为在迅速转向单机解决方案的家庭网关市场中取得领先地位，基于DSL的WLAN网关设计需要解决传输速率、覆盖范围、干扰、发射功率、成本以及易于使用等问题。本文对这些挑战进行了分析，并给出了可行的解决方法。
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%A 随着三重播放时代的到来，网络运营商如今越来越需要能为用户提供具有QoS保证的端对端业务的技术。当采用新业务模式时，服务提供商需要更好地服务用户并留住用户群体，WLAN家庭网关在此过程当中具有重要地位。
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%A 网络运营商需要新的家庭网关技术以便让用户能连接家里尽可能多的设备。网络运营商可利用这些设备捆绑多种业务，并控制从基础设施到终端设备等家庭网络中所有设备上的业务。基于802.11标准的WLAN设备正迅速成为家庭网络终端用户认可的事实标准。基于802.11的WLAN家庭网关超过基于其它有线或无线标准(如以太网、HPNA、HomePlug、UWB和蓝牙)的设备而成为最受欢迎的家庭网络设备，其原因有多种。但最主要的原因，是它们使用无需授权的频带以及标准802.11技术，另外它们还能解决网络覆盖范围、端对端业务管理以及QoS等重要问题。
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%A DSL网关面临的挑战
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%A 基于DSL的业务可望继续超过有线调制解调器或WiMAX业务而成为全球最受欢迎的宽带业务,大多数DSL用户将选择WLAN家庭网关来连接家中的用户端设备(CPE)。为在这个正迅速转向单机解决方案的成长市场中取得领先地位，基于DSL的WLAN网关制造商必须战胜多个挑战。 [ 相关贴图 ]
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%A 图1：家庭网关的结构框图。
%A 这些挑战包括：(1)速率/范围――WLAN网关的覆盖范围必须遍及家里每个角落，而且无论设备距离网关有多远，网关都必须提供高的数据吞吐率； (2)干扰/串扰――随著无线设备的数量不断增加，网络拥塞等相关问题的出现机会越来越大；(3)支持未来新兴业务――设备必须能支持VoIP和视频等新兴业务；(4)安全性/网络管理――设备必须安全、易于使用，并可让服务提供商帮助用户排除用户端故障；(5)发射功率――网关应采用符合世界各地发射功率标准的通用解决方案；(6)成本效益。
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%A 尽管面临许多挑战，但设备设计工程师和制造商正在开发相关硬件和软件技术来解决这些问题。然而，他们采用的技术必须保证不将WLAN网关的成本增加到底线以上，或者不能给制造过程增加太多的复杂性。下面将讨论的设计工程师使用的几种硬件和软件技术，能使WLAN网关满足服务提供商和最终用户的需求。
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%A 峰值性能
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%A 一个需要特别关注的与硬件有关的问题是RF性能，它会影响网关的数据传输速率和覆盖范围。如果RF性能过低，家庭网络覆盖将会出现盲区。幸运的是，目前已有多种技术可用来解决这个与硬件有关的RF性能问题。合理地应用这些技术能让WLAN家庭网关的覆盖范围到达家中每个角落，这种网络覆盖针对拥挤网络环境里的多台设备进行了优化。
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%A 改善RF性能的方法之一是增加输出功率并提高无线电的接收灵敏度。但要注意，每个国家对无需授权的无线电的发射功率都有限制，例如美国就规定此类设备的最大输出功率不可超过30dBm。最理想的解决方案应该能同时增加WLAN信号的输出功率和WLAN设备的接收灵敏度，这两个因素都能大幅度改善家庭网关的覆盖范围。但设计工程师必须特别注意，以确保这些解决方案不会增加设备的成本或复杂性。有了系统设计层面的长远考虑及创新，设计工程师就可通过增加发射功率和提高接收机的灵敏度来扩大802.11 WLAN网络的覆盖范围。
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%A 采用波束指向或智能天线设计等其它技术也能解决传输速率、覆盖范围问题并消除覆盖盲区，但这两种技术都需要有软件和硬件支持。另外，在网关设计中采用这些技术，高昂的设计和验证成本也可能是一个挑战。为家庭网络环境提供更高数据传输速率的发展中的802.11n标准，通过使用智能天线技术可解决这些问题。
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%A 除了功率和天线设计问题外，噪声也会降低RF性能。因为家庭网关具有以太网和DSL PHY等高速接口，或者在电路板上具有WLAN子系统和DSL子系统之间的串行或并行接口，所以在家庭网关里更容易产生噪声耦合。为解决这个问题，必须将 RF的噪声源与电路板的其余部分进行隔离，并对噪声源进行屏蔽。鲁棒的RF架构和智能的布线设计对避免噪声耦合问题也是很有必要的。
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%A 干扰是WLAN家庭网关设计工程师面对的另一个与硬件有关的问题。这个问题通常会影响WLAN技术：近距离工作的802.11无线设备越多，它们相互干扰的机会就越大，甚至没有连接到WLAN网关的无线设备都可能产生干扰，比如车库门开门机、微波炉和蓝牙设备。
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%A 此外，随着2.4GHz频带日益拥挤，干扰对802.11g性能的影响越来越大。由于802.11g正交频分多址(OFDM)接收机比802.11b接收机更容易受到干扰，因此这个问题将变得更加严重。
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%A 其它潜在的干扰源还包括来自其它接入点和无线工作站的邻信道干扰(ACI)，以及由无线ISP、无绳电话和2.4GHz频带附近的高功率无线电发射机产生的信号。对信道间隔为5MHz的2.4GHz频带来说，802.11的ACI问题尤为棘手。
