擁有固定波束和自適應(yīng)天線陣的智能天線能夠?yàn)閃LAN(無線局域網(wǎng))提供范圍擴(kuò)大、多徑分集、干擾抑制和增加的容量等功能。
隨著基于IEEE 802.11b(Wi-Fi)標(biāo)準(zhǔn)的廉價(jià)的、每秒速度達(dá)11MB的高性能產(chǎn)品的深入普及,WLAN已經(jīng)成為家庭和企業(yè)不可分割的一部分。僅舉幾個(gè)例子:無論你在家里、辦公室、機(jī)場、火車上和零售商店中,到處都有可以接入WLAN的接入點(diǎn)。
WLAN爆炸式增長
WLAN技術(shù)爆炸式增長的原因在于那些目前可以買得到的使用方便的設(shè)備。廠商直接把Wi-Fi技術(shù)作為便攜式計(jì)算機(jī)和通信器等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置也推動(dòng)了WLAN技術(shù)的增長。無數(shù)的報(bào)告詳細(xì)介紹了WLAN和Wi-Fi的增長,所有的跡象都表明要繼續(xù)推進(jìn)移動(dòng)性和無線連接性的發(fā)展。
然而,盡管WLAN看起來無處不在并且非?,F(xiàn)實(shí),但是,許多因素限制了無線通信系統(tǒng)的性能和容量。這些因素包括:有限的頻譜、時(shí)延擴(kuò)展、同信道干擾和多徑衰減。這些因素將導(dǎo)致最終用戶會(huì)遇到整個(gè)音域的服務(wù)質(zhì)量問題,包括從根本就沒有聲音到極快的傳輸速度等許多問題。最終用戶可以在距離接入點(diǎn)很遠(yuǎn)的地方使用這個(gè)技術(shù),可以在一個(gè)墻的后面、在一個(gè)“死角”或者使用一臺(tái)筆記本電腦工作。事實(shí)上,網(wǎng)絡(luò)管理員經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)WLAN在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往達(dá)不到預(yù)期的傳輸距離。
市場營銷資料往往都是根據(jù)廠商在理想環(huán)境中的技術(shù)規(guī)范編寫的。例如,一家廠商可能會(huì)指出,這個(gè)無線系統(tǒng)的傳輸距離是300英尺。然而,正如常識(shí)顯示的那樣,墻壁、桌子和文件柜等障礙物都可以減少無線通信在某個(gè)方向的傳輸距離,使無線通信在一些方向的覆蓋范圍不一致。
智能天線來解決問題
為了解決這個(gè)問題,克服老式產(chǎn)品中缺陷的一個(gè)技術(shù)就是采用一種新的劃算的智能天線技術(shù)。智能天線能夠壓制干擾信號(hào)、抗信號(hào)衰減和提高信號(hào)傳輸距離,從而提高無線系統(tǒng)的性能和容量。雖然智能天線改善了WLAN的性能,但是,各種空間處理技術(shù)在各種類型的系統(tǒng)中有不同的優(yōu)勢和劣勢,因此,全面了解各項(xiàng)技術(shù)是非常重要的。
智能天線一般定義為多波束天線或自適應(yīng)陣天線,能夠跟蹤用戶在環(huán)境中的移動(dòng),還能夠跟蹤環(huán)境的變化。
多波束天線--多波束(相位陣列)天線組成幾個(gè)窄波束并且使用波束選擇器選擇向信號(hào)功率最強(qiáng)的接收方傳輸波束。
自適應(yīng)天線陣--這種信號(hào)由幾個(gè)天線單元接收,每一個(gè)單元都采用相同的天線模式,接收的信號(hào)經(jīng)過加權(quán)和結(jié)合在一起之后組成輸出的信號(hào)。
多波束天線的應(yīng)用比較簡單,因?yàn)椴ㄊ尚纹魇枪潭ǖ?。這樣,波束選擇每隔幾秒鐘才需要進(jìn)行一次以便解釋用戶的移動(dòng),而自適應(yīng)天線陣必須計(jì)算復(fù)雜的波束成形加權(quán),計(jì)算速度之快至少要超過信號(hào)的衰減率。這就意味著每個(gè)普通用戶僅占用幾赫茲的頻率。
這兩種智能天線都能夠通過提供更高的天線增益顯著地改善無線系統(tǒng)的性能。這兩種技術(shù)的關(guān)鍵區(qū)別在于多波束天線僅在視距系統(tǒng)中提供M(本文中的“M”是指天線單元或者智能天線中波束的數(shù)量)增益。在非視距系統(tǒng)中,例如在室內(nèi)環(huán)境或者具有很多多路徑戶外環(huán)境中,接收的信號(hào)可以通過許多路徑和角度到達(dá)。因此,這種信號(hào)能量也許不是集中在一個(gè)波束。于是,增益將減少。
然而,自適應(yīng)天線陣無論在什么環(huán)境(視距或者多路徑)下都能夠達(dá)到全面的M增益。自適應(yīng)天線陣還提供M倍的分集增益(本文將詳細(xì)介紹這個(gè)問題)以緩解多路徑衰竭的影響。多波束天線不能提供這種好處。最后,通過在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上都使用M自適應(yīng)天線,MIMO(多入多出)技術(shù)還可以用來將數(shù)據(jù)數(shù)率提高M(jìn)倍。這是為下一代WLAN的IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)提出的建議。在這個(gè)提議的標(biāo)準(zhǔn)中,很可能讓兩個(gè)或者兩個(gè)以上的收發(fā)天線與MIMO技術(shù)一起使用以提供每秒100MB以上的數(shù)據(jù)傳輸速率(某些802.11n建議考慮數(shù)據(jù)數(shù)率超過每秒500MB)。
