智能天線為無(wú)線局域網(wǎng)添加精彩

擁有固定波束和自適應(yīng)天線陣的智能天線能夠?yàn)閃LAN（無(wú)線局域網(wǎng)）提供范圍擴(kuò)大、多徑分集、干擾抑制和增加的容量等功能。

隨著基于IEEE 802.11b（Wi-Fi）標(biāo)準(zhǔn)的廉價(jià)的、每秒速度達(dá)11MB的高性能產(chǎn)品的深入普及，WLAN已經(jīng)成為家庭和企業(yè)不可分割的一部分。僅舉幾個(gè)例子：無(wú)論你在家里、辦公室、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)上和零售商店中，到處都有可以接入WLAN的接入點(diǎn)。

WLAN爆炸式增長(zhǎng)

WLAN技術(shù)爆炸式增長(zhǎng)的原因在于那些目前可以買(mǎi)得到的使用方便的設(shè)備。廠商直接把Wi-Fi技術(shù)作為便攜式計(jì)算機(jī)和通信器等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置也推動(dòng)了WLAN技術(shù)的增長(zhǎng)。無(wú)數(shù)的報(bào)告詳細(xì)介紹了WLAN和Wi-Fi的增長(zhǎng)，所有的跡象都表明要繼續(xù)推進(jìn)移動(dòng)性和無(wú)線連接性的發(fā)展。

然而，盡管WLAN看起來(lái)無(wú)處不在并且非?，F(xiàn)實(shí)，但是，許多因素限制了無(wú)線通信系統(tǒng)的性能和容量。這些因素包括：有限的頻譜、時(shí)延擴(kuò)展、同信道干擾和多徑衰減。這些因素將導(dǎo)致最終用戶(hù)會(huì)遇到整個(gè)音域的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題，包括從根本就沒(méi)有聲音到極快的傳輸速度等許多問(wèn)題。最終用戶(hù)可以在距離接入點(diǎn)很遠(yuǎn)的地方使用這個(gè)技術(shù)，可以在一個(gè)墻的后面、在一個(gè)“死角”或者使用一臺(tái)筆記本電腦工作。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)管理員經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)WLAN在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往達(dá)不到預(yù)期的傳輸距離。

市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)資料往往都是根據(jù)廠商在理想環(huán)境中的技術(shù)規(guī)范編寫(xiě)的。例如，一家廠商可能會(huì)指出，這個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的傳輸距離是300英尺。然而，正如常識(shí)顯示的那樣，墻壁、桌子和文件柜等障礙物都可以減少無(wú)線通信在某個(gè)方向的傳輸距離，使無(wú)線通信在一些方向的覆蓋范圍不一致。

智能天線來(lái)解決問(wèn)題

為了解決這個(gè)問(wèn)題，克服老式產(chǎn)品中缺陷的一個(gè)技術(shù)就是采用一種新的劃算的智能天線技術(shù)。智能天線能夠壓制干擾信號(hào)、抗信號(hào)衰減和提高信號(hào)傳輸距離，從而提高無(wú)線系統(tǒng)的性能和容量。雖然智能天線改善了WLAN的性能，但是，各種空間處理技術(shù)在各種類(lèi)型的系統(tǒng)中有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，因此，全面了解各項(xiàng)技術(shù)是非常重要的。

智能天線一般定義為多波束天線或自適應(yīng)陣天線，能夠跟蹤用戶(hù)在環(huán)境中的移動(dòng)，還能夠跟蹤環(huán)境的變化。

多波束天線--多波束（相位陣列）天線組成幾個(gè)窄波束并且使用波束選擇器選擇向信號(hào)功率最強(qiáng)的接收方傳輸波束。

自適應(yīng)天線陣--這種信號(hào)由幾個(gè)天線單元接收，每一個(gè)單元都采用相同的天線模式，接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)和結(jié)合在一起之后組成輸出的信號(hào)。

