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射頻/無線  

可擴展無線區域網路覆蓋範圍的合成技術

上網時間: 2006年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:WLAN  802.11b/g  AP  PA  AGC 

無線區域網路(WLAN)正小區與企業應用中快速普及。與所有新技術一樣,對其性能改進的需求很快變得愈加明顯。此外,新技術的供應商都在不遺餘力地提高性能,因為這能夠進一步加速市場成長。

WLAN技術一個很重要的性能指標就是無線802.11 WLAN設備的覆蓋距離或範圍。在目前眾多小區域或企業WLAN部署中,802.11仍無法覆蓋房間或辦公室角落。這些WLAN覆蓋中的盲點使用戶難以或根本無法接取網路。為了增強WLAN訊號,可行的解決方案包括進一步投資多個接取點設備(AP)、中繼器或交換機。但是,添加硬體不但增加WLAN的成本,而且還會增加其營運複雜性,反而有可能使WLAN技術在廣闊的市場中出局。

更有效的解決方案是在提高WLAN設備訊號靈敏度的同時,增加WLAN訊號的輸出功率。兩種因素都能夠顯著擴大特定WLAN網路的範圍,而且不會產生因添加附加硬體所導致的更高成本與複雜性。不過,只是簡單地提高輸出功率也會帶來某些必須注意的問題。幸運地是,這些問題並非無法解決。透過系統設計階段的未雨綢繆與創新,我們可以利用提高發射輸出功率與接收機靈敏度解決擴展802.11 WLAN網路覆蓋範圍時遇到的問題。

最可行的方法

事實上,新安裝WLAN的家庭或企業都不願意看到二樓臥室沒有802.11連接或者後勤辦公室的員工不能上網。隨著WLAN技術的快速普及,這些問題變得越來越普遍。更糟糕的是,許多WLAN供應商已經承諾提供越來越高的數據吞吐速率。更高的速率通常伴隨著更近的WLAN有效範圍。然而,如果由於訊號強度隨距離增加而減弱,致使用戶不能接取網路,速度再快也沒有任何意義。

另一方面,典型的家庭或小型辦公環境並不是很有利於WLAN的部署。802.11訊號遇到小區建築物的木質與金屬框架以及許多辦公室的金屬隔間時會發生‘反射’現象。WLAN訊號會因多徑散射而使強度快速衰減,因而縮小了WLAN的有效覆蓋範圍。

目前的解決方案需要安裝附加的WLAN硬體。安裝多個WLAN AP之後,安裝場所可以被分為多個WLAN‘單元(cell)’。但多個AP會增加網路複雜性,這是因為在此類部署中必須設計切換機制。中繼器與交換機也可以用於提高網路AP範圍以外區域的訊號強度,但由於成本與複雜性提高,導致價格上升。

不僅如此,這些硬體解決方案所面臨最糟糕的問題在於它們往往顯得太遲了。直到安裝第一套AP並發現網路覆蓋盲區,面對WLAN安裝問題的消費者或者小企業主才知道還需要附加硬體。

與這種添加硬體的解決方案不同,針對802.11設備本身的技術創新可以擴展WLAN的有效覆蓋範圍,因而平息許多用戶的不滿。其中一項此類技術就是智慧天線技術,但這種技術成本高昂,而且可能解決不了建築物的方向或建築材料造成的訊號衰減問題。擴展802.11網路覆蓋範圍的最可行方法是在電路中提高訊號的發射功率(在FCC與其他政府機構規定的限制範圍內),同時提高接收機靈敏度。儘管這種解決方案較為簡單,不過仍然在系統規劃和設計方面存在一些制約因素。

提高發射功率與接收機靈敏度的理想位置是WLAN AP。大部份站點設備是採用電池工作的行動或手持終端系統。提高這些設備在WLAN中的發射功率會明顯縮短電池使用壽命,這會讓用戶難以忍受。然而,大部份AP不存在與電池驅動設備相同的功耗限制。一般情況下,WLAN接取設備都是以硬連線方式連接至住所電源網路,因此擁有真正不受限制的供電。

提高AP輸出功率

但是,單純透過提高AP的功率放大器(PA)輸出功率來增加802.11訊號的功率並非易事。在不考慮對系統其它部份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的整體執行造成損害,進而可能會損害WLAN網路的整體吞吐能力。事實上,除非在AP及其晶片組中實現相應解決方案,否則增加PA輸出功率可能會得不償失。

表1:WLAN站點設備與AP間的正常連接距離與接收功率息息相關。

1. 發射增益隨溫度發生變化

提高AP功率輸出涉及系統PA中的多個增益級。PA中的各增益級會引起系統溫度變化,甚至有可能使溫度顯著升高。這反過來會影響AP輸出的訊號強度。例如,在-25~+85??的工作溫度範圍內,802.11設備的訊號強度可能改變?5dB。考慮到這個問題,AP的設計應當包含有效的閉環功率控制(CLPC)子系統,以便在不斷變化的工作溫度範圍內使PA功率輸出保持不變。CLPC可以監控系統溫度,並相應調整輸出功率。這樣就可以避免過熱對AP可能造成的損害。

