，而 802.11e 和 802.11i 则解决了对服务质量 （QoS） 和安全性的更高要求。但是，随着家庭网络对容量的要求不断增长，无线连接的传输范围可能会限制有线电视运营商提供带宽要求较高的新式服务与应用（如家庭视频分布）的能力。
　　IEEE 802.11 标准
　　
　　最先进的 802.11a／g 标准吞吐量高达 54 Mbps，为在家庭中分布多部 MPEG 视频流提供了充足的容量，但根据上述标准的不同，产品连接距离和范围在最高吞吐量模式下工作时可能仍在许多情况下不够用。这是为什么？因为 802.11a／b／g 的高吞吐量操作模式对因障碍物（如墙壁）造成的路径损失最为敏感，对随时间变化的多路而造成的衰减也最为敏感。因此，我们不能保证用上述操作模式实现可靠的服务交付。
　　我们在本文中将介绍一种新的概念，使有线电视运营商能在家庭中提供高带宽要求服务（特别是视频分布）时可以解决覆盖范围的障碍问题。我们推荐使用家庭同轴线缆网络作为射频 （FR） 家庭网络的主干，而以 802.11 a／b／g 作为同轴线缆网络上的传输协议。
　　运营商利用家庭同轴线缆网络增加无线网络的连接距离和范围，就可在家庭中提供可靠的视频分布以及其他服务，并能保证在每一点上都能实现高容量覆盖，同时还能获得 802.11b／a／g／e／i 的全部优势，其中包括 QoS、安全性及低成本等。
　　一般概念
　　我们建议通过无线 （over the air） 与同轴线缆网络的方式建立基于 802.11 传输技术的家庭网络（本文中的术语“802.11”均指的是所有基于 802.11 的标准，包括所有各种扩展 802.11b／a／g／e／i）。我们设想的网络包括带有天线的接入点 （AP），用作无线 802.11 家庭网络，也包括同轴线缆连接。网络还包括两种类型的站点 （STA）：一种通过同轴线缆与网络连接，而另一种则通过无线方式连接。在家庭同轴线缆网络中的某一节点上也可挂接远程天线。
　　每个在 AP 生成的数据包都可通过无线或同轴线缆进行传输。这样，每个数据包都能通过三种信号路径之一到达其目的地。第一种可能的路径就是采用天线连接至 AP 的直接无线连接；第二种是在远程天线之前结合采用同轴线缆，随后以无线的方式无线站连接；第三种则是完全采用同轴线缆。所有采用无线和同轴线缆方式的传输都将采用相同的频带（2.4 GHz 或 5 GHz，但 2.4 GHz 更具优势，2.4 GHz 以无线和同轴线缆方式传输的衰减没有 5GHz 那么大）。
　　在大多数家庭中，802.11b／g 或 802.11a信号的传播损失（2.4 GHz 或 5 GHz情况下）在同轴线缆情况下都低于无线方式，特别在考虑到无线信号遇到的障碍（如墙壁）时更是如此。因此，同轴线缆避免了损失较大的无线路径，而采用损失较低的同轴线缆路径或同轴线缆／无线相混合的路径，这就扩大了网络的连接距离和覆盖范围。同轴线缆网络中 AP 和站点间全采用同轴线缆的连接质量尤其高，这就能在 802.11a／g 的高吞吐量模式 （54 Mbps） 下实现可靠的操作。
　　下面我们不妨举一个例子，说明典型的家庭环境如何采用 802.11g 进行数据与视频分布。在这个例子中，住家共有两层：一层的起居室内放了电视与数字机顶盒 （STB），家庭办公室中放了笔记本电脑；二层的一间卧室中还有一部电视加 STB，另一件屋子放有台式电脑。一层起居室的数字 STB可能包括集成的 DOCSIS 线缆调制解调器和 802.11g AP，数据速率最大为 54 Mbps。家庭中的两台电脑共用因特网、电子邮件宽带无线连接。一层的电脑通过802.11g无线方式连接至STB／AP。二层电脑所处的位置可能无法收到STB生成的无线信号，因此通过远程天线（先通过同轴线缆连接至天线）连接至网络。在本例中，连接二层电脑至无线网络的功能是混合同轴线缆／无线网络的一个重要优势。
