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国内首届百兆无线网络设备阅兵式

  10款百兆无线路由器/接入点设备横评(产品篇)

  10款百兆无线路由器/接入点设备横评(评测篇,即将推出)

  百兆无线,更实用的WLAN

  【IT168评测室】1999年,IEEE正式发布了802.11b标准,它的工作的频段是2.4GHz,采用直接序列扩频(DSSS)或频率跳变扩频(FHSS)技术,最高数据传输率可以达到11Mbps。802.11b标准的应用使得组建局域网不必完全依赖长短不一的网线了。大约2002-2003年左右,802.11b的市场才逐步的进入了成熟期,Atheros、Agere、Broadcom、TI及GlobespanVirata都有非常成熟的产品,台湾厂商加入了竞争也加速了支持这种协议的产品的价格的下降。特别需要指出的是,Intel发布了的迅驰平台也整合了支持802.11b的Pro/2100无线模组,他对于802.11b的市场的培育是功不可没的。

  虽然802.11b标准的最高连接速率达到了10Mbps以太网的水平,但是实际的效能(TCP或者UDP传输率)顶多有理论值的一半,多个客户端同时使用会让其性能有更大幅度的衰减,即便是用在小型办公网络,带宽也是捉襟见肘。

  与此同时,IEEE还发布了802.11a标准。这种协议工作在5GHz频带,它最关键的地方是采用了更加先进的正交频分多路复用orthogonal frequency division multiplexing 简称OFDM)编码方案,利用8个无重叠信道提供高达54Mbps的连接速率。很长一段时间里,讨论这套标准谁更会被市场普遍接受是一个很热门的话题。

  802.11a标准在技术上相对于802.11b有很多领先的方面,但是并非是无懈可击的。由于802.11a工作在5GHz频段上,802.11a的传输距离仅仅是802.11b的三分之一左右,在有障碍物阻挡的环境中表现欠佳。另外,由于设计复杂导致了802.11a接入点的成本比802.11b高不少,特别是在2003年甚至是2004年年初,802.11a系统的价格是802.11b的3-4倍,这样的情况很难吸引主流用户选购。

  2003年,802.11g标准也随即出炉。它依然工作在2.4GHz频段上,连接速率达到了54Mbps,也采用了同802.11a相同的编码方案,而且还兼容之前的802.11b设备。802.11g继续保持了成本较低的优势,同样的传输率使得802.11a更没有了之前的带宽优势。

  802.11 802.11a 802.11b 802.11g
标准发布日期 1997.7 1999.9 1999.9 2003.6
可用频宽 83.5MHz 300MHz 83.5MHz 83.5MHz
工作频率(GHz) 2.4-2.4835(DSSS,FHSS) 5.15-5.35(OFDM)
5.725-5.825(OFDM)
2.4-2.4835(DSSS) 2.4-2.4835(DSSS,OFDM)
非重叠信道道 3个 19个 3个 3个
每信道数据速率(Mbit/s) 2,1 54,48,36,24,18,12,9,6 11、5.5、2、1 54、36、33、24、22、12、11、9、6、5.5、2、1
调制方式 DQPSK、DPSK、4GFSK、2GFSK BPSK、QPSK、16QAM、64QAM DQPSK/CCK、DQPSK、DBPSK QFDM/CCK、OFDM、DQPSK/CCK、DQPSK、DBPSK
支持业务类型 语音、数据 语音、数据、图像 语音、数据、图像 语音、数据、图像

  应该得承认,构建54Mbps的无线局域网已经可以满足很多小型办公室的需要了。不过同百兆有线局域网相比,它的速度还是太慢了(毕竟802.11g和802.11a的TCP或者UDP传输率都在20-30Mbps左右)。Atheros公司在802.11g技术的基础上推出了数据传输率达100Mbps的Super G技术,这种技术可以很好兼容原有的802.11b/g标准,虽然Super G并非是标准,但是得到了众多厂商的支持,比如D-link、NetGear、TP-link、SMC等等。

