天線是包括Wi-Fi在內(nèi)的所有無線通信應(yīng)用中鏈接預(yù)算的重要組成部分。在無線通信中,天線的性能和鏈路的預(yù)算問題很多,除此之外,還有總體的建筑挑戰(zhàn)。架構(gòu)選擇是這個(gè)常見問題的焦點(diǎn),包括:長途與本地Wi-Fi,以及定向與使用。全方位天線,多路徑環(huán)境中天線的選擇,多天線的使用如何提高Wi-Fi路由器的性能,以及無線網(wǎng)絡(luò)中波束形成的演變和使用。

Wi-Fi通常被認(rèn)為是一種用于建立本地網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。但是如果使用正確的天線,Wi-Fi信號(hào)可以達(dá)到15公里(9英里以上)。Wi-Fi信號(hào)可以穿過薄壁或孤立的植被,但不能通過大型建筑或樹木林立。此外,由于障礙造成的信號(hào)損失,傳輸可能會(huì)受到數(shù)據(jù)包損失和信號(hào)強(qiáng)度隨距離的增加而減小的影響。長距離發(fā)送Wi-Fi信號(hào)有三個(gè)一般要求:

· 需要在發(fā)射和接收天線之間沒有障礙的直接視線連接。

· 通常來說,發(fā)射和接收天線最好是在同一個(gè)水平面上,或幾乎相同的水平面上。

· 需要在發(fā)射和接收端使用定向天線?？讖浇禽^小的天線需要更精確的方位,但可以在更長的距離傳輸。

長距離Wi-Fi有多種天線選擇,在孔徑角和傳輸距離之間進(jìn)行權(quán)衡 (Figure 1). 面板天線是最容易使用的,不需要精確的校準(zhǔn)。一個(gè)小型面板天線可以達(dá)到300米以上,因?yàn)樗幸粋€(gè)開放的角度。更大的面板天線與更小的孔徑可以發(fā)射800米或更多。Yagi和拋物面天線的孔徑更小,可以在1到15公里之間傳輸,但它們必須盡可能精確地排列。

圖1:具有典型覆蓋(度)和典型傳輸距離的定向Wi-Fi天線(從頂部;室內(nèi)面板、室外面板、Yagi天線和拋物面天線)的比較。八木和拋物面是戶外使用的。

多路徑環(huán)境中的天線多樣性

天線多樣性一般是指每個(gè)無線電使用兩個(gè)天線,增加了其中一個(gè)接收到更好信號(hào)的可能性。天線必須分開,但在每個(gè)位置相等。多樣性解決了多路徑環(huán)境中無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)。天線在物理上相互分離,以確保每個(gè)天線都遇到不同的多路傳播效果。信號(hào)無效點(diǎn)分布在多路徑環(huán)境中。在某些情況下,有必要將天線移動(dòng)到周圍,以避免這些空點(diǎn),并使充分的接收成為可能。多樣性的目的是通過最小化刪除的數(shù)據(jù)包的數(shù)量來最大化吞吐量。

傳輸波長隨頻率變化,并決定射頻波的反彈方式,它的傳播距離和空(s)發(fā)生的地方。5千兆赫波長約6厘米(2.36英寸),2.4千兆赫波長約12.5厘米(4.92英寸)。延遲擴(kuò)展是衡量多路徑性能的一種手段,定義為主信號(hào)到達(dá)與最后反射信號(hào)到達(dá)之間的時(shí)間。延遲的數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境和規(guī)模有關(guān).對于住宅來說,通常在50nn以下;在辦公室,可以是100nn,在制造和倉庫環(huán)境中,可以是300nn或更多 (Figure 2) .

圖2:延遲擴(kuò)展是衡量多路徑性能的一個(gè)尺度,在大的制造環(huán)境中,它的范圍從居住環(huán)境下的50個(gè)NS到300多個(gè)NS不等。

多徑信號(hào)具有良好的射頻信號(hào)強(qiáng)度,但信號(hào)質(zhì)量較差。在一個(gè)典型的天線多樣性應(yīng)用中,每個(gè)接入點(diǎn)從兩個(gè)傳輸天線中提取信號(hào),并使用信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量的最佳組合。天線多樣性并不意味著擴(kuò)展Wi-Fi路由器的覆蓋范圍或帶寬,而是通過消除多路徑失真和信號(hào)空檔來提高覆蓋。

空間是天線多樣性設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素.例如,由于2.4千兆赫的波長大約為12.5厘米,因此天線應(yīng)放置在12.5厘米的距離上。如果天線被超過或小于12.5厘米的天線隔開,則每個(gè)天線的覆蓋面積不同。如果覆蓋面太不同,天線多樣性的好處就會(huì)喪失。

更多天線有更多性能

雖然天線多樣性依賴于兩個(gè)天線的使用,但許多Wi-Fi路由器有三個(gè)或更多天線。天線多樣化的目的是通過消除多徑失真和信號(hào)空檔來提高覆蓋面;使用三個(gè)或更多天線可以提高傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴?