　　第二个重要优势就在于房屋中两个 STB 之间的高容量连接，这就能实现从一个房间到另一房间的视频信号分布。两个房间的距离足够进行 2 至 11 Mbps 的无线连接数据服务（因特网、电子邮件等）。
       但是，视频分布需要高达 54 Mbps 的吞吐量，这就要求在两个 STB 间进行同轴线缆连接。两个 STB 间进行高容量连接使得 PVR 之间可共享录制的材料，也可实现通过所有 STB 访问电子邮件与因特网等。带有 AP 的 STB 可成为存储视频和音频的家庭媒体中心，其他较低级的 STB 则可通过同轴线缆网络访问上述信息。所有 STB 还都能访问家庭中的数据服务和电脑资源，如打印机、扫描仪、摄像机等。
　　802.11e 的 QoS 功能将保证共享介质的高效使用，并为要求 QoS 的服务保证带宽分配和最长等待时间要求。STB 实施的 CableHome 功能将方便进行对家庭网络的管理。
　　高容量同轴线缆通道与 802.11e 的结合将能保证运营商在同轴线缆网络的站点间始终可靠地交付高带宽要求服务，如视频分布。
　　混合同轴线缆／无线的技术考虑事项
　　尽管家庭同轴线缆网络的所有组件都为低于 900 MHz 的信号而设计，但 802.11 信号足够稳健，能够容忍 2.4 GHz 操作带来的衰减。在一般情况下，家庭同轴线缆路径在每米线缆上会有 0.5 dB 的衰减，而一般分离器会有20-30 dB的衰减（2.4 GHz 时在分离器输出间以及输入至输出间测量得出），这甚至比良好的无线通道的要求还要低。现有的 802.11b／g 系统可容许在传输器和接收器之间出现 90 至 100 dB 的衰减（同时仍可保持最高吞吐量），这种衰减容限就可实现数百英尺长的同轴线缆和若干分离器。
　　混合同轴线缆／无线网络将出现多路径，这是由无终端接头线缆所致。但是，考虑到典型无线环境中的许多反射和信号路径，802.11设备根据设计可减轻非常严重的多路径情况。信号泄漏至相邻家庭的情况不太可能，因为各家之间均采用了额外的线缆和分离。不过，802.11还是提供了内在的安全特性，可解决因信号泄漏造成的安全隐患。
　　与其他解决方案的对比
　　线缆运营商已拥有各种针对家庭多媒体分布问题所提出的解决方案。下面我们就将本文所推荐的解决方案与其他解决方案加以比较。
　　1. 模拟分布
　　模拟分布为家庭视频分布问题提供了简单的解决方案，其明显优势在于无需分离的转换器盒即可对已升频的视频信号进行解码。但是，这种解决方案就功能和质量而言都有很大的局限性。数据交付（包括远程数据控制）将要求分离的介质及更多的组件，而且由于同轴线缆通道的微反射问题，图像质量可能较差。802.11 的数字信号对微反射的稳健性要强得多，这样，家庭同轴线缆网络就实现了始终可靠的视频交付与高速数据传输。
　　2. 纯粹的 802.11 a／b／g／e 网络
　　尽管这种方法在大多数情况下都能以支持数据服务宽带连接共享的速度满足整个家庭环境的需求，但对多媒体分布而言仍不够。高吞吐量操作模式对无线路径损失及多路径最敏感，对可支持视频分布的模式的覆盖可能不完全。
　　为了扩展网络连接距离，可使用无线中继器。中继器确实能够提高覆盖范围，但会占用更多频谱。但不好好计划仍不能保证完全覆盖，而且这种解决方案比本文推荐的混合式同轴线缆／无线解决方案健硕性差，而造价更高。
　　3. HPNA 与有线电视 HPNA （HPNA over cable）
　　HPNA 2.0作为家庭网络技术在市场中并不成功。尽管其数据速率足够进行高速数据服务，但还是让更流行的无线解决方案抢占了市场份额。由于电话接口位置的问题，许多家庭中的覆盖范围都不完全，而且许多用户从直觉上也觉得用电话线做家庭网络连接不如无线连接有利。实施上，随着开发基于802.11解决方案的芯片技术和系统
　　厂商数量大幅增多，开发基于HPNA产品的芯片技术和系统厂商数量不断减少，由于缺乏竞争，这使该技术更缺少吸引力了。