  在实验室条件下,Super G产品基本上可以达到50Mbps左右的传输率。我们IT168评测室在普通的办公室环境下也能得到最大45Mbps左右的测试结果。这样的传输率已经完全可以支持我们组建非常实用的无线局域网了,大部分的办公室都可以在这项技术的帮助下得到不错的互连带宽。对于多媒体应用较多家庭用户来说,Super G大大提高了传输多大容量多媒体文件的速率,构建无线媒体中心将会相当可行。

  在2004年初,Conexant(科胜讯,它收购了GlobalspanVirata公司,而后者之前则并购了Intersil公司)推出了140M的Nitro XM技术,SMC已经宣布支持这种技术,但是目前还没有产品问世。Broadcom 125M AfterBurner技术也得到不少实力派厂商的支持,比如Buffalo、Linksys和TRENDnet。

  Conexant Nitro XM技术包括三个方面:包突发机制、数据压缩和DirectLink技术。Broadcom Afterburner技术也采用了包突发机制、数据压缩技术。我们后面将会详细介绍的Atheros Super G则是帧突发、快速帧、硬件数据压缩和动态加速技术(信道捆绑)。可以看出,这三种技术的共同点是都采用了包突发机制、数据压缩技术来提升吞吐量。

  关于Atheros Super G的信道捆绑所带来的弊端,在后面我们也将会详细的讨论。Nitro XM的缺点是显而易见的,如果两个无线局域网设备实现DirectLink连接,那么它们的距离要较近,否则还是需要AP来转发数据,另外它对于无线AP设备中的处理器性能要求较高,最直接的后果是会造成成本的大幅度提高。我们没有在broadcom中查询到关于Afterburner技术更多的细节,因此本文没有对于这种技术进行详细的介绍,读者只要知道这是一种已经有产品使用的百兆无线技术即可,今后如果能够得到更多的技术资料,我们会对其进行更进一步的报道。

  Atheros和Super AG技术

  Atheros是无线市场的后来者,最初以技术难度高的802.11a切入市场,在技术上获得了市场的认可。从2001年推出802.11 a芯片开始,2002年推出802.11 a+b产品,并把两者集成在单芯片上。2003年推出802.11g芯片,业务获得了高速的增长,同年推出了802.11 a+g产品,同年又推出了100Mbps的802.11g,也就是Super G技术。2004年Atheros成功的把802.11g的MAC、基带处理器和PHY都用CMOS工艺做在一颗芯片上,创造了里程碑式的产品,实现了单芯片的无线网络解决方案。Atheros近几年成长速度最快的无线芯片厂商。

  由于802.11b/g产品较为普及,采用Super G技术的网络设备生产商更多,所以我们看看也是基于802.11g标准开发的Super G产品。其实Atheros的“Super技术”也同样可以应用于802.11a产品,从而衍生出来Super A,它样能够提供百兆的无线传输带宽。我们这次横评收集的产品中,SMC、华为都送测了支持Super A的产品。

  Super AG技术主要包括Bursting(突发机制)、Compression(压缩技术)、Fast Frames(快速帧)、Dynamic Turbo(动态加速)四种技术:

  突发机制(Frame Bursting)

  帧突发是利用802.11e服务质量(QoS)标准草案开发的传输技术。利用这种技术,可以提升进行通讯的兼容802.11a、802.11b和802.11g设备的吞吐量。

  上图可以更加形象的说明这个问题。在标准的数据传输过程中,每两帧之间都有固定的等候周期,比如DIFS(Distributed InterFrame Sapce,离散帧间空间)、SIFS(Short InterFrame Sapce,短帧空间)。每次传输完一帧之后,无线网络此时将查询是否有其它的产品要传输数据,以允许其它设备有竞争网络的机会。

  应用了帧突发之后,一旦成功传输完毕一帧,无线设备将会连续的传输以系列帧,这样就大大减少了不必要的等待的时间,从而提高了实际的吞吐量。更高的吞吐量则意味着网络中可以容纳更多的用户,因此帧突发机制更进一步的意义是可以提升无线局域网整体容量和性能。

