無線局域網(wǎng)(WLAN)正在小區(qū)與企業(yè)應(yīng)用中快速普及。與所有新技術(shù)一樣,對其性能改進(jìn)的需求很快變得愈加明顯。此外,新技術(shù)的供應(yīng)商都在不遺余力地提高性能,因為這能夠進(jìn)一步加快市場增長。
WLAN技術(shù)一個很重要的性能指標(biāo)就是無線802.11 WLAN設(shè)備的覆蓋距離或范圍。在當(dāng)今眾多小區(qū)或企業(yè)WLAN部署中,802.11仍然覆蓋不到房間或辦公室的不少角落。這些WLAN覆蓋中的盲點使用戶難以或根本無法接入網(wǎng)絡(luò)。為了增強WLAN信號,可行的解決方案包括進(jìn)一步投資多個接入點設(shè)備(AP)、中繼器或交換機。但是,添加硬件不但增加WLAN的成本,而且還會增加其運營復(fù)雜性,反而有可能使WLAN技術(shù)在廣闊的市場中出局。
更有效的解決方案是在提高WLAN設(shè)備信號靈敏度的同時,增加WLAN信號的輸出功率。兩種因素都能夠顯著擴大特定WLAN網(wǎng)絡(luò)的范圍,而且不會產(chǎn)生因添加附加硬件所導(dǎo)致的更高成本與復(fù)雜性。不過,只是簡單地提高輸出功率也會帶來某些需要引起注意的問題。然而幸運的是,這些問題并非無法解決。通過系統(tǒng)設(shè)計階段的未雨綢繆與創(chuàng)新,我們可以利用提高發(fā)射輸出功率與接收機靈敏度解決擴展802.11 WLAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時遇到的問題。
最可行的方法
事實上,對于新安裝了WLAN的家庭或企業(yè),不愿意看到二樓臥室沒有802.11連接或者后勤辦公室的員工不能上網(wǎng)。隨著WLAN技術(shù)的快速普及,這些問題變得越來越普遍。更糟糕的是,許多WLAN供應(yīng)商已經(jīng)承諾提供越來越高的數(shù)據(jù)吞吐速率。更高的速率通常伴隨著更近的WLAN有效范圍。然而,如果由于信號強度隨距離增加而減弱,致使用戶不能接入網(wǎng)絡(luò),速度再快也沒有任何意義。
另外,一般來說,典型的家庭或小型辦公環(huán)境并不是很有利于WLAN的部署。802.11信號遇到小區(qū)建筑物的木質(zhì)與金屬框架以及許多辦公室的金屬隔間時會發(fā)生“反射”現(xiàn)象。WLAN信號會因多徑散射而使強度快速衰減,從而縮小了WLAN的有效覆蓋范圍。
 |
| 表1：WLAN站點設(shè)備與AP之間的正常連接距離是和接收功率息息相關(guān)。 |
目前的解決方案需要安裝附加的WLAN硬件。安裝多個WLAN AP之后,安裝場所可以被分為多個WLAN“單元(cell)”。但是多個AP會增加網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性,這是因為在此類部署中必須設(shè)計切換機制。中繼器與交換機也可以用于提高網(wǎng)絡(luò)AP范圍之外區(qū)域的信號強度,但由于成本與復(fù)雜性提高,導(dǎo)致價格上升。
不僅如此,這些硬件解決方案面臨的最糟糕問題在于它們往往顯得太遲了。直到安裝第一套AP并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),面對WLAN安裝問題的消費者或者小企業(yè)主才知道還需要附加硬件。這個時候滿腔的WLAN熱情遭受的挫折有可能會讓人 。
與這種添加硬件的解決方案不同,針對802.11設(shè)備本身的技術(shù)創(chuàng)新可以擴展WLAN的有效覆蓋范圍,從而平息許多用戶的不滿。其中一項此類技術(shù)就是智能天線技術(shù),但這種技術(shù)成本高昂,而且可能解決不了建筑物的方向或建筑材料造成的信號衰減問題。擴展802.11網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的最可行方法是在電路中提高信號的發(fā)射功率(在FCC與其他政府機構(gòu)規(guī)定的限制范圍內(nèi)),同時提高接收機靈敏度。盡管這種解決方案較為簡單,不過仍然在系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計方面存在一些制約因素。