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%A 因为干扰问题只会变得越来越严重，所以WLAN家庭网关设计必须足够鲁棒，以应付现有和未来的干扰源。要达到这个目的，在家庭网关所采用的芯片中，其算法或智能设计必须确保家庭网关能抵御来自多个干扰源的多类型干扰。例如，可采用窄带里的有效算法来提供能量检测和包检测机制，以缓解 2.4GHz频带的干扰问题。
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%A 可制造性和成本
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%A 在提高家庭网关的性能和可靠性的同时，设计工程师还必须确保他们所设计的终端产品具有很好的可制造性以及最低的成本。网关设计应能在最短时间内实现最高的制造良率，产品质量也必须保持稳定一致。
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%A 提高家庭网关可制造性的一个方法，是通过把更多功能集成到单机解决方案中来优化设计。如今的网关设计采用单主板架构或者双板子卡架构，选择的架构不同，成本和可制造性就会不一样。最后，网关必须具有强大的自我校准功能，并能在芯片里内置制造软件支持。
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%A 另一个硬件方面挑战是要尽量降低BOM成本，进一步在芯片里集成更多功能以及减小存储器的封装都有助于降低BOM成本。
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%A 易于使用
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%A 家庭网关使用的软件应该有助于提高产品的即插即用性能。产品使用越方便，则用户的满意度越高，购买和经常使用新业务的机会也就越大。对家庭网关来说，安全功能设置简单并具有帮助用户排除用户端故障的能力都非常关键。
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%A 为使事情简单化，服务提供商不仅希望能用家庭网关来管理提供给用户的无线家庭网络业务，还希望对业务进行端到端的可视化监控。因此，那些具有能让服务提供商找出用户端设备问题的诊断和故障排除工具的设备非常受欢迎。尽管目前软件所要解决的问题就是这些，但它们很快就会被要求支持新兴业务，比如漫游、视频业务，以及把进入到家庭网络范围的手机切换到移动VoIP模式。
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%A 由于易于使用是如此重要的一个因素，所以设计工程师应该在网关里集成一套灵活的模块化软件，该软件具有丰富的API，可使设备制造商很容易地用它来设计家庭网关，以满足独特的家庭网络需求。因此，家庭网关不仅需要支持实时和嵌入式操作系统，还要集成与运用多种技术，并使最终用户能构建并使用客户应用程序。
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%A 另一个软件方面的挑战，是在电路板上的每个数据接口提供多级别QoS支持的同时，还要维持系统的性能。网关的DSL、以太网和WLAN接口都有各自的限制和QoS要求，要将这些接口集成到单个处理器中是有挑战的。设计工程师必须集成并优化每种级别的QoS，并使之运行在单个CPU里的单个操作系统上。
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%A 图2：家庭网关的架构演进。
%A 确保采用低成本主CPU的WLAN系统具有多模式性能是软件方面的另一个挑战。大多数系统在使用时都需要包串联(packet concatenation)和包聚集(packet aggregation)等很高的WLAN性能特性，以实现高的TCP/IP或UDP数据吞吐量。高速ADSL2+和多端口以太网支持则给低成本设备带来极大的WLAN性能压力。
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%A 除了降低成本之外，产品上市时间也正成为一个越来越重要的考虑因素。制造商必须在最短时间内完成新产品的设计、开发和上市。对家庭网关来说，如果有支持软件架构的公共平台，实现快速上市要更容易些，共同软件架构使家庭网关平台具有便携性和重复使用性，这将有助于大幅度缩短驱动程序的开发时间。
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%A 支持未来新兴业务的媒体设备
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%A 仅能提供数据业务的家庭网关将很快过时，服务提供商将改用具有完备媒体功能的网关。WLAN家庭网关仍会有高端和低端产品之分，但它们都需要不断改进以满足新兴的三重、四重播放业务模式需求，同时它们还必须支持很高的数据传输速率。此外，WLAN家庭网关还将需要兼容VDSL2和 802.11n等新兴技术，并支持视频流传输以及视频信号的高速传输。
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%A 此外，随着家用WLAN设备数量的大幅增长，空中将充斥更多的无线信号，因此家庭网关必须足够鲁棒以便能在这样嘈杂的无线环境中工作，同时还保持稳定的性能。
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%A 毫无疑问，家庭网关在网络中的地位日益重要，它将成为服务提供商与用户之间最重要的接口。因此，这种设备必须能支持所有类型的新业务、能在任何无线网络中工作并可提供端到端QoS。预计不久将来，储存功能也将成为家庭网关的另一个重要需求。
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%A 尽管WLAN家庭网关给设计工程师带来许多挑战，但它们为服务提供商改善用户服务和增加创收提供了重要机遇，因此克服这些挑战将给服务提供商及其用户带来丰厚回报。
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%A 作者：D‘Andre Ladson
%A 产品营销经理
%A 家庭网关与嵌入式系统事业部
%A 德州仪器
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