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自制大功率WiFi天线

2017-09-18 30页 doc 520KB 97阅读

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自制大功率WiFi天线自制大功率WiFi天线 大功率WiFi天线 锤子一把 钻头一把 电烙铁和焊锡 一小块铜片 天线的类型 基本上家用Wi-Fi信号增强天线共有两种类型,一种是普林格尔状天线,另一种是罐状天线.这两种天线都可以朝一个方向增大信号的强度,但是他们增大信号的原理则完全不同. 在市场上所卖的信号增强天线大多数都是基于普林格尔状天线结构,它算是一种引向反射天线,它通常由多级天线组成.引向反射天线通常使用在频率单一的信号环境中.当信号在层叠的环状金属内不断的反射时就能增大信号的强度,并且信号反射的方向也将相当集中. 普林格...
自制大功率WiFi天线
自制大功率WiFi天线 大功率WiFi天线 锤子一把 钻头一把 电烙铁和焊锡 一小块铜片 天线的类型 基本上家用Wi-Fi信号增强天线共有两种类型,一种是普林格尔状天线,另一种是罐状天线.这两种天线都可以朝一个方向增大信号的强度,但是他们增大信号的原理则完全不同. 在市场上所卖的信号增强天线大多数都是基于普林格尔状天线结构,它算是一种引向反射天线,它通常由多级天线组成.引向反射天线通常使用在频率单一的信号环境中.当信号在层叠的环状金属内不断的反射时就能增大信号的强度,并且信号反射的方向也将相当集中. 普林格尔天线外形有点类似动画片里外星人的激光枪,它仅仅是在一根金属线上套上了几个反射信号的金属圆环. 如图1,这就是一个普林格尔桶状天线的内部结构.主体部分就是中间的那根粗粗的天线,其他是遍布在天线上的金属环.这些金属环可以让信号在内部多次反射, 从而增大信号的强度.所有的这些部件都要按照天线的摆放位置来设计,只有当摆放位置正确的时候,天线才能发挥出它最大的效能. 如果说普林格尔天线仅仅是一个加了装饰的金属线,那么罐状天线则更像是一个胖墩墩的罐头盒.确切的说罐状天线属于一种波导天线. 如图2,这种罐头盒天线的尺寸小巧,电导率高,可以适应各种无线电频率信号.而且它的摆放位置也不是十分严格.这种天线的外形和尺寸都可以自己制定.信号的覆盖范围也非常广. 小知识:波导,不是咱们平时用的那个手机牌子而是一种射频信号(RF射频)的传输通路.一般的低频信号可以使用铜线作为天线,例如你汽车上的无线电.而高 频的RF射频信号有时就采用这种波导的方式传送高能量,高频率的信号.在军事雷达领域通常就使用的是这种波导传送的方式. 了解波导 波导是一种微波信号的传输方式,它类似于一个同轴电缆.但与同轴电缆不同,波导在传递微波频率的时候几乎没有信号的损失.RF射频信号的能量一般都大于 60千兆赫兹,他们可以快速的穿越波导管道.波导信号的传输需要一些特殊构造的金属来充当天线,他们的外形和尺寸都非常特别.(如图3) 通常波导天线都是矩形结构的,这些天线的制造和安装也都非常昂贵.因为天线是金属的,他们要求加工工艺非常精确,波导传输线的要求也非常严格. 波导信号的发散形状非常有趣,它的样子就像电磁RF射频能量.这些具备二元性的电磁波的发散形状非常稳定,并且磁场波及范围非常广阔.在同轴线缆内,信号 是沿着线缆中的导体向外进行扩散.而在波导中,一部分信号被天线所阻挡、反射,最后所有的信号都径直朝向一个方向发散开来,其中的细节错综复杂. (如图4,波导信号的扩散路径)在这篇文章中,我就给你讲述一下在制作波导天线时的经验,这包括对于天线尺寸外形的要求,以及信号源和天线的放置地点等等. 构建一个波导线是非常困难的,那需要专用的工业.然而我们仅仅需要较短距离的波导传输,波导线就可以使用一般的同轴电缆代替.