wi-fi產品中的天線問題

yms0201

小弟目前在看antenna diversity的知識.對於一般的wi-fi產品,他的天線的高度與間距有什麽要求(以兩根天線為例),才能達到最好的接收效果呢?

yms0201

小弟目前在看antenna diversity的知識.對於一般的wi-fi產品,他的天線的高度與間距有什麽要求(以兩根天線為例),才能達到最好的接收效果呢?

kinpoagilent

WLAN環境中的多路徑問題

多路徑問題幾乎存在於所有現實環境中，而且是造成RF信號衰減的第二大因素，只要環境中存在會反射RF的物體，就會造成多路徑問題。
WLAN的通訊環境裡，會造成RF信號衰減的因素分別是：路徑衰減(Free Space Path Loss；Path Loss)、多路徑(MultiPath)、隱藏點(Hidden Node)、近遠問題(Near-Far)、以及其它干擾情況等。
路徑衰減是自然因素，是RF波的波前自然擴增所造成之現象，亦是最大的RF衰減因素。到目前為止，尚無法製造出類似雷射光的RF波，亦即此RF波內各個分子都是完全一致的，故行進方向完全相同，這種RF波能行進無限遠而不會衰減。
而多路徑問題幾乎存在於所有現實環境中(除非是在太空中通訊，或是某些大樓對大樓的盤式天線通訊)，而且是路徑衰減之後的第二大衰減因素，只要環境中存在會反射RF的物體，就會造成多路徑問題。以一間教室而言，牆壁、桌椅、電腦機殼、筆記電腦、投影機、含金屬絲的玻璃、日光燈罩、鋁製百葉窗、可樂罐等物體，或多或少都會造成反射作用。
所謂或多或少，是指伴隨反射作用之其他副作用，例如牆壁在反射時，亦會有折射進入牆壁而被吸收或穿過的情況。若教室內有一盆花，它會對RF造成許多小反射，稱為散射(Scattering)作用；假設杯子的杯身接近6.5公分，亦即2.4GHz RF波的二分之一波長，則繞射作用會使得RF波轉彎。故反射、繞射、散射等作用都與多路徑有關，其中反射約佔90％，繞射約佔8％，散射約佔2％。以室內環境而言，多路徑所造成的時間延遲，亦即到達同一天線之(最近路徑)第一個波與最後一個反射波(最遠路徑)的時間差別，均小於200ns；而室外通訊則可達數個μs。
考慮某一個AP之中的涵蓋面，若環境中存在許多反射路徑，則這些反射路徑彼此重疊時，會產生Up-Fade、Down-Fade、Corruption，甚至Null的情況。Up-Fade是指兩個相位類似的RF波重疊後使得信號強度變強，但(由於路徑衰減)絕不會超過天線所發出的強度；Down-Fade是指兩個相位接近相反的RF波重疊後使得信號強度變小；Corruption是指兩者相位差異很大以致信號被破壞；Null是指相位完全相反故互相抵銷。Corruption及Null都會造成涵蓋面中的空洞(Dead Spot)現象，終端若位於空洞之中，則完全收不到信號。
由於RF波的波峰與波谷距離只有半個波長，故多路徑造成的狀況只要移動半個波長，效果會很大。除非是處在某大型物體之後，繞射或反射都無法到達的大片Dead Area，否則一般多路徑造成的問題區域都很小，但是數量可能很多。

對抗的標準招數

WLAN設備對抗多路徑問題的標準招數是觸角差異(Antenna Diversity)。理論上，Antenna Diversity分為很多種，例如：兩極差異(Polarity Diversity)是利用垂直與水平不同極性的RF波分別傳送不同訊號；而傳送/接收差異(Transmit/Receive Diversity)是指彼此利用不同的頻道傳送資料；圖形差異(Pattern Diversity)，如手機基地台所用的120度區域型天線，是利用不同天線的特性曲線而達成差異；一般WLAN設備所用的是空間差異(Space Diversity)，意指使用多支天線的差異技術。而Space Diversity又分為四種：
第一種是Non-Active，使用三支以上以分離器並接的天線，常用於二次大戰之時，三支天線用很長的纜線分別裝於不同地點，此三個訊號的綜合通常會比一支天線好，問題是它需要很多纜線。
第二種是Switching Diversity-Active，此方式用了兩套RF線路，該線路分別擁有自己的天線，最後以比較器選擇較強的信號進行輸出，此方法由於用了兩套RF線路，故很貴。
第三種是Antenna Switching Diversity-Active，兩支天線分別接到比較器，選擇適當的天線接到RF線路，此方式就是WLAN系統所採用的。
第四種是Phase Diversity-Active，此方法很類似聰明天線，將兩支天線所收到的信號作相位調整後再相加，此方法屬於專利技術。
Space Diversity的運作方式，對於負責WLAN網路規劃的人員而言，必須確實了解。當RF信號進入接收者，接收者先用上次成功傳送的天線作接收，它必須在第一時間決定此信號是否屬於不良訊號，例如若是OFDM，必須在前三個訓練用的小記號(Symbol)中作決定，而且這個決定是無法回頭的，一旦換了一支天線作接收，它必須以此天線將整個訊框接收完畢。當它需要傳送資料時，會先以上次成功接收信號的天線作傳送，若是沒有收到對方所回答的確認信號(ACK)，則在作重試時會更換為另一支天線作傳送。不管AP或終端均可採用此功能。

