• 离散与集成芯片组

   

• 成本驱动

   

• 个案研究

   

无线局域网的技术性能持续发展，已经达到了以太网的数据速率并且在2.4GHz ISM的频段上能支持大量的话音和数据应用。与此同时，相关标准开始成形，设备生产商能够据此能提供低成本、具互用性的WLAN系统。随着半导体射频硅锗(RF

SiGe)技术、CMOS和封装技术的发展，半导体生产商能够集成更多的无线功能并将之从离散元件移植到高集成的解决方案中去。本文描述了在标准驱动的离散设计上使用集成芯片组解决方案的种种好处。另外，还比较了无线局域网与

“有线” 局域网的成本。

1997年7月实行的IEEE 802.11无线局域网标准指明了在未授权的2.4GHz ISM波段的FHSS和DSSS无线电发射设备上传送1Mbps

和 2Mbps 数据速率的MAC和物理层PHY所需满足的要求。这个标准规定了原始设备制造商(OEM)要遵守的一套参数，以便生产有价格竞争力的，具有互用性和兼容性的WLAN产品，以扩展“有线”局域网并能面向移动用户。

如同蜂窝手机的市场一样，在开发出低成本、低功耗、以电池工作的手持集成解决方案上，WLAN技术市场也面临着压力。集成芯片组解决方案将在低成本的无线电设计市场上扮演一个重要的角色。

IEEE 802.11的1Mbps及2Mbps标准公布以来，半导体生产商已经把数据速率提高到10Mbps以上。无线以太局域网亮相世人的同时，802.11也将拓展到高数据速率标准化(10Mbps)。

离散与集成芯片组

在产品设计中，离散元件具有很大灵活性。在进行需要超出标准解决方案要求的特定传输功率级或接受机灵敏度的电路设计时，这些设备(如LNA、大功率放大器等)是很有用的。然而，由离散有源元件决定的设计通常需要大量附加的离散有源元件、无源元件、滤波器及开关，以便补偿发射线的阻抗不匹配、信号级转换、隔离、及电压增益分配。当镓化砷设备与其它技术接口时(如双极硅或锗化硅)，这点很重要。

不过，离散元件给生产过程增加了附加成本。比如说，当拾放设备无法组装非标准尺寸的部件或当PCB需要返工时。值得注意的是在WLAN无线设备生产过程的大部分成本都来自于离线装配的数量、测试和返工工艺，返工一个无线设备的成本相当于原料费用的20%。

另一方面，集成RF芯片组生产成本一般较低并能制造较高性能的无线设备。把发射和接收功能如LNA、混频器、LO、集成器、PLL和AGC集成到一个单模块电路中有如下优点：

 

1. 互联阻抗易匹配

    

2. 低噪声设计，减少内部调制产品

    

3. 优化了不同阶段间的增益平衡

    

4. 更少的外部无源元件

    

图1：一个直接序列无线设备。

1Mbps 和 2Mbps 的执行过程如图1所示。这是一个直接序列无线设备(direct sequence radio)，依照IEEE802.11标准对1Mbps

数据速率采用差分BPSK调制，而2Mbps是差分的QPSK调制。为了抵抗多路径干扰，该设备支持多样化天线，但图示中只有一根简单的天线。

为了能达到11Mbps的数据速率，需要用一种能够后向兼容1Mbps 和 2Mbps数据速率的波形，同时该波形可通过有效的编码转向较高的数据速率。其他需要考虑的是系统利用和能效。

该波形需要占用与1Mbps及2Mbps 数据速率相同的波段，还要能符合FCC的处理增益要求。一项早期的实施(如图2所示)从1Mbps 和2Mbps无线设备上复用了Harris的PRISM

(频段)的前端并用一种高速控制功能取代了低速的MAC。

图2：复用了Harris的PRISM前端的无线设备。

11Mbps的无线设备按照802.11标准用差分BPSK/QPSK调制处理1Mbps和2Mbps数据速率，用MBOK和CCK调制处理5.5Mbps和11Mbps数据速率。除了在产生扩散码和用代码调制数据方面，MBOK(Mary

Biorthogonal Keying)和CCK技术十分类似的技术。MBOK和CCK波形都能通过FCC的处理增益要求。

成本驱动

比较一下图1和图2中两种无线设备的BOM成本。假设不同的基带处理器和MAC组装生产率一样，由于两种无线设备使用的集成和离散的部件数目一样，所以生产装配成本也几乎相同的。

这样成本的差异就主要表现在两种MAC和基带处理器的价格区别上。由于价格区别非常小，所以可以认为从2Mbps 到11Mbps的转变不会增加经费。

图3：一个建议的11Mbps的单一的IF无线设备。

设想一下到底需要多高的集成度才能提供更高性能和低成本PHY解决方案。图3中方块图展示了一个建议的11Mbps单一IF无线设备。这个高度集成的解决方案，使用SiGe晶圆生产技术，在恶劣的环境下有较好的包错误率性能、较低的功耗和装配成本并简化了BOM。