而且民用Wi-Fi的信号对于天线的要求就更为宽松,天线也就可以制作的简单一些. 波导天线的尺寸 众所周知,波导天线的尺寸要与所传输信号的频率相匹配,因此波导天线需要特殊的尺寸.在当今的Wi-Fi无线网络环境中,我们使用的都是2.4GHZ的 波段.无线网络的这个波段被划分成14个频道.从Channel 01:2.412 GHz起步,每个频道递增0.005GHz.一般Wi-Fi无线网卡默认的是6频道,也就是2.437GHz的频率.我们要以6频道为准绳,制造出一架全 Wi-Fi频道的无线天线.对于这一波段内的天线有着严格的尺寸要求.为了保证Wi-Fi天线能够更好的工作,你需要尽可能的精确罐头盒的尺寸. 如图5,给出了罐头盒的各部分的尺寸说明.有了这些尺寸你就可以去超市寻找合适的罐头盒了,一般很多大桶装的咖啡和牛奶罐头都是不错的选择.罐头盒周身最好是光滑的圆柱,不要有凹凸不平的波浪纹. 直径最好在100mm,误差不要超出10%(90-110mm) 长度约在123mm左右,误差不要超出10% 信号源水平高度为24mm(波长的1/5) 信号源偏移距离为27mm(大约是波长的7/32) 小提示:计算波长的方法为:300/2.437=123mm 罐头盒的改造 首先你要拿掉罐头盒的塑胶盖子,或者去掉罐头盒顶部的金属盖子.将盒中的咖啡或者奶粉取出.你要保证罐头盒边沿没有凹口,罐头盒本身是完整的.如果有凹口 你要尽量将凹口去除,保持罐头 盒边沿的平滑.虽然咖啡和奶粉末对我们的信号影响不大,但是你也要将罐头盒内部都清理干净.这个罐子整理好之后应该像这样 子.如图6 开凿一个孔洞 我们要在罐头盒中放置一个信号源,在这里我们不谈那些复杂的计算方法,我只想告诉大家信号源的形状、大小、安放的位置都是极为重要的,请大家一定要注意这 些规格参数.对于Wi-Fi无线信号源我们也不是随意放置的.信号源与天线底部的那一小段距离被叫做偏移距离,一般来说这段距离应该是"封闭空间波长"的 1/4.对于各种频率信号来说,偏移的距离也各不一样.下面的格就列出了在无线网络领域中1、6、11频道的偏移距离. 信号源类型 频道 信号频率 直径为90 mm天线的偏移距离 直径为100 mm天线的偏移距离 直径为110 mm天线的偏移距离 圆柱型或金属线型信号源 1 2.412 53 mm 45 mm 42 mm 圆柱型或金属线型信号源 6 2.437 51 mm 44 mm 41 mm 圆柱型或金属线型信号源 11 2.462 50 mm 44 mm 40 mm 楔型信号源 6 2.437 29 mm 27 mm 26 mm 在我们的这个长度为100mm内径的罐头盒中,偏移距离为27mm.你需要在距离罐头盒底部27mm的地方钻出一个孔洞用来放置信号源.如果你的罐头盒内 径不是100mm,那么你需要细心的计算出你自己的偏移距离.这个偏移的距离对最后网络信号的接收效果尤为重要. 一旦确定了偏移距离,后面的工作就比较简单了.我们可以先用笔和尺子在罐头盒上标出钻孔的位置.需要注意的是,在测量距离的时候,不要理会罐头盒底部凸唇的距离,而是要以内壁的底部为准.如图7 在钻孔的时候你要注意,钻孔的直径要略大于同轴电缆N型连接头的直径.这样以后只要稍 微用力,就能将同轴电缆的N型连接头压入罐子中.这里我使用了7mm的钻头.如图8 同轴电缆的N型连接头有很多类型,具体哪一种类型并没有关系,你可以自己选择.在这篇文章中,我使用的是一种四周带四个螺丝孔的.这样我可以用螺丝将他们固定在罐头盒上.除了刚才钻的那个孔之外,我还在它四周钻了四个小孔.如图9 选择合适的放射信号源 信号源放射体的选择也是非常重要的.它将直接连接到同轴电缆内部的导体,它是信号扩散到空间中的最终的放射源.放射体可以有很多形状,对于波导信号来说不同形状的放射源也会产生不同的效能.一般常用的放射源有三种形状:圆柱体、楔型体、圆锥体. 