  目前所有的Atheros无线芯片都支持加速时序的突发传输,也可以接收突发传输的信号。如果一个支持帧突发机制的设备同不支持帧突发机制的设备进行通讯,它会自动的采用非突发模式。

  硬件压缩(Compression,基于Lempel-Ziv)

  在Atheros 802.11b/g和802.11a/b/g芯片中整合了完整的硬件数据压缩引擎。这个硬件引擎可以处理多种类型的网络事件,从而达到提高网络效率,并且最终提高吞吐量。数据压缩技术在数据通信中被广泛应用,比如我们都熟悉的用于拨号上网的调制解调器也采用过ITU V.42、ITU V.44或者MNP5等压缩技术——压缩技术的使用,使得56Kbps的调制解调器理论上可以达到22.4kbps的数据下载速率。

  Atheros的硬件数据压缩引擎采用了标准的Lempel Ziv——这种被广泛应用于Pkzip、Winzip和MS Windows操作系统的压缩算法。在进行数据传输之前,Atheros硬件数据引擎首先对于数据进行压缩,接收端接收到之后再依次解压。这就如同我们打算通过email发送一个2MB的文档之前,首先用Winzip压缩成为zip文档然后再发送一样的原因,降低文件传输过程的时间,从而达到更高的吞吐量。

  快速帧(Fast Frames)

  快速帧技术的基本原理是把两帧数据帧捆绑成为一个无线LAN帧,从而增加了每个数据帧所能传输的数据,最终达到提升数据吞吐量的目的。

  之所以可以这么做,是因为网络中传输一帧数据往往由数据头、有效信息、数据尾和网络响应等组成,除有效信息外,往往还包含了诸如有关数据来源何处、要发至哪里、确认是否发送成功等等附加信息。一般情况下,传输每帧数据都有对应的附加信息,当所有附加信息都相同时,显得非常冗余,影响传输速率。如上图所示。

  在典型的以太网传输中,每帧的最大数据为1500字节。快速帧通过不同的算法得以重新组织帧,这还要借助于帧突发机制。一旦在AP-station之间达成协议建立连接,AP和Station之间可以传输3000字节的无线帧。快速帧技术也同样是802.11e QoS 草案所支持的,符合802.11e草案的硬件才能支持快速帧技术。

  动态加速(Dynamic Turbo)技术

  Atheros动态加速技术的核心是信道绑定技术(Channel Bonding),它通过把两个信道绑定从而获得两倍于标准协议的带宽,这个技术同10/100/1000M以太网通过增加连线的数量来提高总体带宽的思路是一样的。

  使用多无线频道可以给数据传输速率带来立竿见影的效果,同时还能“提升”无线传输距离。这是因为在无线传输中,距离同带宽也是具有密切的联系的。比如,一个36Mbps的连接的有效距离肯定比一个18Mbps的连接的有效距离短。而在多信道技术下,一个36Mbps的连接的有效距离将会和原来的18Mbps连接的有效距离相同。

  采用Atheros的支持动态加速芯片的无线AP可以根据网络的“要求”动态的切换到高性能模式。在这种模式下,无线AP和无线网卡可以以更高的速率传输数据。AP设备会定期返回到基本模式下查询是否有其它无线网卡接入,如果有标准设备接入,那么无线AP将无法继续工作在高性能模式下。

  在典型应用模式下,动态加速并不会受到第三方无线网络或者设备的影响。如果无线AP检测到附近有工作在动态加速模式下的设备,那么无线AP将会自动的重新配置为单信道模式,确保已经处于Super G工作模式下的设备的性能。

  在2.4GHz频段上,只能有一个加速频道存在于2437MHz(6频道)上。在5 Ghz 低UNII频段上,可以共存3个加速频道,另外还有两个加速频道可以工作在高UNII频段上(中央频率分别是5765 MHz和5805 MHz)。