提高發(fā)射功率與接收機靈敏度的理想位置是WLAN AP。大部分站點設(shè)備是采用電池工作的移動或手持終端系統(tǒng)。提高這些設(shè)備在WLAN中的發(fā)射功率會明顯縮短電池使用壽命,這樣就會讓用戶難以忍受。然而,大部分AP不存在與電池驅(qū)動設(shè)備相同的功耗限制。一般情況下,WLAN接入設(shè)備都是以硬連線方式連接至住所電源網(wǎng)絡(luò),因此擁有真正不受限制的供電。
解決提高AP輸出功率帶來的問題
但是,單純通過提高AP的功率放大器(PA)輸出功率來增加802.11信號的功率并非易事。在不考慮對系統(tǒng)其它部分影響的情況下就魯莽行事,可能會弄巧成拙,因為這有可能在許多方面對AP的整體運行造成損害,進(jìn)而可能會損害WLAN網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐能力。事實上,除非在AP及其芯片組中實現(xiàn)相應(yīng)解決方案,否則增加PA輸出功率可能會得不償失。
1. 發(fā)射增益隨溫度發(fā)生變化
提高AP功率輸出涉及系統(tǒng)PA中的多個增益級。PA中的各增益級會引起系統(tǒng)溫度變化,甚至有可能使溫度顯著升高。這反過來會影響AP輸出的信號強度。例如,在-25~+85??的工作溫度范圍內(nèi),802.11設(shè)備的信號強度可能改變?5dB�？紤]到這個問題,AP的設(shè)計應(yīng)當(dāng)包含有效的閉環(huán)功率控制(CLPC)子系統(tǒng),以便在不斷變化的工作溫度范圍內(nèi)使PA功率輸出保持不變。CLPC可以監(jiān)控系統(tǒng)溫度,并相應(yīng)調(diào)整輸出功率。這樣就可以避免過熱對AP可能造成的損害。
除了CLPC,還應(yīng)當(dāng)采用PA散熱片等有效的熱管理技術(shù)以及其它方法,以補償可以高達(dá)1W或更高的射頻輸出功率。這需要在芯片與板級設(shè)計階段進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃。
2. 接收過載
大部分AP的正常輸出功率范圍為15~20dBm。簡單地將AP功率放大器的功率輸出提高到更高電平,會增加靠近AP的站點設(shè)備功率過載的可能性。
表顯示了只要站點設(shè)備符合802.11標(biāo)準(zhǔn)容許的最高信號強度,對于距離AP超過1米的站點設(shè)備而言,上述問題并不嚴(yán)重。但是,對于距離AP不到1米的站點設(shè)備,就有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的連接問題。
因此,為了避免造成接收站點設(shè)備飽和,需要根據(jù)接收設(shè)備的位置,采取謹(jǐn)慎的動態(tài)功率控制。
3. 發(fā)射噪聲
不幸的是,提高AP功率放大器的輸出功率,不只是增加802.11信號的能量,而且還會增加帶內(nèi)與帶外電磁干擾(EMI)。事實上,在帶內(nèi)功率電平增加時,相鄰信道噪聲也會增加。如果站點設(shè)備靠近另一個在相鄰信道上工作的站點設(shè)備,上述噪聲會使站點設(shè)備中接收機的靈敏度降低。因此,在特定WLAN中可能需要在站點設(shè)備之間保持最低距離限制。通過在AP中實現(xiàn)有效的信號濾波方案可以抑制上述發(fā)射噪聲。同時它可以減小由于提高PA功率輸出而造成的帶內(nèi)和帶外噪聲。
4. 智能功率增益控制