如图10 圆锥型的放射源是最有效率的,但它的制作工艺要求非常严格,因此实现起来也是非常困难的.而圆柱体和楔型体制作起来就比较简单了.其中圆柱体的放射体制作 起来是最为简单的,你只需要找一根粗一点的铜导线就可以了.但是圆柱体的信号的适应频率和拓展范围也是最为狭窄的.如果你使用它来制作波导天线的话,最终 的信号效率将大打折扣. 较之圆柱体来说楔型体放射源的制作会稍微复杂一些,但是它可以完全与Wi-Fi的信号频率相匹配.并且信号的效率也仅仅比圆锥体略逊一点而已.因为楔型体与圆锥体最为近似,他们的信号效率也就大致相当. 放射源的长度也是比较重要的参数,下面的表格就罗列出了各种形状的放射源的长度与所能承载信号频率的匹配关系. 放射源类型 频道 信号频率 信号波长 放射源长度 圆柱体或金属线 1 2.412 124 mm 31.0 mm 圆柱体或金属线 6 2.437 123 mm 30.7 mm 圆柱体或金属线 11 2.462 122 mm 30.5 mm 楔型体或圆锥体 6 2.437 123 mm 24.0 mm 如表格所示,我们的楔型体放射源的长度应该为24mm. 如图11,这是圆柱体与楔型体的长度示意图. 圆柱型放射源的制作 制作圆柱型放射源极为简单,只要找一个较粗的铜核心的同轴电缆就可以了.用钳子切断一节同轴电缆,使用刀片刨去外部的绝缘部分.再用尺子量出一段合适的距离. (如图12,长度为30.7mm) 在一端用钳子夹扁,以便让它能更好的焊接在N型连接头上.如图13 楔型体放射源的制作 虽然楔型体放射源的制作并不复杂,但是也需要你掌握一定的焊接技术.要想涵盖所有的Wi-Fi频段,楔型体的底部需要有1mm的宽度,即它与N型连接头焊接的地方.它的顶端宽度要达到6mm.如图14 你可以找一张铜片,然后用剪刀按照规格参数剪下一小片铜片作为放射源.如果铜片表面不 够平整的话,你可以使用锤子在其表面反复击打整平. 如图15,这是做好的楔型体放射源. 组装罐头盒天线 这是最后一步,让我们把所有的配件都组装在一起巴.首先,使用电烙铁,将楔型体放射源焊接在N型同轴电缆连接头上.注意 焊锡要均匀平整,不能因中间连接了焊锡而改变楔型体的长度.如图16 下一步,是将N型同轴电缆连接头插入罐头盒内部,将N型连接头的四角都拧上螺丝固定.如 图17 这里需要注意的是,楔型体放射源的表面要与罐头盒底部相平行.否则你的信号强度也会大 打折扣.如图18 最后,小心的拆开你的Wi-Fi 802.11x网卡,找到金属天线处然后用一根同轴电缆连接天线, 将同轴电缆的另一端与N型同轴电缆连接头相连.在这里要尽量避免天线直接裸露,街头处尽量用同轴 电缆内的屏蔽层覆盖. 如图19大功告成这就是天线最后的样子. 天线测试和总结 在做好这个罐头盒天线之后,很多人都会发问,它究竟会对Wi-Fi无线网络信号带来多大的改善呢?你可以随我作一个小试验:将一台微波炉与我们做好的天线 放置在同一张写字台上,他们之间留有50mm的距离.在微波炉中放一杯水,开启微波炉直到水被煮沸.在水被加热的过程中,你要认真观察Wi-Fi无线网络 信号的变化.如果在这个过程当中你的网络信号没有衰减,那么就证明这个天线是非常成功的.在整个制作中一定要力求精细,每个规格参数都要力求精准,这样天 线才能发挥出最大功效.以后微波炉和手机再也不会干扰你的无线网络信号了.你觉得怎么样?还不赶快亲自动手作一个. WIFI的无线天线设计 路由器端的全向天线 高增益的全向天线,可以做ET高增益天线,不过制作难度和效果也略显大些,目前做了几个ET天线,最终效果都还没达到理想要求,需要很好的计算才行.稍后发图. 路由器端的定向天线 简单实用,需要材料:奶粉盒,50欧母馈线或75欧姆同轴缆线(同轴缆线距离不能长,一般30厘米长度内效果还可以)50欧姆馈线为最佳.馈线连接头(可在电子市场买到),绝缘胶布(与铁盒接口处要包绝缘胶布) 烙铁(所有接触点都要焊接牢固) 制作这种天线,每一个细节都会影响到最终效果. 