多波束天線的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，因?yàn)椴ㄊ尚纹魇枪潭ǖ?。這樣，波束選擇每隔幾秒鐘才需要進(jìn)行一次以便解釋用戶(hù)的移動(dòng)，而自適應(yīng)天線陣必須計(jì)算復(fù)雜的波束成形加權(quán)，計(jì)算速度之快至少要超過(guò)信號(hào)的衰減率。這就意味著每個(gè)普通用戶(hù)僅占用幾赫茲的頻率。

這兩種智能天線都能夠通過(guò)提供更高的天線增益顯著地改善無(wú)線系統(tǒng)的性能。這兩種技術(shù)的關(guān)鍵區(qū)別在于多波束天線僅在視距系統(tǒng)中提供M（本文中的“M”是指天線單元或者智能天線中波束的數(shù)量）增益。在非視距系統(tǒng)中，例如在室內(nèi)環(huán)境或者具有很多多路徑戶(hù)外環(huán)境中，接收的信號(hào)可以通過(guò)許多路徑和角度到達(dá)。因此，這種信號(hào)能量也許不是集中在一個(gè)波束。于是，增益將減少。

然而，自適應(yīng)天線陣無(wú)論在什么環(huán)境（視距或者多路徑）下都能夠達(dá)到全面的M增益。自適應(yīng)天線陣還提供M倍的分集增益（本文將詳細(xì)介紹這個(gè)問(wèn)題）以緩解多路徑衰竭的影響。多波束天線不能提供這種好處。最后，通過(guò)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上都使用M自適應(yīng)天線，MIMO（多入多出）技術(shù)還可以用來(lái)將數(shù)據(jù)數(shù)率提高M(jìn)倍。這是為下一代WLAN的IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)提出的建議。在這個(gè)提議的標(biāo)準(zhǔn)中，很可能讓兩個(gè)或者兩個(gè)以上的收發(fā)天線與MIMO技術(shù)一起使用以提供每秒100MB以上的數(shù)據(jù)傳輸速率（某些802.11n建議考慮數(shù)據(jù)數(shù)率超過(guò)每秒500MB）。

自適應(yīng)天線陣的益處

對(duì)于為多徑衰落提供分集增益的自適應(yīng)天線陣來(lái)說(shuō)，每個(gè)天線單元的衰落應(yīng)該是接近獨(dú)立的。然而，各個(gè)天線衰落的相關(guān)性在性能下降超過(guò)1dB之前最高可達(dá)0.7dB。實(shí)際上，這種相關(guān)性能夠很容易地保持在這個(gè)水平之下，可采取如下分集措施：

·空間分集--將天線從空間上隔開(kāi)。在一個(gè)嚴(yán)格的多經(jīng)環(huán)境中，例如在室內(nèi)和手機(jī)附近，僅需要 λ/4的空間就可獲得低衰落相關(guān)性。

·極化分集--使用雙極化（水平和垂直）能夠讓一個(gè)物理天線用于雙信號(hào)輸入（每一個(gè)極使用不同的傳輸方式）。

·方向圖分集--使用配置方向圖的天線單元。

這三種分集方式的結(jié)合能夠允許在PCMCIA卡或者手機(jī)等小型設(shè)備上使用大量的天線，而且性能比較理想。

自適應(yīng)天線陣還有很多技術(shù)組合。最簡(jiǎn)單和最普通的（多數(shù)用于802.11b系統(tǒng)，許多用于802.11a/g系統(tǒng)）組合是選擇分集。在這里，可選擇信號(hào)接收能力最強(qiáng)的天線用于輸出的信號(hào)。目前，這種技術(shù)應(yīng)用于許多WLAN接收機(jī)中。然而，這個(gè)技術(shù)不使用全部的接收的信號(hào)功率，因此，在改善一個(gè)天線的分貝增益方面的作用是有限的。