  从理论上说,Atheros的这项技术可以被应用到任何单无线信道技术上来提升传输带宽。

  总结一下Super AG技术的主要特点:

  • 兼容性和互操作性

  所有Super G无线技术的产品均符合802.11g标准规格,可确保兼容802.11b标准、802.11g标准的众多产品。Super G无线产品的使用,除了能获得更大的吞吐量之外,对用户、网络、操作系统来说都是透明的。

  • 动态108Mbps数据传输率

  动态108能从108M自动调速到802.11g或802.11b,使所有节点在网络中都高速运行。

  • QoS

  无线多媒体连接会占用更多带宽。Super G产品优良的QoS性能特性,确保流媒体的连接。

  • 安全

  Super G 无线产品可给予无线网络多达十余种的安全特性,并采用了最新的保护功能。

  Super G技术的主要问题:信道交迭

  在《风驰电掣,Super-G无线网络测试》一文中,我们曾经详细的讨论了Super G技术的所面临的主要问题——信道交迭(overlap)。这里我们引用原文的一些内容让本篇横评综述更加系统,我们还是强烈建议读者阅读《》一文,该文还通过测试来验证了各种存在的问题。

  我们知道802.11b和g使用2.4GHz频段上的11个信道,很容易计算,在2.4-2.4835GHz频段中无法容纳11个并行不交迭的20MHz的信道,因此802.11b或者802.11g的11个信道中心频率以5MHz间隔分布。

  它们普遍可以接受的信道宽度是:802.11b为22MHz,802.11g为20MHz。在文章第一节中的表格中显示所有的802.11b和g都具有三个不交迭的信道(第1,6和11信道)。究竟什么是不交迭信道呢?

理想频谱图

  上图显示了一个802.11b理想化的频谱图(纵轴表示能量,横轴表示频率),这个频谱图显示了传输能量在信道中心旁边+/-11MHz处减少了30dB(相当于最高能量的1/1,000),离通通中心+/-22MHz的能量减少了50dB(相当于最高能源的1/100,000),这是理论上的能量衰减,中心频率的能量最大。

两个相邻的信道频谱图

  上图显示的是两个相邻信道CH1和CH2的频谱图,黄色阴影部分显示出CH2主要信号交迭进入CH1主区域(最大的“驼峰”包括了信道主要的能量),可以看出CH2的主要能量区域和CH1的主要能量区域相互交迭,因此所有信道的通讯都会受到严重影响。

  上图显示的是CH1、CH6和CH11的频谱图,它们依然交迭在一起。我们可以看到CH1的信号衰减了30dB之后才同CH6的信号交迭,这样CH11信道对于CH6信道的影响会比前面的情况小的多。因此,CH1、CH6和CH11之所以被称为“不交迭”是因为它们主要的功率部分不会交迭,并非完全不交迭。

  当然,这并不意味着在一个无线局域网中我们无法同时使用两个相邻的信道,考虑到不同的设备之间的距离不同,信号的衰减程度也就不同,那么不同信道信号之间的干扰会比上图所示的情况小的多。

  上图是Atheros提供的两个标准802.11g信号和一个处于静态加速模式下的Super G信号,它可以显示应用了。其中的两个标准802.11g信号分别在CH1和CH11,而Super G信号在CH6上。因为应用了Super G技术的CH6占用了两个信道的频宽,达到了40MHz,因此CH6的主要功率部分同CH1和CH11的主要功率部分有了交迭。

  换句话说,在近似的范围和带宽需求条件下,Super-G信号会比普通的11g第6信道信号更多的交迭到信道1和11中。

  动态模式和静态模式

  在基于Atheros芯片的无线路由器或者AP的管理界面中,一般会有三种工作状态选择:非加速模式、静态加速、动态加速。如果关闭加速功能,那么AP将会工作在标准的802.11a/g模式下,开启之后才能工作在Super AG模式下。

