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如何设计出符合家庭安装需求的Wi-Fi网状网络?

时间:2018-11-20 作者:Joel Brand 阅读:
Wi-Fi网状(mesh)网络在消费市场发展速度相当迅速,原因是越来越多的用户希望家里的网络能够完全覆盖。现在市面上也有许多供应商和产品可供消费者选择,比如Google就为零售市场提供解决方案,其他的因特网服务供应商也正在关注并开始评估自家的产品……

如何才能设计出符合家庭安装需求的Wi-Fi终端产品?

Wi-Fi网状(mesh)网络在消费市场发展速度相当迅速,原因是越来越多的用户希望家里的网络能够完全覆盖。现在市面上也有许多供应商和产品可供消费者选择,比如Google就为零售市场提供解决方案,其他的因特网服务供应商也正在关注并开始评估自家的产品。

问题

为了使Wi-Fi mesh网络变得高效,每个节点必须包含至少两个5GHz射频:一个射频连接分布在整栋房屋或房间的客户端;另一个5GHz射频连接返回电缆或DSL接取点的主机。一些供应商提供的低性能方案使用单个5GHz射频同时进行接取和回传,但这会造成严重降低吞吐量的代价,因为在任何给定时间单一射频只能提供接取或回传,所以用户吞吐量降低了50%。

除考虑射频因素外,天线因素也很重要。4×4 MIMO射频(4个接收器和4个发射器)通常优于2×2 MIMO射频。目前,市场中同时存在这两种方案,4×4 MIMO射频需要四根天线,而2×2 MIMO射频仅需两根天线,为获得最佳性能,Wi-Fi mesh网络节点需要8根5GHz天线。此外,有些模块供应商推出了新的8×8设计方案,该方案两个射频需要16根天线!

与办公室内使用的可以隐藏的路由器不同,mesh单元是部署在家中,其路由器必须具有一定的美学吸引力,因此路由器不能是又笨又大的黑盒子,而是应该更加小巧和精致。但设备的大小会影响性能,天线放得太靠近则难以提供独立的空间串流(spatial stream),而这正是MIMO的关键优势。

实际上,对单一接取点内、工作在相同频带内的两个独立射频来说,无论天线怎样排列,都不可避免对彼此的性能产生负面影响。为了实现两个5GHz射频并行操作所需的额外隔离,需要射频滤波器。一个射频配置为在UNII 5GHz频段的下部工作,其每个天线都有滤波器,以抑制来自频段上部的噪声;另一个5GHz射频配置为在频段的上部工作,每根天线也都有滤波器,以抑制来自频段下部的噪声,而8根天线需要8个滤波器——低通和高通各四个。

这些问题对提供整栋房屋Wi-Fi方案的供应商来说,具有很大的挑战。大块头、不好看的产品,消费者不买单;小巧、美观,但性能低下的Wi-Fi mesh节点则无法为现代连网家庭提供必要的吞吐量和容量。

解决方案

需要找到一个可以在两个5GHz Wi-Fi射频之间共享一组天线的方法,这样就可以减少一半的5GHz天线。但为了在两个单独射频间共享天线,需要一个专用滤波器,即双工器(diplexer),因为双工器本质上是高通和低通滤波器的组合。

现在,假设所需的滤波器数量与每个射频使用专用天线时的数量相同(不共享天线)。当天线在物理上分开时,独立滤波器只需抑制大约35dB的噪声;而双工器中的滤波器需要抑制大约70dB的噪声。最大的区别在于,级联两个35dB滤波器会使滤波器原本已高的插入损耗倍增到不可接受的水平。具有70dB抑制和低插入损耗、确保在滤波过程中不浪费能量的滤波器体积会很大,且价格不菲。这类滤波器经常会用在高功率4G/LTE移动基站内,而不太适合消费类Wi-Fi接取点应用。