用户端的简易定向天线 对于WIFI无线信号来说,削弱影响最大的树木材质,发射影响最大的金属材质.所以用户端我们经过权衡选择如下材质. 1 抛物面:捞饺子用的抛物笊篱(15厘米直径的就可以了)10块钱左右 2 锡箔纸:4-6块钱一卷,宽度要大于15厘米. 3 无线USB网卡 4 0.5千克监控摄像头用活动支架,监控用品店可买到8块钱左右 首先取正方形锡箔纸两块对其重叠中间使用双面胶粘贴.半圆直径略小于笊篱直径,将其分成均匀8份,裁剪. 将笊篱尾把去掉与活动支架连接,然后把锡箔使用双面胶粘贴上去.经实验证明两层锡箔比一层的效果要好一些. 粘贴好后,用铁丝在网上固定出一个支架来,用于固定USB网卡的位置.在这里我们不用像接收卫星信号一样要计算仰角等参数,但仍要注意角度问题,否则反馈器的作用会适得其反. 其实我们是要明确给网卡加装反射弧的意义所在,我们并不是主要为了整强下行信号而设计的,主要考虑的是上行问题,我们可能给无线路由安装一个高增益天线, 信号能传播几公里,反过来看我们的网卡能接收到信号,但我们的网卡有这样上行发射能力吗,显然没有.所以我们做反馈主要是为了整强上行,所以焦点要对好, 对不好焦点无线网卡发送的信号90%可能被射向偏离方向,这样实际效果会比不使用反馈弧更差.所以我们要确保网卡反射的信号50%能到达路由天线区域.这 就是个微调过程. 最终实物图: 智能天线技术MIMO在广域WIFI中的应用分析 无线网络运营商极大的为无线技术提供了移动宽带接入和丰富的媒体业务,运营商对需要的网络容量,用户数据速率,距离和覆盖质量作很大的改进,面对日益竞争 激烈的运营商来说,建立和维持盈利的商业模式,多输入多输出(MIMO)智能天线技术提供的潜在性能增益的兴趣很大,为了满足技术上的挑战,带来网络的发 展,在无线局域网(WLAN)领域已经有实际应用的MIMO以及近来客户端设备技术的进步,并且这将促进广域网中的MIMO应用普及. 促使MIMO在局域网领域取得成功的许多局域网固有特性与广域网环境有着很大的区别,因此我们必须谨慎地对待这种在不同应用中的转变.在下面对广域网 MIMO应用的简要说明中,我们将重点突出干扰和有限散射特性,这二者是最重要的区别,也是实现中需要着重考虑的因素.对无线运营商来说有个好消息,即在 广域网中确实可以实现MIMO的大部分理论增益,条件是采用具有网络意识(network-aware)的解决,这样的方案能够减少多蜂窝环境中的干 扰,并保持受限散射条件下的运行稳定性.另外值得注意的是,由于无需对现有无线作任何修改就能获得这些性能增益,因此广域网中的MIMO要比一般想象 的更容易实现. 图1:在基站(BS)和客户设备(CD)之间具有两条主导传播路径的无线信道,如图中箭头所示,该信道叠加在基站标称的120?扇区传送图案上. 定义MIMO技术 由于用户端设备对成本具有较大的敏感性,因此在目前商业广域网中的智能天线配置只是在链路的基站侧使用多幅天线,而客户端设备只有一幅天线.随着改善广域 网经济的压力不断增大,以及客户端设备芯片集成度提高,以及对客户端增加智能天线处理的边缘成本的降低,运营商对在链路两端都使用智能天线的解决方案兴趣 也越来越大. 两端同时用多幅天线将可以采用许多新的传输技术,这些技术在仅单端使用多幅天线的系统中是不可行的,在大多数情况下应用这些技术将提供更多的系统性能增益. 业界对智能天线的讨论,包括对用于各种不同实现中的术语有完全不同的定义,因此有必要简要介绍分类适用方法.先来看最简单的例子,考虑在链路的每端都只有 一幅天线的某个系统,虽然信号向所有方向(一般在120?扇区内)发送,但某个具体的无线信道可能只有两条主导路径,如图1所示.本文所示例子是一个高位 基站与一个路面的低位移动手机(更广泛地说是"客户设备",因为有可能是移动计算平台)之间的通信,大部分接收信号来自于邻近建筑物的反射.