选择Wi-Fi天线时应考虑什么

天线是包括Wi-Fi在内的所有无线通信应用中链接预算的重要组成部分。在无线通信中,天线的性能和链路的预算问题很多,除此之外,还有总体的建筑挑战。架构选择是这个常见问题的焦点,包括:长途与本地Wi-Fi,以及定向与使用。全方位天线,多路径环境中天线的选择,多天线的使用如何提高Wi-Fi路由器的性能,以及无线网络中波束形成的演变和使用。

Wi-Fi通常被认为是一种用于建立本地网络的短距离无线通信技术。但是如果使用正确的天线,Wi-Fi信号可以达到15公里(9英里以上)。Wi-Fi信号可以穿过薄壁或孤立的植被,但不能通过大型建筑或树木林立。此外,由于障碍造成的信号损失,传输可能会受到数据包损失和信号强度随距离的增加而减小的影响。长距离发送Wi-Fi信号有三个一般要求:

· 需要在发射和接收天线之间没有障碍的直接视线连接。

· 通常来说,发射和接收天线最好是在同一个水平面上,或几乎相同的水平面上。

· 需要在发射和接收端使用定向天线。孔径角较小的天线需要更精确的方位,但可以在更长的距离传输。

长距离Wi-Fi有多种天线选择,在孔径角和传输距离之间进行权衡 (Figure 1). 面板天线是最容易使用的,不需要精确的校准。一个小型面板天线可以达到300米以上,因为它有一个开放的角度。更大的面板天线与更小的孔径可以发射800米或更多。Yagi和抛物面天线的孔径更小,可以在1到15公里之间传输,但它们必须尽可能精确地排列。

图1:具有典型覆盖(度)和典型传输距离的定向Wi-Fi天线(从顶部;室内面板、室外面板、Yagi天线和抛物面天线)的比较。八木和抛物面是户外使用的。

多路径环境中的天线多样性

天线多样性一般是指每个无线电使用两个天线,增加了其中一个接收到更好信号的可能性。天线必须分开,但在每个位置相等。多样性解决了多路径环境中无线网络所面临的挑战。天线在物理上相互分离,以确保每个天线都遇到不同的多路传播效果。信号无效点分布在多路径环境中。在某些情况下,有必要将天线移动到周围,以避免这些空点,并使充分的接收成为可能。多样性的目的是通过最小化删除的数据包的数量来最大化吞吐量。

传输波长随频率变化,并决定射频波的反弹方式,它的传播距离和空(s)发生的地方。5千兆赫波长约6厘米(2.36英寸),2.4千兆赫波长约12.5厘米(4.92英寸)。延迟扩展是衡量多路径性能的一种手段,定义为主信号到达与最后反射信号到达之间的时间。延迟的数量与网络的环境和规模有关.对于住宅来说,通常在50nn以下;在办公室,可以是100nn,在制造和仓库环境中,可以是300nn或更多 (Figure 2) .

图2:延迟扩展是衡量多路径性能的一个尺度,在大的制造环境中,它的范围从居住环境下的50个NS到300多个NS不等。

多径信号具有良好的射频信号强度,但信号质量较差。在一个典型的天线多样性应用中,每个接入点从两个传输天线中提取信号,并使用信号强度和质量的最佳组合。天线多样性并不意味着扩展Wi-Fi路由器的覆盖范围或带宽,而是通过消除多路径失真和信号空档来提高覆盖。

空间是天线多样性设计中的一个重要考虑因素.例如,由于2.4千兆赫的波长大约为12.5厘米,因此天线应放置在12.5厘米的距离上。如果天线被超过或小于12.5厘米的天线隔开,则每个天线的覆盖面积不同。如果覆盖面太不同,天线多样性的好处就会丧失。

更多天线有更多性能

虽然天线多样性依赖于两个天线的使用,但许多Wi-Fi路由器有三个或更多天线。天线多样化的目的是通过消除多径失真和信号空档来提高覆盖面;使用三个或更多天线可以提高传输的速度和可靠性。

例如,有三个发射天线和三个接收天线的基站被称为3×3多输入/多输出(MIMO)配置。3x3MIMO实现可以通过三个通道发送和接收数据,将路由器的有效吞吐量乘以三倍。其他常见的Wi-FiMIMO配置包括2×2MIMO、4×4MIMO和6×6MIMO.

MIMO要求接收设备也支持使用多个天线的多个数据流。路由器上天线的数量不一定与MIMO配置直接相关。有些路由器有8个天线,但只支持3×3MIMO;其他天线用于天线多样性或波束形成。

Wi-Fi5和6的波束形成

波束形成是另一种在无线网络中提供更高吞吐量的技术。为了实现波束形成,路由器识别请求数据的设备的位置,它不向所有方向广播数据,而是直接在请求设备上传输更有针对性的数据流 (Figure 3) .虽然波束形成是移动通信中的一项相对较新的要求,特别是在5G中,但它已经在Wi-Fi网络中使用了许多技术世代。

图3:与全向射频传输(左)相比,波束形成检测接收设备的位置,并向其(右)提供一个焦点数据流。

波束形成第一次出现在Wi-Fi路由器在临时的基础上,引入了802.11n,也称为Wi-Fi4,支持MIMO操作。实现波束形成需要MIMO。由于802.11n没有指定如何实现波束成形,每个供应商都开发了专有波束成形实现。这些专有设计要求路由器和端点接收卡来自同一制造商。这一要求极大地限制了波束形成技术的早期应用。随着Wi-Fi5的出现,情况发生了变化。

Wi-Fi5(802.11AC)包括第一套指定的无线网络设备波束形成技术。波束形成并不是Wi-Fi5路由器的要求,但是它是供应商中立的和可互操作的。Wi-Fi5的波束形成是为了帮助最大限度地利用路由器上的天线资源而设计的。为了实现这一点,它增加了对多用户MIMO(MMIMO)的支持,使路由器能够同时向多个端点发送信号。向每个端点发送方向信号,形成波束,防止端点之间的信号干扰。Wi-Fi6(802.11AX)标准增加了同时支持的MMIMO用户的数量,也使波束形成成为可能。

当路由器和端点都支持Wi-Fi5或Wi-Fi6时,就会出现明显的波束形成。在这种情况下,通信从"握手"开始,使两个设备能够建立各自的位置和用于数据传输的通道。

对于支持Wi-Fi4或更早版本的端点,波束路由器可能仍然试图锁定这些设备,但没有端点的握手。这被称为隐式波束形成或通用波束形成,理论上与任何Wi-Fi端点一起工作。没有握手,路由器可能无法精确定位端点。

隐式波束形成的效用有限,许多Wi-Fi6路由器将其作为一个功能,可以根据需要打开或关闭。如果Wi-Fi网络主要由固定端点组成,则隐式波束形成可能有助于提高性能。平板电脑和移动电话等设备可能会因为隐式波束形成而经历连接下降或性能下降,可能需要关闭才能获得最佳的网络性能。

总结

虽然通常被认为是相对较短的无线技术,但只要选择适当的天线,15公里以下的长距离Wi-Fi传输是可能的。Wi-Fi天线选择的重要性延伸到了多路径环境中,两个天线可以提高网络的可靠性。多天线可用于MIMO安装,以提高Wi-Fi路由器的性能。显式和隐式波束形成的实现可以进一步提高Wi-Fi网络的数据传输能力。