用于增加信號(hào)傳輸距離和提高覆蓋均勻度的最佳技術(shù)是MRC（最高比結(jié)合）。使用這種技術(shù)，每一個(gè)天線的信號(hào)都要經(jīng)過(guò)加權(quán)處理并且合并在一起以便最大限度地提高輸出信噪比。然后，這種波束賦形加權(quán)將是信道傳輸特點(diǎn)的復(fù)雜的結(jié)合。也就是說(shuō)，接收的信號(hào)是同相位的，信號(hào)增益要根據(jù)接收到的信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)技術(shù)能在瑞利衰減（Rayleigh fading）環(huán)境中以M分集增益的方式提供M增益。需要指出的是，產(chǎn)生這種波束賦形加權(quán)的一個(gè)方法是簡(jiǎn)單地把輸出信號(hào)與每個(gè)天線接收的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)。這種方法也被稱(chēng)作盲技術(shù)，因?yàn)樽赃m應(yīng)天線陣基本上把接收到的全部信號(hào)的信噪比都提高到最大的程度。這個(gè)好處是同樣的波束成形器能夠用于任何類(lèi)型的無(wú)線信號(hào)，如802.11b/g/a，而且不需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

在多徑環(huán)境中，當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間各種路徑上出現(xiàn)的傳播延遲的差異相當(dāng)于符號(hào)周期的時(shí)候，頻率選擇性衰落將導(dǎo)致符號(hào)間干擾，從而降低性能。為了克服這種損失，一般可以使用暫時(shí)均衡或者正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。這兩種技術(shù)已經(jīng)以不同的方式在802.11設(shè)備中應(yīng)用了。在這種情況下，空間處理（也就是以前所說(shuō)的自適應(yīng)天線陣）之后的暫時(shí)均衡和OFDM調(diào)制并不是最佳方案。要得到最佳性能，需要聯(lián)合使用空間-暫時(shí)處理的方法。不過(guò)，如果延遲擴(kuò)散的范圍很小，使用前面提到的技術(shù)通常也可以達(dá)到接近最佳的性能。

模擬或者數(shù)字處理智能天線的加權(quán)與結(jié)合以及加權(quán)的形成可以通過(guò)模擬或者數(shù)字處理的方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于數(shù)字處理，每一個(gè)天線接收的模擬信號(hào)都要降頻轉(zhuǎn)換到基帶上，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。接下來(lái)使用數(shù)字化的信號(hào)計(jì)算加權(quán)，這些數(shù)字信號(hào)將被結(jié)合在一起以生成用于信號(hào)調(diào)制的數(shù)字輸出信號(hào)。

使用模擬處理，接收到的RF（射頻）信號(hào)將被加權(quán)（也就是相位轉(zhuǎn)換和增益調(diào)整），然后在RF頻道中結(jié)合在一起產(chǎn)生一個(gè)RF輸出信號(hào)。在這種情況下，通過(guò)把降頻轉(zhuǎn)換到基帶上的信號(hào)與輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)能夠計(jì)算出這種加權(quán)。這種關(guān)聯(lián)采用模擬方式或者模擬-數(shù)字方式以及數(shù)字電路的方式都可以實(shí)現(xiàn)。需要指出的是，為加權(quán)和結(jié)合進(jìn)行的數(shù)字信號(hào)處理比模擬信號(hào)處理更容易。但是，需要若干臺(tái)價(jià)格昂貴的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。為加權(quán)處理實(shí)施的數(shù)字處理也很容易進(jìn)行，但是，在加權(quán)計(jì)算中有延遲時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。

智能天線應(yīng)用的方法

目前802.11的三個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)是802.11b、802.11g和802.11a。所有這三種技術(shù)都使用時(shí)分雙工技術(shù)。這種技術(shù)是同一個(gè)頻率既用于傳輸也用于接收。

要在802.11技術(shù)中采用智能天線，一個(gè)方法是完全重新設(shè)計(jì)802.11收發(fā)器，讓智能天線處理成為這種收發(fā)器的組成部分。這種方法能夠使若干天線得到優(yōu)化的性能改善，以及得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)。不利的因素是，這種方法有下列潛在的缺陷：