这是一个单输 入单输出(SISO)的信道.[注:在无线通信领域中所说的术语"输入"和"输出"是针对信道本身而言的,并非以信道两端的设备为参考] 本文讨论的是最简单的,也是目前最常见的智能天线.如果接收器有一幅以上的天线,那么它能智能地组合来自不同天线接收到的信号,并识别出信号确实是来自两 个主要方向.它具有这个功能的原因是因为两条路径有不同的空间特性(spatial characteristic)或不同的空间特征(spatial signature). 由于接收器能识别这两种不同的空间特征,因此它能组合来自两个天线的信号,并将二者累加起来形成更强的组合信号.这种方式被称为单 输入[到信道1]多输出[自信道1](或SIMO)方式,这就是有名的接收器分集方案.接收分集技术被广泛用于2G和现在的3G蜂窝网络的链路基站侧. 反过来,如果发送器有多幅天线,而接收器只有一幅天线,信号将仍沿相同的路径传播,因为物理环境没变(建筑物仍在那儿).这种传播方式称为多输入单输出 (MISO)方式.与SIMO相比,MISO的最大不同在于信号组合必须在发送端完成,而不是在接收端.通过仔细调整发送天线,两条路径能够以与SIMO 相同的方式完成叠加.这种方法被广泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系统,这种系统的基站侧有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和发送 (工作在MISO模式)的天线. 在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式.在这种情况下,可以更高效地使用这两条路径,如图2所示.发送器可以通过调整它的天线以让图2中蓝色所示 的信息流沿第一条路径(也就是空间特征)发送,而橙色所示的另外一条信息流沿另一条路径发送.因为接收器也有多幅天线,因此它可以通过检测不同的空间特征 把两条流分开来.在这种情况下,发送器可以发送两个完全不同的数据流,从用户看来相当于将数据速率提高了一倍.与单独的MISO或SIMO处理相比,这种 方式在最佳状态下具有材料上的优势,这种MIMO优势的取得不需要增加额外的带宽和功率.一般会降低单天线链路性能的多径传输在MIMO方式中反而会提高 信道效率和质量. MIMO系统能够利用多径传播的前提是在传播环境中存在这些空间维数,对这一点的理解非常重要.在图2中,一共有4幅天线,但只有两条主导路径.在这种情 况下即使有4幅天线也只能形成两 条数据流.因此MIMO性能与系统应用环境中多径的丰富程度密切相关.幸运的是,在许多环境中存在足够多支持多个并行数据 流的散射和多径传播. 信息理论的研究表明,如果链路两端都使用多幅天线,那么代表了数据速率上限的系统容量将随天线数量的增加而呈线性增长(在确定的信道前提下,并保持整体功率不变).具有相同数量发送和接收天线的不同MIMO系统的理论容量如图3所示,8×8 图2:具有两个主导传播路径的通信信道在MIMO方式下可以使用户数据速率加倍.值得注意的是,多天线处理可以完成波束整形,从而使信号沿着感兴趣的信道传播,而另外一个主导信道上不传信号. MIMO系统(即链路的每端有8幅天线)的容量最多可以达到单天线系统容量的8倍.考虑所有的网络的运营和资本开支,MIMO技术提供的性能和经济效益要 比单天线系统高出许多.特别是对于高数据速率的业务,比如真正的宽带接入、IPTV和大型文件传输,在这些应用中受限的带宽会引起严重的问题,而MIMO 技术则是很有前途的一种解决方案. 图3的预测值只表征了理想系统的性能极限.信息理论对如何达到这些极限值没有提供太多的实用性指导意见,实际系统面临着如何充分利用信道提供的空间维度的挑战.