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扩大无线网路连线距离解决方案
除了提高功率还有哪些更好做法?

【作者: D'Andre Lsdson】2006年03月01日 星期三

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无线区域网路(WLAN)正在住宅和商业应用领域快速普及。就像其它新技术一样,效能提升的需求在很短时间内就显现。另外,新技术的供应商也有提升产品效能的强烈意愿,因为这通常能刺激市场成长更快速。


802.11无线网路装置的连线范围或距离正是无线网路技术的效能指标之一。在今日许多住宅或企业无线网路里,总有些办公室或房间角落无法正常使用802.11连线,这些无线讯号的覆盖死角几乎不可能连上网路。解决这个问题方法之一是安装更多的基地台、中继器或交换器以增强无线网路讯号,但安装额外硬体不仅会增加无线网路成本,还会使其作业更复杂,这可能造成无线网路技术与大众市场的实际需求完全脱节。


扩大连线距离

另一种更有效的解决方法是提高无线网路讯号的输出功率,同时增加无线网路设备的接收灵敏度。这两种做法都会对特定无线网路的连线距离产生极大影响,而且它们不需要扩充硬体,所以网路的成本和复杂性都不会增加。不过,仅仅提高输出功率可能会带来某些值得注意的问题。幸而这些问题都有方法能够克服,只要透过事先详细规划和创新的系统层级设计,就能藉由提高发射机输出功率和接收机灵敏度来扩大802.11无线网路的连线距离。


黯淡的热点

刚架设无线网路的家庭或企业用户最不愿意看到的就是二楼卧房收不到802.11无线网路讯号或办公室后方员工无法连上网路。然而这类问题却随着无线网路技术的快速普及越来越常见,尤其许多无线网路供应商不断提高资料产出速率的做法让事情更加恶化。提高产出速率通常会缩短无线网路的有效连线距离,然而只要使用者因为讯号强度随着距离减弱而无法连上网路,那么无论产出速率多快都没有任何意义。


除此之外,典型的家庭或小型办公室环境通常都不利于无线网路建置。 802.11讯号会从房屋结构的木头柱子或钢架以及许多办公室常见的金属柜子反射回来,无线网路讯号还会受到多路径散射的影响而迅速衰减,使得无线网路的有效连线距离变得更短。


现有的解决方案需要安装额外的无线网路硬体。使用者虽能藉由安装多个无线网路基地台把屋内分成多个无线网路「细胞」,但多基地台架构却需要导入交接(handoff)机制,这会使得网路更加复杂。中继器和交换器也能用来增强讯号以扩大基地台覆盖范围,但其成本和复杂性都相对较高。这些硬体解决方案的最大缺点是它们通常来得太迟,因为忙于架设无线网路的消费者或小型企业总要等到安装第一部基地台并发现网路覆盖死角后才了解到他们需要更多硬体。但到了这个时候,他们对于无线网路的挫折感很可能早已到达极限。


除了为现有无线网路增加硬体解决方案外,802.11设备本身的技术创新也能扩大无线网路的有效连线距离和减少抱怨的客户人数。智慧型天线技术就是这类的技术创新,只不过它可能是成本极为昂贵的方法,而且可能无法解决建筑物方位或建筑材料造成的讯号衰减问题。增加元件层级的讯号传送功率和改善接收机灵敏度是扩大802.11网路连线距离的最可行做法(在主管单位允许范围内)。这种解决方案看似简单,其实在系统规划和设计考量方面都有许多问题需要解决。


挑战无线网路的极限

无线网路基地台是提高传送功率和改善接收机灵敏度的最佳场所。多数上网装置都是电池供电的可携式或掌上型产品,它们的操作时间相当有限。增加这类产品在无线网路上传送的功率会大幅缩短电池使用时间,最后只会让客户更为不满。相形之下,多数基地台并不像电池供电的产品一样会受到电力消耗限制,这些无线网路接取装置多半直接连接到建筑物的电力设施,因此拥有源源不绝的电力供应。


提高无线网路基地台功率放大器的输出功率来增加802.11讯号强度并不容易,它在许多方面都会对基地台的整体操作造成不利影响,因此若不考虑系统其余部份所受的冲击就采取这种做法只会招来失败,最后并导致无线网路的总产出大幅下降。事实上,除非能将这类解决方案导入基地台及其晶片组设计,否则提高功率放大器输出只会造成更多麻烦。


以下是提高基地台输出功率以扩大无线网路距离时的部份技术问题。


传送增益随着温度而变动

提高基地台的功率输出通常会牵涉到系统功率放大器的多个增益级,这些功率放大器增益级会造成系统温度改变或大幅升高,进而影响基地台的输出讯号强度,例如802.11讯号强度在-25 ℃到+85℃操作温度范围内就可能相差±5dB。为了解决这个问题,基地台设计应包含有效的闭回路功率控制子系统,确保功率放大器的输出功率在各种温度下都能维持稳定水准。闭回路功率控制功能会监视系统温度并根据温度高低调整输出功率,这种方法可让基地台避免任何因过热造成问题。