　　就多媒体应用而言，HPNA 2.0根本不能很好适用。实际数据速率不足以进行视频分布，而且规范中的 QoS 机制很少，导致共享介质使用效率较低，而且有线电视运营商也不能保证 QoS 以实现服务赢利。新一代标准 HPNA 3.0 可能会解决此问题；但还有其他问题让 HPNA 2.0 难以成为富有吸引力的家庭网络技术。
　　就像本文建议对无线技术采用线缆一样，也有建议提出采用线缆 HPNA 2.0。但是，与带有 QoS 选项的 802.11g／a 高数据速率模式不同，HPNA 2.0不能通过同轴线缆分布多个 MPEG 流，因为其吞吐量不够，而且缺乏QoS。
　　此外，HPNA over cable 还要求进行频率转换，以不干扰线缆上行传输（HPNA 2.0的频带与线缆上游频带重叠）。这导致该解决方案带有非标准因素，要求采用电话线 HPNA之外的其他组件，为实现多厂商的可互操作性还要求额外的标准。频率转换对标准HPNA组件而言可能成为问题，因为HPNA 2.0不允许进行上述转换。这些问题再加上 HPNA 2.0芯片技术厂商本身数量不多，就使其几乎成了某家公司的专利解决方案。
　　此外，为了连接同轴线缆和电话网络，家庭中必须至少有一点进行二者线路连接。由于许多家庭中同轴线缆和电话接口都在房间相对两侧，因此两个网络的连接不会像无线连接那样简单。
　　最后，考虑到无线家庭网络的流行程度，因此到头来AP还是要求具备无线支持。无线手持终端设备和带有 WLAN 接口的公司电脑以及其他不靠近电话或同轴线缆接口的设备都无法由 HPNA 同轴线缆／电话线解决方案提供服务。采用 HPNA 和 802.11 相配合的方案比起 802.11 同轴线缆／无线解决方案来就是效率低、重复冗余的解决方案。
　　4. 专用同轴线缆收发器 （‘HomeCNA’）
　　几家公司建议一种采用非标准传输协议的基于同轴线缆的家庭网络解决方案。事实上，通过同轴线缆交付多媒体的优化协议可提供较好的技术解决方案，但与基于现有标准的解决方案相比（特别是考虑到 802.11b／a／g 非常流行），它不太可能被采用。为线缆家庭网络开发新的专用标准与新组件是一条漫长的道路，造价不菲，让多家厂商投入这项工作的可能性不大。这种方法相对于采用802.11b／a／g作为传输协议的任何技术优势都远比不过依赖于现有已经检验的标准这一重大优势，尤其重要的是依赖于现有的 802.11 芯片技术。
　　即便采用了上述方法，STB 除了同轴线缆网络技术（可假定为无线）之外还是要求另外的网络技术来与不靠近同轴线缆接口的设备相连。这与 STB 中采用单一的 802.11 接口通过无线和同轴线缆方式进行传输相比就是一种效率较低（而且昂贵）的解决方案了。
　　尽管专用同轴线缆家庭网络解决方案可能号称比目前 802.11 支持的吞吐量更高（100 Mbps及以上，相对于 54 Mbps 而言），但 802.11 有一个专门任务组负责进一步提高其速度，从而为高带宽要求的应用和服务提供更大的容量。
　　总结
　　我们介绍了采用现有 802.11标准和组件以混合同轴线缆-无线家庭网络来实现高带宽要求的多媒体应用和服务。利用高达54 Mbps的数据速率、有保证的QoS以及完整的家庭覆盖范围，有线电视运营商现在能够获得一种解决方案，帮助他们在家庭环境中可靠地交付并分布要求高容量和 QoS 保证的服务（如视频）。
　　通过采用现有的 802.11 标准，运营商可保证多家厂商的组件可用性和可互操作性，并可利用 802.11 市场的竞争性和高产量来实现低成本、低风险的解决方案。
　　802.11 在家庭和企业领域中非常流行，基于 802.11 的产品数量众多（如带有集成无线功能的笔记本电脑、支持无线功能的 PDA 以及 802.11 安全摄像机等），这都促进了混合式同轴线缆-无线802.11家庭多媒体网络的广泛采用。