·可能需要重新設(shè)計(jì)--每一家芯片廠商都可能需要進(jìn)行重大的重新設(shè)計(jì)工作，而且在芯片制作完成之前還不能完全確定是否得到了理想的增益。

·大范圍增加成本--重新設(shè)計(jì)會(huì)大范圍增加用于智能天線增益的802.11芯片組的成本。而所有的用戶(hù)也許不會(huì)認(rèn)同這個(gè)價(jià)值。在一個(gè)價(jià)格敏感的市場(chǎng)，任何非物有所值的提高成本都會(huì)導(dǎo)致銷(xiāo)售失敗，失去消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)。消費(fèi)者也許不完全了解或者不明白他們是否需要智能天線的增益。消費(fèi)者只是根據(jù)價(jià)格購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品。為了避開(kāi)這種風(fēng)險(xiǎn)，芯片廠商可以生產(chǎn)兩種版本的芯片：一種芯片有智能天線功能，一種芯片沒(méi)有智能天線功能。如果芯片廠商生產(chǎn)這兩種版本的芯片沒(méi)有把產(chǎn)量提高一倍，芯片廠商就會(huì)有失去價(jià)格優(yōu)勢(shì)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)閮r(jià)格優(yōu)勢(shì)來(lái)自于產(chǎn)量。產(chǎn)量是半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)成功的關(guān)鍵。

為消費(fèi)者提供的無(wú)線系統(tǒng)替代產(chǎn)品--已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了沒(méi)有智能天線的WLAN產(chǎn)品后來(lái)又發(fā)現(xiàn)自己需要這種功能的消費(fèi)者可能需要更換他們的接入點(diǎn)和客戶(hù)卡，或者兩者全部更換。

智能天線對(duì)于改善WLAN性能的好處是非常明顯的。因此，找到一種劃算的方法把智能天線集成到WLAN中是非常重要的。把智能天線用于802.11系統(tǒng)中的更好的方法是采用信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器。這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器能夠在802.11標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)無(wú)縫增強(qiáng)智能天線的功能。這種方法能夠向現(xiàn)有的收發(fā)器芯片提供更好的RF信號(hào)，而收發(fā)器只需要做很小的修改，或者不需要修改。

這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器（使用四個(gè)天線）的應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)圖2。這種信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器接收來(lái)自這個(gè)接收天線的4個(gè)信號(hào)，然后把這些信號(hào)結(jié)合在一起生成一個(gè)傳輸給接收機(jī)的輸入信號(hào)。接下來(lái)，這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器連接到在天線端口的現(xiàn)有的收發(fā)器以提供更好的接收的信號(hào)，并且更有效地傳輸信號(hào)。

正如上面討論的那樣，智能天線應(yīng)該是一個(gè)自適應(yīng)性天線陣，而不是一種多波束天線。因此，一個(gè)天線陣增益（4個(gè)天線6dB）在所有的環(huán)境中以及在多徑環(huán)境的分集增益中都可以實(shí)現(xiàn)。任何類(lèi)型的分集天線都可以同這種系統(tǒng)一起使用。例如，4個(gè)天線可以在現(xiàn)有的PCMCIA卡（這種卡目前一般使用2個(gè)天線）上組成兩個(gè)雙極化天線。由于智能天線的好處是能夠增加單個(gè)天線本身的性能，因此，4個(gè)物理天線可以是任何類(lèi)型的和具有任何性能。

用于信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器的一個(gè)技術(shù)是盲MRC（最高比結(jié)合）。這種技術(shù)可用于802.11b、802.11g和802.11a。只要在收到信號(hào)之后在2 μs之內(nèi)按照這種算法計(jì)算出加權(quán)就可以了，因?yàn)檫@是在802.11a/g網(wǎng)絡(luò)中分配給天線選擇的時(shí)間。這種短暫的加權(quán)獲取時(shí)間需要使用模擬處理。