自適應(yīng)天線陣的益處
對于為多徑衰落提供分集增益的自適應(yīng)天線陣來說,每個(gè)天線單元的衰落應(yīng)該是接近獨(dú)立的。然而,各個(gè)天線衰落的相關(guān)性在性能下降超過1dB之前最高可達(dá)0.7dB。實(shí)際上,這種相關(guān)性能夠很容易地保持在這個(gè)水平之下,可采取如下分集措施:
·空間分集--將天線從空間上隔開。在一個(gè)嚴(yán)格的多經(jīng)環(huán)境中,例如在室內(nèi)和手機(jī)附近,僅需要 λ/4的空間就可獲得低衰落相關(guān)性。
·極化分集--使用雙極化(水平和垂直)能夠讓一個(gè)物理天線用于雙信號(hào)輸入(每一個(gè)極使用不同的傳輸方式)。
·方向圖分集--使用配置方向圖的天線單元。
這三種分集方式的結(jié)合能夠允許在PCMCIA卡或者手機(jī)等小型設(shè)備上使用大量的天線,而且性能比較理想。
自適應(yīng)天線陣還有很多技術(shù)組合。最簡單和最普通的(多數(shù)用于802.11b系統(tǒng),許多用于802.11a/g系統(tǒng))組合是選擇分集。在這里,可選擇信號(hào)接收能力最強(qiáng)的天線用于輸出的信號(hào)。目前,這種技術(shù)應(yīng)用于許多WLAN接收機(jī)中。然而,這個(gè)技術(shù)不使用全部的接收的信號(hào)功率,因此,在改善一個(gè)天線的分貝增益方面的作用是有限的。
用于增加信號(hào)傳輸距離和提高覆蓋均勻度的最佳技術(shù)是MRC(最高比結(jié)合)。使用這種技術(shù),每一個(gè)天線的信號(hào)都要經(jīng)過加權(quán)處理并且合并在一起以便最大限度地提高輸出信噪比。然后,這種波束賦形加權(quán)將是信道傳輸特點(diǎn)的復(fù)雜的結(jié)合。也就是說,接收的信號(hào)是同相位的,信號(hào)增益要根據(jù)接收到的信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)技術(shù)能在瑞利衰減(Rayleigh fading)環(huán)境中以M分集增益的方式提供M增益。需要指出的是,產(chǎn)生這種波束賦形加權(quán)的一個(gè)方法是簡單地把輸出信號(hào)與每個(gè)天線接收的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來。這種方法也被稱作盲技術(shù),因?yàn)樽赃m應(yīng)天線陣基本上把接收到的全部信號(hào)的信噪比都提高到最大的程度。這個(gè)好處是同樣的波束成形器能夠用于任何類型的無線信號(hào),如802.11b/g/a,而且不需要對接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
在多徑環(huán)境中,當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間各種路徑上出現(xiàn)的傳播延遲的差異相當(dāng)于符號(hào)周期的時(shí)候,頻率選擇性衰落將導(dǎo)致符號(hào)間干擾,從而降低性能。為了克服這種損失,一般可以使用暫時(shí)均衡或者正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。這兩種技術(shù)已經(jīng)以不同的方式在802.11設(shè)備中應(yīng)用了。在這種情況下,空間處理(也就是以前所說的自適應(yīng)天線陣)之后的暫時(shí)均衡和OFDM調(diào)制并不是最佳方案。要得到最佳性能,需要聯(lián)合使用空間-暫時(shí)處理的方法。不過,如果延遲擴(kuò)散的范圍很小,使用前面提到的技術(shù)通常也可以達(dá)到接近最佳的性能。
模擬或者數(shù)字處理智能天線的加權(quán)與結(jié)合以及加權(quán)的形成可以通過模擬或者數(shù)字處理的方式實(shí)現(xiàn)。對于數(shù)字處理,每一個(gè)天線接收的模擬信號(hào)都要降頻轉(zhuǎn)換到基帶上,然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。接下來使用數(shù)字化的信號(hào)計(jì)算加權(quán),這些數(shù)字信號(hào)將被結(jié)合在一起以生成用于信號(hào)調(diào)制的數(shù)字輸出信號(hào)。