自干扰消除(SIC)技术可为此提供帮助。SIC技术开发的初衷是允许射频在完全相同的频率上同时发送和接收。对相互通讯双方的任一节点而言,对方发射天线发来的信号为自身需要的期望信号,而自身发射天线的发射信号对自身接收端就会造成干扰,这就是自干扰。想要得到更好的接收信号,就需要想办法消除自干扰。

与插入到信号路径以隔阻不需要频率的射频滤波器(不可避免地对有用信号造成损耗)不同,SIC会创建一个新信号,即消除信号,再把这个信号添加到接收器的输入端,以彻底消除不需要的信号。透过直接对发射器的输出进行采样并连续监测和调整来自环境的反射,可以产生分辨率非常高的消除信号。对于许多应用,产生消除信号所需的额外功率是值得付出的额外成本(如果有的话)。

然而,事实证明,SIC还有其他用途,例如在同一个壳体中使能两个5GHz射频,它们共享相同天线,以便同时工作而不会降低彼此的性能。

图1中的频谱分析仪曲线说明了SIC技术的有效性。为了在附近的频率上操控第二个射频,有必要同时降低(接收器的输入端)发射频率的发射信号功率(到标记为「3」的点)和相邻频率发射器产生的噪声功率(到标记为「4」的点)。请注意,消除干扰后,来自干扰发射器的噪声已降低到本底噪声水平。

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图1 SIC技术可用于显著降低相邻通道干扰。(来源:Kumu Networks)

有一种可用于双5GHz射频Wi-Fi mesh网络AP的低成本35dB抑制滤波器,将它与小型、低功耗、低损耗、可提供额外45dB抑制效果的SIC模块相结合,则可以用于共享相同天线的5GHz射频,且能够满足其性能要求。此方案还有另一个好处,由于SIC模块设计用于支持MIMO配置,因此单一模块不仅可以保护作为干扰发射器连接到同一天线的接收器,还可保护连接到其他天线的所有其他接收器。这降低了两个5GHz射频的天线隔离要求,使得天线可以非常靠近地放置,允许使用很小的外壳。

总的来说,AP设计人员可以使用SIC技术,使Wi-Fi mesh网络的5GHz天线数量减少50%,同时缩短天线之间所需的物理间隔,而且还不会降低射频性能。虽单独使用射频滤波器不可能实现这些功能,但组合使用SIC和射频滤波器则可实现。

技术细节

传统的双工器是天线连接到发射器和接收器对(PA和LNA)的3埠设备。为了最有效地将SIC RFIC引入双工器结构,业者已经研制了出了具有5个埠的修订版双工器(图2)。该结构不仅为消除RFIC提供连接点,还确保消除RFIC所观察的信道与空中信道相同。

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图2 使用SIC技术的传统3端口双工器结构(左)和5端口结构(右)的比较。(来源:Kumu Networks)

现在了解了SIC模块的适用范围后,来比较这两种架构:(1)带双5GHz射频的Wi-Fi mesh网络节点,每个支持4×4 MIMO,不带SIC;(2)与前述相同,但带SIC(图3)。显然,使用自干扰消除器时,只需要一半的5GHz天线,所有双工器结构均采用RFIC以提高性能。鉴于消除器能够减少MIMO链之间的交叉干扰,所以它进一步强化了链之间的隔离,其结果是,因RFIC以电子方式处理隔离,因此天线之间只需较小的物理隔离就可满足隔离要求。

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图3 双5GHz 4×4射频设计的比较。(来源:Kumu Networks)

结论

信号隔离有很广泛的应用。有一类频谱应用,只需传统射频滤波器就可提供足够性能的应用,显然是最便宜的方案。另一类频谱应用,有些工作只能借助SIC技术完成,例如使射频能够在同一信道或重迭信道上同时发送和接收。然而,也存在位于以上两个极端频谱中间的应用,其数量和重要性都在增长,例如使同一设备中的两个射频同时运行,且同时实现最佳性能。这一中间类别应用包括带双5GHz射频的Wi-Fi mesh网络节点,使用传统射频滤波器和SIC模块组合可最好地满足这类应用的要求。

 

 

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