重要的是需要指出，在信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器中使用模擬處理意味著只有空間處理是可行的。這將導(dǎo)致在數(shù)字時(shí)空處理方面出現(xiàn)時(shí)延擴(kuò)展的性能降低問(wèn)題，但是，這種性能降低即使在有嚴(yán)重的時(shí)延擴(kuò)展的室內(nèi)環(huán)境中一般也只有幾分貝。使用成本較低的模擬處理意味著有可能使用更多的天線（性能更高的天線）。

雙向性能問(wèn)題

因?yàn)?02.11使用時(shí)分雙工，如果同一個(gè)天線用于傳輸和接收信號(hào)，具有同樣的加權(quán)，只要有一臺(tái)設(shè)備中有信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器，就能夠在兩個(gè)方向都獲得同樣的性能。惟一的要求是頻道不能在接收和傳輸之間變化，每個(gè)接收機(jī)鏈以及發(fā)射機(jī)鏈的相對(duì)延遲和增益必須是相同的。然而，由于傳輸功率放大器有最大功率限制，在這種限制之下，使用僅用于接收加權(quán)的相位就可以達(dá)到最佳性能。這種類(lèi)型的信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器是完全符合標(biāo)準(zhǔn)的，在客戶(hù)端或者接入點(diǎn)的任何一點(diǎn)采用這種方法都可以改善任何802.11系統(tǒng)的性能。

信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器以接收模式運(yùn)行，在檢測(cè)到接收的信號(hào)之前調(diào)整加權(quán)（這時(shí)候，加權(quán)將被凍結(jié)，以便把加權(quán)功能對(duì)收發(fā)器的影響減到最?。?。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包的結(jié)尾時(shí)，加權(quán)恢復(fù)調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到來(lái)自收發(fā)器的傳輸信號(hào)時(shí)，接收機(jī)將關(guān)閉，發(fā)射機(jī)將打開(kāi)。

雖然使用的傳輸加權(quán)應(yīng)該是采用單個(gè)客戶(hù)卡和接入點(diǎn)計(jì)算的最后接收加權(quán)，但是，在多個(gè)客戶(hù)的情況下一般都不是這樣。

在這種情況下，需要用MAC信息識(shí)別誰(shuí)傳輸?shù)哪莻€(gè)已經(jīng)計(jì)算了加權(quán)的信號(hào)，并且識(shí)別出這個(gè)傳輸?shù)男盘?hào)是發(fā)給誰(shuí)的（也就是說(shuō)使用了什么加權(quán)）。這需要一個(gè)加權(quán)表以及來(lái)自收發(fā)器的控制信號(hào)。在接入點(diǎn)（沒(méi)有電池壽命問(wèn)題的接入點(diǎn)）的一種替代的方法是使用一個(gè)旁路功率放大器，其信號(hào)天線傳輸足夠的功率以補(bǔ)償智能天線（較低的客戶(hù)傳輸功率）的接收增益。在這種情況下，上行鏈路和下行鏈路能夠提供同樣的傳輸距離（盡管沒(méi)有多路徑削減和存在來(lái)自接入點(diǎn)的較高的干擾）。

結(jié)語(yǔ)

總之，智能天線技術(shù)給WLAN帶來(lái)的好處能夠迅速融入現(xiàn)有的和未來(lái)的采用信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器的產(chǎn)品中。擁有一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器，智能天線投資可以保證全面兼容802.11標(biāo)準(zhǔn)，兼容任何收發(fā)器芯片組，實(shí)際上可以達(dá)到“即插即用”并且可用于訪問(wèn)接入點(diǎn)和客戶(hù)設(shè)備。一旦準(zhǔn)備就緒，智能天線技術(shù)能把傳輸距離提高4倍，數(shù)據(jù)吞吐量提高100%以上，消除死角和把傳輸過(guò)程中的功率消耗減少90%。

把智能天線和信號(hào)轉(zhuǎn)換附加器結(jié)合在一起能夠讓你更省錢(qián)，效率更高，幫助你把產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)并且為你的客戶(hù)提供他們希望WLAN能夠給他們帶來(lái)的性能和距離。