當(dāng)AP為若干站點設(shè)備提供WLAN連接時,AP必須具備充分的智能性,以便確定針對各單獨站點設(shè)備的最佳發(fā)射功率輸出。事實上,AP應(yīng)當(dāng)為其發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包確定最有效的功率電平。如果某站點距離AP較近,所需的AP輸出功率必須低于針對距離相對較遠(yuǎn)的站點的輸出功率。降低功耗并非輸出功率智能控制的唯一目的。更重要的是,發(fā)送到距離AP相對較近的那些站點的高功率信號,會不必要地增加多通道環(huán)境中的“反射”噪聲。以智能化的方式降低針對靠近站點的AP功率輸出,可以減小環(huán)境噪聲,從而可以提高WLAN中802.11連接的質(zhì)量以及所有站點的數(shù)據(jù)吞吐量。
5. DC功耗增加
增加發(fā)射功率,必然引起功耗的增加。不過,仔細(xì)的分析表明,AP設(shè)備中PA的占空比對AP功耗具有很大的影響。對于擴展距離的AP而言,其高功率PA應(yīng)當(dāng)只在發(fā)射模式下才接通,而在其它時間都應(yīng)關(guān)閉。盡可能長時間地將其關(guān)閉,可以降低PA的功耗。
6. 接收機相鄰信道抑制
盡管不屬于AP的范疇,但是提高站點設(shè)備的接收機增益與相鄰信道信號抑制也會顯著影響WLAN的覆蓋范圍。如前所述,提高AP功率放大器的輸出,會影響接收信道以及相鄰信道的信號強度。而一種能夠抑制相鄰信道信號的智能接收機設(shè)計,可以擴大WLAN網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍。
實現(xiàn)距離擴展的芯片組方案
盡管更高的輸出功率和接收機靈敏度的提高會產(chǎn)生某些問題,不過在AP中設(shè)計這些功能無疑切實可行,而且肯定會擴展典型WLAN的覆蓋范圍。
一種用于DSL、線纜或VoIP WLAN網(wǎng)關(guān)以及家庭/辦公室AP與路由器的此類解決方案是德州儀器(TI)的TNETW1350A WLAN器件。該器件配合TI的各種RF解決方案,可使設(shè)計團(tuán)隊能夠為特定應(yīng)用靈活地選擇輸出功率水平。例如,在802.11b/g小區(qū)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中,TNETW1350A與TNETW3422和TNETW3428相配合,就可以提供高輸出功率,并具有很高的性價比。
TNETW1350A是單芯片媒體接入控制器(MAC)和基帶處理器,適用于802.11b/g小區(qū)網(wǎng)關(guān)和消費類接收電子設(shè)備,如機頂盒和無線媒體適配器等。TNETW3422是一種高度集成的直接變頻收發(fā)器,而TNETW3428則是一種全集成的射頻前端(RFFE),它在單個器件中包括了AP的低噪聲放大器、功率放大器、接收增益控制以及發(fā)射耦合檢測器。由于TNETW3428的高度集成,從而不再需要額外的偏置控制、放大級、低損耗收/發(fā)開關(guān)、AGC、50歐姆輸入/輸出匹配以及其它功能。由于TNETW3428不需要片外阻抗匹配電路或者任何用于外部網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配電路,這樣減少了許多外部器件,從而大大削減了材料成本。
TI的TNETW1350A芯片組采用G++技術(shù),可以實現(xiàn)整個室內(nèi)覆蓋和前所未有的吞吐能力。G++技術(shù)可實現(xiàn)23dBm的輸出功率以及業(yè)界領(lǐng)先的接收靈敏度,從而使傳輸距離擴展2倍。由于可以利用獨特的技術(shù)以最小化來自諸如微波爐、無繩電話以及相鄰無線網(wǎng)絡(luò)等的干擾,因此能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。此外,相關(guān)的軟件還具有增強的125Mbps模式,能夠在真實環(huán)境中實現(xiàn)36Mbps的TCP/IP數(shù)據(jù)吞吐率。