使用模擬處理,接收到的RF(射頻)信號(hào)將被加權(quán)(也就是相位轉(zhuǎn)換和增益調(diào)整),然后在RF頻道中結(jié)合在一起產(chǎn)生一個(gè)RF輸出信號(hào)。在這種情況下,通過把降頻轉(zhuǎn)換到基帶上的信號(hào)與輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)起來能夠計(jì)算出這種加權(quán)。這種關(guān)聯(lián)采用模擬方式或者模擬-數(shù)字方式以及數(shù)字電路的方式都可以實(shí)現(xiàn)。需要指出的是,為加權(quán)和結(jié)合進(jìn)行的數(shù)字信號(hào)處理比模擬信號(hào)處理更容易。但是,需要若干臺(tái)價(jià)格昂貴的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。為加權(quán)處理實(shí)施的數(shù)字處理也很容易進(jìn)行,但是,在加權(quán)計(jì)算中有延遲時(shí)間較長的問題。
智能天線應(yīng)用的方法
目前802.11的三個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)是802.11b、802.11g和802.11a。所有這三種技術(shù)都使用時(shí)分雙工技術(shù)。這種技術(shù)是同一個(gè)頻率既用于傳輸也用于接收。
要在802.11技術(shù)中采用智能天線,一個(gè)方法是完全重新設(shè)計(jì)802.11收發(fā)器,讓智能天線處理成為這種收發(fā)器的組成部分。這種方法能夠使若干天線得到優(yōu)化的性能改善,以及得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)。不利的因素是,這種方法有下列潛在的缺陷:
·可能需要重新設(shè)計(jì)--每一家芯片廠商都可能需要進(jìn)行重大的重新設(shè)計(jì)工作,而且在芯片制作完成之前還不能完全確定是否得到了理想的增益。
·大范圍增加成本--重新設(shè)計(jì)會(huì)大范圍增加用于智能天線增益的802.11芯片組的成本。而所有的用戶也許不會(huì)認(rèn)同這個(gè)價(jià)值。在一個(gè)價(jià)格敏感的市場,任何非物有所值的提高成本都會(huì)導(dǎo)致銷售失敗,失去消費(fèi)者的購買。消費(fèi)者也許不完全了解或者不明白他們是否需要智能天線的增益。消費(fèi)者只是根據(jù)價(jià)格購買產(chǎn)品。為了避開這種風(fēng)險(xiǎn),芯片廠商可以生產(chǎn)兩種版本的芯片:一種芯片有智能天線功能,一種芯片沒有智能天線功能。如果芯片廠商生產(chǎn)這兩種版本的芯片沒有把產(chǎn)量提高一倍,芯片廠商就會(huì)有失去價(jià)格優(yōu)勢的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)閮r(jià)格優(yōu)勢來自于產(chǎn)量。產(chǎn)量是半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)成功的關(guān)鍵。
為消費(fèi)者提供的無線系統(tǒng)替代產(chǎn)品--已經(jīng)購買了沒有智能天線的WLAN產(chǎn)品后來又發(fā)現(xiàn)自己需要這種功能的消費(fèi)者可能需要更換他們的接入點(diǎn)和客戶卡,或者兩者全部更換。
智能天線對于改善WLAN性能的好處是非常明顯的。因此,找到一種劃算的方法把智能天線集成到WLAN中是非常重要的。把智能天線用于802.11系統(tǒng)中的更好的方法是采用信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器。這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器能夠在802.11標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)無縫增強(qiáng)智能天線的功能。這種方法能夠向現(xiàn)有的收發(fā)器芯片提供更好的RF信號(hào),而收發(fā)器只需要做很小的修改,或者不需要修改。
這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器(使用四個(gè)天線)的應(yīng)用實(shí)例見圖2。這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器接收來自這個(gè)接收天線的4個(gè)信號(hào),然后把這些信號(hào)結(jié)合在一起生成一個(gè)傳輸給接收機(jī)的輸入信號(hào)。接下來,這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器連接到在天線端口的現(xiàn)有的收發(fā)器以提供更好的接收的信號(hào),并且更有效地傳輸信號(hào)。
正如上面討論的那樣,智能天線應(yīng)該是一個(gè)自適應(yīng)性天線陣,而不是一種多波束天線。因此,一個(gè)天線陣增益(4個(gè)天線6dB)在所有的環(huán)境中以及在多徑環(huán)境的分集增益中都可以實(shí)現(xiàn)。任何類型的分集天線都可以同這種系統(tǒng)一起使用。例如,4個(gè)天線可以在現(xiàn)有的PCMCIA卡(這種卡目前一般使用2個(gè)天線)上組成兩個(gè)雙極化天線。由于智能天線的好處是能夠增加單個(gè)天線本身的性能,因此,4個(gè)物理天線可以是任何類型的和具有任何性能。