  在静态模式下,无线AP或者路由器将会工作在纯粹的Super AG模式下,此时网络不兼容802.11b或802.11g的产品。这状态下是Super AG网络的将会具有非常好的的性能,但是如果在这个网络周围还有802.11b/g的设备,可能会在1、11信道发生冲突,从而影响其它网络的性能。显然这并不适用于之前已经构建无线网络的企业使用。国内的家庭中使用无线局域网的并不算多,因此构建静态Super AG无线网一般会同邻居的其它网络产生冲突。

  Super G的动态模式则灵活的多,它可以准许标准Super G设备接入,只有在Super G客户端需要建立连接的时候才会采用信道捆绑技术。即使已经建立了Super G模式的无线连接,无线AP也会不断的侦测是否有其它标准设备试图与其进行通讯。如果有的话,无线AP会放弃信道捆绑模式,让标准设备能够接入进来,但是同支持Super G技术的客户端之间依然采用注入帧突发、快速帧、硬件压缩等技术来提高吞吐量——这个过程要在Super G产品进行完毕当前的通信工作之后,普通802.11g设备才能接入到网络中。

  根据我们测试验证,静态模式下的Super G网络的平均吞吐量都可以达到40Mbps以上,是我们以前测试过的标准802.11g设备的大约1.5-2倍。随着距离的增加,Super G的优势将会更加明显。

Dlink DI-624 总平均吞吐量 最大值 最小值
动态模式WEP 上行 28.137 40.000 0.136
静态模式WEP 上行 8.960 42.106 0.274
动态模式WEP 下行 36.303 50.001 0.829
静态模式WEP 下行 15.477 50.001 0.398

  我们在后文介绍的测试平台和环境下得到了Dlink DI-624无线路由器AP设备分别工作在动态模式和静态模式下的单客户端测试结果。由于,我们的测试环境并非是全屏蔽空间,公司内部有正常工作的802.11b无线局域网。可以看到静态模式下,DI-624的性能出现了明显的下降,我们分析还是同静态模式下同802.11b/g的信道发生冲突所致。

  “域展”和“速展”技术

  “域展(extended range)”和“速展”是TP-link所“特有”的技术,或者说是TP-link产品上的专用概念。域展其实就是Atheros的XR(eXtended Range)技术,而速展则是Atheros的Super G技术了。这个环节我们主要来谈谈速展技术。

不同标准的接收敏感度

  无线产品的传输距离在室外最远一般也只能到300米,室内只有100米左右,而且空气、墙壁、玻璃和隔板等障碍物会使无线信号在传输的时候很快衰减,再加上外界干扰、自身干扰,造成无线传输距离近,范围小,接入用户有限,使用非常不便的问题。域展技术主要针对无线信号的衰减问题而开发的。

  域展无线传输技术(extended Range)具有接近于蜂窝电话的接收灵敏度,大大扩展了无线产品的覆盖范围:最远传输距离可达室外830米,室内200米!其实现的主要原理是通过提高信号接收灵敏度,域展无线传输技术在无线发射功率基本不变的情况下,灵敏度最高可超过-105dB,比普通产品的接收灵敏度(一般小于-85dB)提高了20dB以上。TP-LINK称域展无线产品有效传输距离是普通无线产品的2~3倍,有效网络覆盖范围是普通无线产品4~9倍。在理论上,这样的结果可以更大限度的节省无线接入点,大大减少设备费用的投入。

  域展技术增加了3M,2M,1M,0.5M,0.25M五个等级的传输速率,能确保信号很弱的情况下也能维持稳定连接。

  Atheros主要产品线

  Atheros目前主要有AR5001、AR5002、AR5003、AR5004、AR5005和AR5006等五个系列的产品。

  AR5006是Atheros最新的单芯片802.11a/b/g解决方案,它整合了MAC(Media Access Controller,媒体访问控制器)、基带处理器(Baseband Processor)和支持2.4GHz和5GHz的高性能无线模块,另外它还支持IEEE 802.11i安全标准、Atheros XR技术,其中的AR5006XS还支持Super AG技术,AR5006X则仅仅支持标准的802.11协议。