例如,有三個(gè)發(fā)射天線和三個(gè)接收天線的基站被稱為3×3多輸入/多輸出(MIMO)配置。3x3MIMO實(shí)現(xiàn)可以通過三個(gè)通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù),將路由器的有效吞吐量乘以三倍。其他常見的Wi-FiMIMO配置包括2×2MIMO、4×4MIMO和6×6MIMO.

MIMO要求接收設(shè)備也支持使用多個(gè)天線的多個(gè)數(shù)據(jù)流。路由器上天線的數(shù)量不一定與MIMO配置直接相關(guān)。有些路由器有8個(gè)天線,但只支持3×3MIMO;其他天線用于天線多樣性或波束形成。

Wi-Fi5和6的波束形成

波束形成是另一種在無線網(wǎng)絡(luò)中提供更高吞吐量的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)波束形成,路由器識(shí)別請求數(shù)據(jù)的設(shè)備的位置,它不向所有方向廣播數(shù)據(jù),而是直接在請求設(shè)備上傳輸更有針對性的數(shù)據(jù)流 (Figure 3) .雖然波束形成是移動(dòng)通信中的一項(xiàng)相對較新的要求,特別是在5G中,但它已經(jīng)在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中使用了許多技術(shù)世代。

圖3:與全向射頻傳輸(左)相比,波束形成檢測接收設(shè)備的位置,并向其(右)提供一個(gè)焦點(diǎn)數(shù)據(jù)流。

波束形成第一次出現(xiàn)在Wi-Fi路由器在臨時(shí)的基礎(chǔ)上,引入了802.11n,也稱為Wi-Fi4,支持MIMO操作。實(shí)現(xiàn)波束形成需要MIMO。由于802.11n沒有指定如何實(shí)現(xiàn)波束成形,每個(gè)供應(yīng)商都開發(fā)了專有波束成形實(shí)現(xiàn)。這些專有設(shè)計(jì)要求路由器和端點(diǎn)接收卡來自同一制造商。這一要求極大地限制了波束形成技術(shù)的早期應(yīng)用。隨著Wi-Fi5的出現(xiàn),情況發(fā)生了變化。

Wi-Fi5(802.11AC)包括第一套指定的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備波束形成技術(shù)。波束形成并不是Wi-Fi5路由器的要求,但是它是供應(yīng)商中立的和可互操作的。Wi-Fi5的波束形成是為了幫助最大限度地利用路由器上的天線資源而設(shè)計(jì)的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),它增加了對多用戶MIMO(MMIMO)的支持,使路由器能夠同時(shí)向多個(gè)端點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。向每個(gè)端點(diǎn)發(fā)送方向信號(hào),形成波束,防止端點(diǎn)之間的信號(hào)干擾。Wi-Fi6(802.11AX)標(biāo)準(zhǔn)增加了同時(shí)支持的MMIMO用戶的數(shù)量,也使波束形成成為可能。

當(dāng)路由器和端點(diǎn)都支持Wi-Fi5或Wi-Fi6時(shí),就會(huì)出現(xiàn)明顯的波束形成。在這種情況下,通信從"握手"開始,使兩個(gè)設(shè)備能夠建立各自的位置和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?

對于支持Wi-Fi4或更早版本的端點(diǎn),波束路由器可能仍然試圖鎖定這些設(shè)備,但沒有端點(diǎn)的握手。這被稱為隱式波束形成或通用波束形成,理論上與任何Wi-Fi端點(diǎn)一起工作。沒有握手,路由器可能無法精確定位端點(diǎn)。

隱式波束形成的效用有限,許多Wi-Fi6路由器將其作為一個(gè)功能,可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉。如果Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)主要由固定端點(diǎn)組成,則隱式波束形成可能有助于提高性能。平板電腦和移動(dòng)電話等設(shè)備可能會(huì)因?yàn)殡[式波束形成而經(jīng)歷連接下降或性能下降,可能需要關(guān)閉才能獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。

總結(jié)

雖然通常被認(rèn)為是相對較短的無線技術(shù),但只要選擇適當(dāng)?shù)奶炀€,15公里以下的長距離Wi-Fi傳輸是可能的。Wi-Fi天線選擇的重要性延伸到了多路徑環(huán)境中,兩個(gè)天線可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。多天線可用于MIMO安裝,以提高Wi-Fi路由器的性能。顯式和隱式波束形成的實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)一步提高Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。