用于信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器的一個(gè)技術(shù)是盲MRC(最高比結(jié)合)。這種技術(shù)可用于802.11b、802.11g和802.11a。只要在收到信號(hào)之后在2 μs之內(nèi)按照這種算法計(jì)算出加權(quán)就可以了,因?yàn)檫@是在802.11a/g網(wǎng)絡(luò)中分配給天線選擇的時(shí)間。這種短暫的加權(quán)獲取時(shí)間需要使用模擬處理。
重要的是需要指出,在信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器中使用模擬處理意味著只有空間處理是可行的。這將導(dǎo)致在數(shù)字時(shí)空處理方面出現(xiàn)時(shí)延擴(kuò)展的性能降低問題,但是,這種性能降低即使在有嚴(yán)重的時(shí)延擴(kuò)展的室內(nèi)環(huán)境中一般也只有幾分貝。使用成本較低的模擬處理意味著有可能使用更多的天線(性能更高的天線)。
雙向性能問題
因?yàn)?02.11使用時(shí)分雙工,如果同一個(gè)天線用于傳輸和接收信號(hào),具有同樣的加權(quán),只要有一臺(tái)設(shè)備中有信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器,就能夠在兩個(gè)方向都獲得同樣的性能。惟一的要求是頻道不能在接收和傳輸之間變化,每個(gè)接收機(jī)鏈以及發(fā)射機(jī)鏈的相對延遲和增益必須是相同的。然而,由于傳輸功率放大器有最大功率限制,在這種限制之下,使用僅用于接收加權(quán)的相位就可以達(dá)到最佳性能。這種類型的信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的,在客戶端或者接入點(diǎn)的任何一點(diǎn)采用這種方法都可以改善任何802.11系統(tǒng)的性能。
信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器以接收模式運(yùn)行,在檢測到接收的信號(hào)之前調(diào)整加權(quán)(這時(shí)候,加權(quán)將被凍結(jié),以便把加權(quán)功能對收發(fā)器的影響減到最?。?。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)包的結(jié)尾時(shí),加權(quán)恢復(fù)調(diào)整。當(dāng)檢測到來自收發(fā)器的傳輸信號(hào)時(shí),接收機(jī)將關(guān)閉,發(fā)射機(jī)將打開。
雖然使用的傳輸加權(quán)應(yīng)該是采用單個(gè)客戶卡和接入點(diǎn)計(jì)算的最后接收加權(quán),但是,在多個(gè)客戶的情況下一般都不是這樣。
在這種情況下,需要用MAC信息識(shí)別誰傳輸?shù)哪莻€(gè)已經(jīng)計(jì)算了加權(quán)的信號(hào),并且識(shí)別出這個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)是發(fā)給誰的(也就是說使用了什么加權(quán))。這需要一個(gè)加權(quán)表以及來自收發(fā)器的控制信號(hào)。在接入點(diǎn)(沒有電池壽命問題的接入點(diǎn))的一種替代的方法是使用一個(gè)旁路功率放大器,其信號(hào)天線傳輸足夠的功率以補(bǔ)償智能天線(較低的客戶傳輸功率)的接收增益。在這種情況下,上行鏈路和下行鏈路能夠提供同樣的傳輸距離(盡管沒有多路徑削減和存在來自接入點(diǎn)的較高的干擾)。
結(jié)語
總之,智能天線技術(shù)給WLAN帶來的好處能夠迅速融入現(xiàn)有的和未來的采用信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器的產(chǎn)品中。擁有一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器,智能天線投資可以保證全面兼容802.11標(biāo)準(zhǔn),兼容任何收發(fā)器芯片組,實(shí)際上可以達(dá)到“即插即用”并且可用于訪問接入點(diǎn)和客戶設(shè)備。一旦準(zhǔn)備就緒,智能天線技術(shù)能把傳輸距離提高4倍,數(shù)據(jù)吞吐量提高100%以上,消除死角和把傳輸過程中的功率消耗減少90%。
把智能天線和信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器結(jié)合在一起能夠讓你更省錢,效率更高,幫助你把產(chǎn)品更快地推向市場并且為你的客戶提供他們希望WLAN能夠給他們帶來的性能和距離。
評(píng)論
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