大体上有三种主要推荐的信道利用方法,前两种方法着重单条链路的性能,第三种着重整个网络性能: 1. 提高数据速率 上文讨论的技术(如图2中所示)通常称为空间复用.对于有丰富散射环境的信道来说,通过在每幅天线上发送独立的信息流可以提高数据速率,使用较为成熟的接 收器技术可以将不同的数据流分离开来并进行单独解码.例如使用4幅发送和4幅接收天线的系统容量将达到单天线系统的4倍. 2. 通过分集技术改善服务质量 相反,如果在多幅天线多个符号(symbol)上发送相同的信号,那么就可以改善传输的可靠性,而不是提高数据速率.实际上在不同天线和不同时间点发送多 份信号拷贝的这种技术提供了空间-时间的分集.同时在空间和时间上传播或编码信息符号的技术被称为空间-时间编码技术. 3. 通过减轻干扰获得更高的数据速率和更好的服务质量 MIMO系统中利用空间维度的另外一种适合更多干扰环境的方法是优化整个系统中的射频能量分布,尽量减少网络中共信道干扰的产生和敏感度.本文最后部分将 详细讨论这种方法.利用更高的SINR(更高的SINR可实现更高的调制等级,因此链路可达到更高的数据速率)和经典分集(可增加链路稳定性),这种方案 可以提供更高的数据速率和更具鲁棒性的链路.就像在MISO系统中,基站用多个空间信道来实现客户设备一致的组合能量那样,这些信道被客户端用来改善这些 空间'方向'中的有效灵敏度(像SIMO系统那样),降低基站发送所需的功率.相反的过程在上行链路上完成.基站和客户设备通过自动一致地运行降低系统中 的干扰水平.就像后文所要讨论的那样,整个网络性能是广域网系统优化的关键方面,而降低干扰是提高宽带网络性能的主要驱动力. 全球的研究实验室业已证明MIMO技术在早期的无线局域网应用中的实际可行性,其系统容量非常接近实验室中同时使用空间复用和空间-时间编码技术所能达到 的理论预测值.由于在最初应用中获得了巨大性能增益,MIMO技术很快走出实验室,并应用于实际的WLAN产品中. MIMO早期在WiFi上取得的成功 宣传最多的MIMO实现是在固定的无线局域网环境中,在这种环境中MIMO的最大好处是提高了单个用户设备的吞吐量.特别是家庭和企业级WLAN所具有的多个特性使它们成为最早采纳MIMO的理想候选网络,这些特性包括: 1. 丰富的散射 大多数WiFi系统都处在有大量散射条件的环境中,如室内或密集的城市建筑物间.在这些环境中通常有多条传播路径或空间维度可用来形成多个流.事实上,室内环境与获得图3所示的容量随天线数量增加而呈线性增长所需的条件非常相似. 2. 独立部署 获得快速部署的一个重要因素是WiFi设备通常是最终用户自己购买的,并且在他们自己的网络中是独立部署的.不同MIMO WiFi解决方案的互操作性并不成问题,就像IEEE 802.11n产品在公共MIMO获得一致意见之前取得成功所表明的那样,允许快速部署MIMO技术,不需要等到标准的统一. 3. 有限的干扰 同样关键的是WiFi环境非常接近研究MIMO技术的理论假设.由于WiFi网络的短距离和动态信道分配特性,MIMO接收器一般工作时没有很大的共信道干扰.如果工作在没有补偿的共信道干扰环境中,这些解决方案的性能会很快下降. MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潜在性能改善是真实的.从实验室结果到实际的WiFi产品只用了短短几年的时间,这一事实对广域网无线网络运营商来说意味着再次取得成功的机会非常大. 广域网所面临的挑战 使MIMO在WiFi产品中得到成功应用的性能优势同样使MIMO成为广域无线移动环境中的一种可能的技术选择.然而,移动、多蜂窝环境与WiFi射频环境在某些方面有本质的区别,因此移动环境面临诸多配置方面的挑战. 图3:具有N幅发送和接收天线的MIMO系统在保持总发送功率不变的条件下理论平均容量相对信噪比(SNR)曲线. 1. 