除了闭回路功率控制子系统外,设计人员还应采用功率放大器散热片和其它机制等有效的热管理技术来稳定高达1W的射频输出功率。这需要在晶片和电路板设计层级上进行事先规划。


接收装置面临过强的讯号

802.11基地台输出功率通常在15至20dBm范围内。如果直接让基地台功率放大器的输出功率增加超过此水准,则邻近上网装置所接收的讯号就可能变得太强。


(表一)显示只要这些装置符合802.11标准的最大讯号强度规格,那么即使它们与基地台的距离超过1公尺时也不会有太大问题。但距离基地台不到1公尺的上网装置就可能出现严重的网路连线问题。


因此要避免接收装置出现饱和,就必须根据其位置执行精密的动态输出功率管理。


传送杂讯

然而,提高基地台功率放大器的输出不仅会增加802.11讯号强度,还会让频带内和频带外的电磁干扰更严重。事实上,增加频带内功率通常会造成相邻通道的杂讯变大,这会影响使用相邻通道另一部装置的接收机灵敏度,因此无线网路的上网装置之间可能需要维持一定的距离。在基地台内采用有效的讯号滤波机制可以避免这类传送杂讯问题,它能减少功率放大器输出增加后所造成的频带内与频带外杂讯。


智慧型功率增益调整

基地台为多部上网装置提供无线网路连线时,必须有能力针对每一部装置选择最适当的输出功率。事实上,基地台应能为所传送的每个封包决定最有效率的功率水准。上网装置越靠近基地台,基地台的输出功率就应该越小。减少耗电并不是采用智慧型输出功率调整的唯一理由,更重要原因是基地台若将太强的讯号传送给距离较近的装置,就可能在多路径环境里产生更多不必要的「回音」杂讯。适当降低基地台传送给邻近装置的输出功率则能减少这类环境里的杂讯,进而改善无线网路所有上网装置的资料产出和802.11连线品质。


(表一) 调变方式与接收功率关系图
调变方式 传送输出功率

接收功率

(距离1公尺)

接收功率

(最远2公尺)

802.11规定的接收功率 说明

CCK

26dBm

-14.3dBm

-20.3dBm

-10dBm

1公尺OK

OFDM54

22dBm

-18.3dBm

-24.3dBm

-20dBm

2公尺OK

OFDM36

24dBm

-16.3dBm

-22.3dBm

-20dBm

2公尺OK

OFDM6

24dBm

-16.3dBm

-22.3dBm

-20dBm

2公尺OK


直流耗电

仔细分析基地台功率放大器的负载周期可对基地台的耗电量产生极大影响。距离延长型的基地台只有在传送讯号时才需启动高耗电的功率放大器,其它时间都应把功率放大器关掉。功率放大器关闭的时间越久,所消耗的直流电力就越少。


接收机的相邻通道拒斥率

虽然这不是基地台的功能,但加强上网装置的接收机增益和相邻通道讯号拒斥率也能大幅改善无线网路的连线距离。如前所述,增加基地台功率放大器的输出功率会同时影响接收机通道和相邻通道的讯号强度,因此有能力抵抗相邻通道讯号的智慧型接收机设计自然可以扩大无线网路的有效连线范围。


导入连线距离延长功能

更高的输出功率和接收机灵敏度虽会带来一些问题,但将这些功能导入802.11基地台设计仍属可行做法,而且然能扩大无线网路的连线距离。


德州仪器(TI)的TNETW1350A无线网路元件就是DSL、缆线或VoIP无线网路闸道器以及家庭和办公室基地台与路由器的这类解决方案之一。 TNETW1350A只要搭配TI提供的各种射频解决方案,就能让设计人员选择输出功率水准以满足特定应用需求。举例来说,TNETW1350A只要搭配TNETW3422和TNETW3428就能为8​​02.11b/g家庭闸道器应用提供高输出功率和高价格效能比。


TNETW1350A是单晶片媒体存取控制器(MAC)和基频处理器,适合802.11b/g家庭闸道器以及机上盒和无线媒体转接器等固定不动的消费电子装置。 TNETW3422是整合度极高的直接转换接收机,TNETW3428则是功能完整的射频前端元件(RFFE)。TNETW3428将基地台所需要的低杂讯放大器、功率放大器、接收机增益控制和传送耦合侦测器整合至一颗元件,使得应用系统不再需要偏压控制、增益调整、低损耗传送与接收开关、自动增益控制、50Ω输入与输出阻抗匹配和其它许多功能。 TNETW3428不需任何外部阻抗匹配电路或是外部网路的阻抗匹配功能,故能减少零件数目和降低用料成本。


TNETW1350A晶片组采用G++技术,它能让无线网路覆盖屋内所有角落,同时提供前所未有的更高产出。 G++技术的23dBm传送输出功率和领先业界的接收灵敏度可将连线距离增加两倍,它还利用其它独特技术把微波炉、无线电话和邻近的无线网路等产品所造成的干扰减至最小,进而提高网路作业的可靠性。它的软体还支援125Mbps加强型操作模式,并能在实际环境中提供36Mbps的TCP/IP产出。


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