除了CLPC,還應當採用PA散熱片等有效的熱管理技術以及其它方法,以補償可以高達1W或更高的射頻輸出功率。這需要在晶片與板級設計階段進行預先規劃。

2. 接收過載

大部份AP的正常輸出功率範圍為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的站點設備功率過載的可能性。

表顯示了只要站點設備符合802.11標準容許的最高訊號強度,對於距離AP超過1公尺的站點設備而言,上述問題並不嚴重。但是,對於距離AP不到1公尺的站點設備,就有可能產生嚴重的連接問題。

因此,為了避免造成接收站點設備飽和,需要根據接收設備的位置,採取謹慎的動態功率控制。

3. 發射噪音

不幸的是,提高AP功率放大器的輸出功率,不只是增加802.11訊號的能量,而且還會增加帶內與帶外電磁干擾(EMI)。事實上,在帶內功率電平增加時,相鄰訊息通道噪音也會增加。如果站點設備靠近另一個在相鄰訊息通道上工作的站點設備,上述噪音會使站點設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備之間保持最低距離限制。透過在AP中實現有效的訊號濾波方案可以抑制上述發射噪音。同時它可以減少因提高PA功率輸出而造成的帶內和帶外噪音。

4. 智慧功率增益控制

當AP為若干站點設備提供WLAN連接時,AP必須具備充分的智慧性,以便確定針對各單獨站點設備的最佳發射功率輸出。事實上,AP應當為其發送的每個數據封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輸出功率必須低於針對距離相對較遠的站點的輸出功率。降低功耗並非輸出功率智慧控制的唯一目的。更重要的是,發送到距離AP相對較近的那些站點的高功率訊號,會不必要地增加多通道環境中的‘反射’噪音。以智慧化的方式降低針對靠近站點的AP功率輸出,可以減少環境噪音,因而可以提高WLAN中802.11連接的品質以及所有站點的數據吞吐量。

5. DC功耗增加

增加發射功率,必然引起功耗的增加。不過,仔細的分析顯示,AP設備中PA的佔空比對AP功耗具有很大的影響。對於擴展距離的AP而言,其高功率PA應當只在發射模式下才接通,而在其它時間都應關閉。盡可能長時間地將其關閉,可以降低PA的功耗。

6. 接收機相鄰訊息通道抑制

儘管不屬於AP的範疇,但是提高站點設備的接收機增益與相鄰訊息通道訊號抑制也會顯著影響WLAN的覆蓋範圍。如前所述,提高AP功率放大器的輸出,會影響接收訊息通道以及相鄰訊息通道的訊號強度。而一種能夠抑制相鄰訊息通道訊號的智慧接收機設計,可以擴大WLAN網路的有效覆蓋範圍。

實現距離擴展的晶片組

儘管更高的輸出功率和接收機靈敏度的提高會產生某些問題,不過在AP中設計這些功能無疑切實可行,而且必然會擴展典型WLAN的覆蓋範圍。如TI用於DSL、纜線或VoIP WLAN網路閘道以及家庭/辦公室AP與路由器的TNETW1350A WLAN元件,在搭配RF解決方案後,可使設計團隊能夠為特定應用靈活地選擇輸出功率水準。如,在802.11b/g小區網路閘道應用中,TNETW1350A整合TNETW3422和TNETW3428相互配合,就能提供高輸出功率。

TNETW1350A是單晶片媒體接取控制器(MAC)和基頻處理器,適用於802.11b/g小區網路閘道和消費性接收電子設備,如視訊轉換盒和無線媒體配接器等。TNETW3422是一種高度整合的直接變頻收發器,而TNETW3428則是一種全整合的射頻前端(RFFE),它在單個元件中包括了AP的低噪音放大器、功率放大器、接收增益控制以及發射耦合檢測器。由於TNETW3428的高度整合,因而不再需要額外的偏置控制、放大級、低損耗收/發開關、AGC、50歐姆輸入/輸出匹配以及其它功能。由於TNETW3428不需要片外阻抗匹配電路或者任何用於外部網路的阻抗匹配電路,這樣減少了許多外部元件,因而大幅削減了材料成本。

TNETW1350A晶片組採用G++技術,可實現完整室內覆蓋。G++技術可實現23dBm的輸出功率以及業界領先的接收靈敏度,因而使傳輸距離擴展2倍。由於可以利用獨特的技術以最小化來自諸如微波爐、無線電話以及相鄰無線網路等的干擾,因此能提高網路強韌性。此外,相關的軟體還具有增強的125Mbps模式,能夠在真實環境中實現36Mbps的TCP/IP數據吞吐率。

作者:D'Andre Ladson

家庭網路閘道與嵌入式系統產品線經理

德州儀器公司




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