干扰 由于采用密集的和大蜂窝部署方式,广域环境中的干扰特别严重.在这种环境中,干扰抑制和大吞吐量性能都是必需的.因此,为了将MIMO在WLAN的成功应用经验推广到广域网和移动宽带数据业务,必须采用新的MIMO解决方案,并且要兼顾干扰和数据速率. 2. 有限散射 在某些情况下,广域散射环境只能有一条或两条主导路径.例如,如果是视距(LOS)传播,那么就只有一条主导传播路径,也就限制了空间复用技术的使用. 3. 互操作性 在广域网络中,所有用户都需要无缝地通过大型网络(跨越地区和运营商)与基站进行通信,因此必须支持互操作性.像上述使用空间复用或空间-时间编码技术的 解决方案需要修改协议,因此会极大地增加广域网中的MIMO解决方案产品的面市时间.例如,接收器需要知道发送器使用的空间-时间代码才能正确地对数据解 码.将MIMO纳入移动系统的工作已经在多个标准化组织中展开,比如IEEE 802.16e标准,但具有鲁棒性的商用产品仍需相当一段时间才能正式上市. 这些因素使得在广域网中采用MIMO会比WiFi面临更多的挑战,需要采用能够解决大型多蜂窝网络特有属性的新解决方案.MIMO在广域网中的成功实现将取决于下面两个关键属性: 干扰抑制.在广域网中为了减少干扰,至少要部分使用通过链路两端的天线阵列获得的更多自由度.与只在单端进行干扰抑制的系统相比,在发送器和接收器端同时进行干扰抑制可以显着地减少网络干扰. 鲁棒性解决方案.需要开发出能够解决主导传播路径数量有限的方案,即使在有限散射的信道中,通过发送器和接收器端组合信号仍可以获得显着的性能增益.最近 的研究表明,即使是只有一条主导传播路径的信道(也称为锁眼信道,key-hole channel),在链路两端同时使用智能天线技术仍能获得可观的性能增益. 用于广域网的MIMO 不需要修改已有协议,也不用等到新协议完成就能在现有广域网中获得显着的MIMO增益.基站采用自适应阵列处理技术、移动终端采用类似处理技术即可获得明 显的性能改善,这就是上文提到的第三种基本MIMO方法.事实上,理论研究也指出,这是在广域网中最常见的多信道条件下所采取的最佳方法.同时增强信号强 度和干扰抑制性能对推进广域网的发展、支持运营商越来越高的带宽和多媒体业务目标显得尤为重要. 下面介绍能够平衡干扰抑制和吞吐量的解决方案.基站通过计算天线阵列的组合权重尽量减少基站方面的干扰.同样,移动终端使用它的天线阵列减少手机方面的干 扰.由于在基站或客户设备上都不需要特殊的链路编码,因此MIMO处理的实现和操作可以完全独立于每个设备.结果将形成一个自组织和自优化的系统,它能连 续适应变化的干扰环境和用户不断变化的业务需求.由于这种MIMO方法中链路两端设备是互相独立的,因此即使在不同种类网络或正在升级变化中的网络(不是 所有基 站和客户设备都装备有多幅天线的网络)条件下也能提供优异的性能.单天线终端可以使用SIMO(发送中)或MISO(接收中)信道简单地加入这样的 网格,并与多天线终端一起工作.这种干扰最小化MIMO技术所带来的总体网络性能将随着系统中多天线设备的增多而日益增强. 本文小结 MIMO技术提供的性能增益为推动无线通信的下一步发展提供了极具前景的动力.为WiFi市场和广域网提供性能增强的MIMO设备不久就会上市.然而,广 域移动无线系统中的射频环境与WiFi完全不同,干扰是最大的挑战.幸运的是,现在已经有了基于自适应天线处理技术的广域网MIMO解决方案,能够在单天 线系统中提供巨大的性能增益.这些解决方案通过多幅天线和信道内部固有的空间维数可以完全满足干扰和吞吐量要求.而且大部分增益性能可以在不修改协议的条 件下实现,相信在不远的将来这些解决方案很快会得到广泛应用.因此,广域MIMO应用可能要比想象的更容易实现.
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