  AR5005则是一个系列HDTV-Quality 802.11a/b/g无线解决方案,主要包括AR5005VA Multi-Radio Smart Antenna Video Processor、AR5005G Client、AR5005GS Client、AR5005UX USB 2.0、AR5005UG USB 2.0等产品。AR5005VA对于HDTV、SDTV等多媒体提供了支持。

AR5005VA系统架构

  AR5004系列产品则是早一些的两芯片产品,其中的AR5004X对于802.11a/b/g提供了支持,而AR5004G则仅仅提供了对于02.11b/g提供了支持。两款产品都支持Super AG技术。这个系列的产品一般用于无线网卡。

 

AR5004x系统架构

  AR5002系列产品包括用于无线网卡的AR5002X、AR5002G和用于无线AP的AR5002AP-2X、AR5002AP-X和AR5002AP-G。AR5002AP-2X、AR5002AP-X和AR5002AP-G都是多芯片结构(2X为3芯片,后者为2芯片),AR5002AP-2X可提供企业级安全和性能,支持802.11a/b/g;AR5002AP-X支持802.11a/b/g标准,主要用于中小型企业用户;AR5002AP-G仅仅支持802.11b/g,主要用于低价市场和家庭用户。

AR5002AP-2X系统架构(3芯片)

  AR5001系列包括AR5001A、AR5001X+、AR5001AP。AR5001AP是双芯片802.11a标准AP解决方案,AR5001则是支持802.11a和Super A的双芯片解决方案,AR5001X+是较早完全支持802.11a、802.11b和802.11g标准的三芯片解决方案。

AR5001X+系统结构

  需要说明的是上面我们是按照产品名称来介绍的,而不同的产品是由Atheros生产的各种芯片搭配组合而成的:AR5414、AR5413、AR5112、AR5213、AR2112、AR5213、AR2312、AR2312、AR5312、AR5212、AR5111、AR5311、AR5211、AR2111。

  下面的表格可以全面的了解Atheros的产品:

Atheros主要产品规格表

  不同品牌产品的兼容性

  几乎所有的送测产品采用的都是Atheros的无线芯片,不过由于Super AG技术并非是一个业界统一的标准,因此我们试着把不同品牌的产品组合在一起进行了测试,来验证它们之间的兼容性。

  我们分别以NetGear WGT624和TP-Link TL-WR-641G为中心,在4部笔记本上分别安装了SMC、Dlink、TPlink、Netgear的PCMCIA接口的网卡进行了测试。

NetGear WGT624

上行(40.657Mbps) 平均吞吐量 最小 最大
Netgear 4.803 0.762 23.530
Dlink 9.006 0.305 22.222
SMC 3.833 0.913 20.513
TPlink 23.445 1.636 38.096
下行(43.940Mbps) 平均吞吐量 最小 最大
Netgear 8.599 1.074 17.391
Dlink 11.154 0.381 20.513
SMC 10.895 4.233 25.000
TPlink 13.623 6.838 44.445

  以NetGear WGT624无线路由器为中心的Super G无线局域网的连接非常的顺利,4中不同品牌的客户端都能连接上WGT624。TPlink在上行测试中,表现了较强的争抢带宽的能力,而下行测试中,4个客户端的流量则没有太大差别。

TP-Link TL-WR-641G

上行(40.657Mbps) 平均吞吐量 最小 最大
Netgear 8.268 0.241 40.000
Dlink 4.204 0.114 28.572
SMC - - -
TPlink 10.886 0.258 42.106
下行(19.343Mbps) 平均吞吐量 最小 最大
Netgear 6.457 0.228 32.0
Dlink 5.486 0.419 29.630
SMC - -  
TPlink 7.487 0.232 34.783

  以TP-Link TL-WR-641G为中心构建Super G无线局域网的时候,SMC的网卡无法连接,看来不同产品之间的兼容性问题的确存在。我们强烈建议用户在制订百兆无线网络设备采购计划的时候,注意选择同品牌的产品。

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