HFA3861基带处理器已经转为0.35μm的CMOS并且加上一个RAKE接收器用以在恶劣的多路环境中提高PER性能。RF前端用硅锗工艺技术重新设计过。因为硅锗半导体能达到很高的集成度，所以在2Mbps和11Mbps无线设备中，5芯片前端在单一的IF无线设备中就变成了3芯片。同时硅锗半导体的高集成度也减少了相关无源和离散元件数。如此一来，装配和BOM成本都减少了。值得注意的是单一的IF无线设备中的BOM成本比非基于硅锗无线设计的BOM成本要低32%。另外，硅锗半导体制造的无线设备的功耗比前一代的无线设备要低50%，从而延长了电池的寿命。

个案研究

使用IEEE802.11工作组中指定协议的无线网络可以看成是已有以太网络的延伸，只是使用RF无线设备取代了铜或是光纤作为传输媒质。

图4：用无线网络节点作子网段的有线网络。

图4中示意了一个有线网络，其中几个无线网络节点作为一个子网段。这些节点作为接入点而设计的，相当于一个HUB(网络集线器)，最多可同时和50个无线用户通讯。并通过一个简单的端口和一个以太网HUB相连。另一方面，所有的有线用户都通过与HUB的直接连接而与网络通信。

因为无线接入点(AP)按照IEEE802.3规程传输IEEE802.3分组包到HUB，基本上可以说它是一个以太网络。没有必要为增加无线节点而购买新的应用设备。在AP里从802.3到802.11的所有结构变换都已经完成，包括了在AP各单元中实行两种协议所必要的固件和软件。AP可以通过任何膝上型电脑和PC，使用设置软件包中的软件来完成管理。对用户和网管人员来说也不需要任何新的应用程序。

以下是假定的简化研究的建筑相关条件

 

• 两层楼/侧楼

   

• 在中部使用升降机、玻璃前门窗进行分隔

   

• 80个13.4平米的办公室和8个会议室

   

• 带集线通道的吊顶天花板

   

• 外部混凝土墙

   

• 装有金属梁的干饰面内墙

   

你还需要做一些成本估算。对适配卡来说，PCMCIA卡用于无线连接，他们是膝上型电脑用户最流行的配置，能够满足用户灵活移动的需要。假设每块卡的价格为350美元。某些卡在表中所列的价格相对较高，在教育市场上，当考虑到卡的数量和特殊用途时，PCMCIA卡有过每块250美元的低价格。

假定10/100M以太网卡的价格约为40美元。现在的电脑带有以太网卡，因而网卡价格可以看成是零。在这个研究个案中我们把每块卡的价格定为40美元。

对AP来说，价格从1,000美元 到 2,000美元不等，大部分的AP售价在1,200美元左右。HUB的估价：使用率75%为75美元/口；这意味着在任何时候都有25%的HUB口没有使用。所以，在估算HUB成本时，除了确定的用户数之外还要33%的冗余端口。

配线的价格从低端的200美元/层到高端的600美元/层。在这里我们用400美元/层的价格，由和个案研究有联系的大量机构来负担。该价格包含了将HUB口接到一个或两个RJ45连接器的工料费，在100米范围内进行连线，且上下楼层间极少或不需要钻孔。

建筑物测量的费用为一次性花费，决定于建筑物外形、所需AP的数量及其位置。这一项目和环境需求一样昂贵。如上述所选择的建筑物，可用一个信号强度(signal-strength)测量软件在不到一小时的时间内完成。仅需一个技术人员和一台便携电脑及相应的软件。我们可假定技术员的工资为250美元/小时。

表1：成本比较表

成本比较表中列出了和无线设备及以太网络子段相关的成本价格。硬件价格最大的不同就是用于无线连接的PCMCIA卡的价格要远远高于用于以太网连接的价格。而AP仅是无线方面的费用，由于每个AP只需要一个HUB口，故能减少用在HUB端口购买方面的大量开支。这相当于节省以太网成本的5%，因为在整个有线的以太网中，每个节点是以每口75美元的价格直接连到HUB上的。所节省的花费和百分比随着节点的数目而变化。

两种技术之间的主要不同在于布线的成本。在一个WLAN中只有AP 需要配线连接到hub上，而且只要4个这样的单元。布线的费用仅限于1,600美元，如果单位价格为400美元/层，配线连接的总额高达35,200美元。

另一项无线网需要的费用是建筑物测量的费用，该项费用报价范围较宽。但是从我们的经验来看，一个如前文所述的物理环境，测量时间不到一个小时。

任何新技术的生存及发展都决定于它的性能、成本和主导目标市场价格的能力。与构建良好、成熟的以太网技术相比，由IEEE802.11工作组提供的无线技术和通信规程网已经有了竞争力。RF硅处理工艺和封装技术的进一步发展将促使市场到达一个价位，在该价格水平上，WLAN将成为首选技术。

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Albert Petrick

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