實務面的考量

假設一台AP有兩個Diversity天線之接頭，分別接上兩個背對背180度方向性天線，這樣做可以嗎？
我們先假設AP本身的設定是正確的，亦即它是設定於Diversity。考慮終端在與此AP溝通時，它只能聽得到其中一支的天線，當AP在接收時，當時生效的天線可能以為網路上沒有人說話而錯過終端發話，因為RF線路在作Slot-Time的Count-Down時，它是不會更換天線的，亦即即使另一支天線能清楚聽到信號，還是無法發生作用。
而當AP作傳送時，若第一次用的天線不對，在作重試時，信號可能會被聽見而成功，所謂可能，是因為終端所在區域沒有被AP的兩支天線之涵蓋面互相保護，故空洞區域可能高達15％。所以，務必要將AP的Diversity接頭接到所謂的「封裝式Diversity天線」，亦即其內的兩支天線已被包裝在一起，故該兩支天線的涵蓋面一定相同，此天線一定有兩個接頭，須分別接到AP的兩個Diversity接頭。AP的兩個接頭通常會標上主要(Primary)與次要 (Secondary)的字樣，當只接上一支天線時，可對AP作設定，告知天線是接在哪一個接頭。
假設AP只有一支天線時，空洞區域為15％，而Diversity讓它再增加一支天線時，空洞區域為另外的15％。考慮實際效果是這兩種空洞區域的交集還是聯集，以傳送而言，若對方位於第一次傳送的空洞區域的機率為15％，則以另一支天線傳送時的成功機率為85％，所以AP若搭配兩支天線，相當於空洞區域降至兩種空洞區域的交集，而為0.15×0.15=2.25％，這是很顯著的效果。
所以回想前面所述，當剛開始接收時覺得信號不良，若換一支天線則效果通常都會更好。由於RF波每半個波長大小變化最大，空洞區域都小於半個波長，故任何具Diversity天線的設備，其兩支天線的距離需大於半個波長，以2.4GHz而言，就是6.5公分。
而若是某個終端只有一支天線，碰巧位在AP的2.25％之空洞區域時，它本身若有Diversity天線，則能及時換到另一支天線接收，若是沒有第二支天線，則須靠人工移動它。一些不常移動的終端，如桌上電腦、訊號放大器、群組橋接器與RS-232轉WLAN等設備，不太需要Antenna Diversity，但第一次連線時務必確認它能夠連線。
經常移動的終端是否需要搭配Antenna Diversity？這是見仁見智的問題，故有某些廠牌的WLAN PCMCIA卡附有兩個接頭。筆者甚至聽說某廠牌的筆記電腦內含兩支Diversity天線，一支沿螢幕邊緣垂直置放，另一支沿螢幕邊緣水平置放，這完全是不懂多路徑問題的結果；也許他們在測試時，環境中剛好都沒有多路徑問題存在，或是終端傳送時都先使用前一次成功接收所用的天線，故實際上只有一支天線發揮效用而不自知。這情況發生在AP下的終端倒還好，因為它只與一個方向通訊，故自己的一支天線有作用就好；若此時終端用於Ad-Hoc模式而需與多個其它終端溝通時，則這種天線安排只會製造許多重試及聽不到的狀況。

其他克服方法

RF線路有所謂的Rake Receiver，廣泛存在於各種WLAN RF線路之中，有助於自接收的重疊性訊號中抽出原始信號。等化器(Equalizer)亦然，其內建有數個階段的重疊模擬狀態，第一階段能抑制延遲時間為Δt的重疊訊號，第二階段能抑制延遲時間為2xΔt的重疊訊號，故經由適當調整這些階段的權重值，可將各階段的重疊訊號消除，這種調整好比音響器材等化器的多個控制鈕。等化器構造很複雜，故當資料率增加時，如50Mbps以上的傳輸，會讓等化器很難設計。
OFDM則在基頻(BaseBand)線路克服多路徑問題，OFDM的核心技術在於傳送時的IFFT(Inverse FFT)轉換，與接收時的FFT(Fast Fourier Transfer)轉換，所用的積分時間中讓出了一段時間，稱為Guard Time。此Guard Time是用來克服多路徑問題。
假設我們的目的是做100Mbps傳輸，若使用單一頻道，則一個Symbol為10ns(假設一個Symbol攜帶一個Bit)，假設多路徑造成的延遲時間是100ns，亦即第一個到的Symbol與因多路徑而遲到之Symbol的差異時間為10個Symbol，會造成前後的10個Symbol互相重疊。若能同時使用100個頻道，Symbol Rate可以降低100倍，則一個Symbol為1ms，而100ns的延遲時間則只會造成Symbol的10％部分與前一個Symbol重疊。
OFDM就是在Symbol之前端預留一段時間，這段時間可以發生重疊現象，而FFT接收的積分動作不採用這段時間，故避開了多路徑造成的信號破壞現象。
考慮行動通訊的場合，當開車行駛於高速公路，以900MHz而言(波長為33公分，半個波長為16.5公分)，每隔半個波長信號就會有顯著的變化，變化值往往達到20或30dB，亦即1百倍到1千倍的差異。在WLAN的通訊場合，接收端的信號是由多個路徑而來的信號總和，而越晚到的信號由於所經過路徑最長，故信號越小。這種多路徑所收到信號的時間延遲與大小之分佈曲線，在沒有主路徑存在的情形時，亦即兩端無法直接看到對方時，是呈Raleigh方式分佈，故這種因多路徑而產生的衰減現象稱為Raleigh Fading。若是主信號存在的多路徑場合則呈Rician分佈，故稱為Rician Fading。
Raleigh或Rician Fading在高速移動時，則成為Fast Fading或Deep Fading。高速移動時的行動通訊，波長信號平均曲線會呈慢速上升及下降現象，是由於與基地台的距離產生變化，或是經過大樓後面的繞射死角等處，造成的信號緩慢之變化現象，這種衰減稱為Slow Fading。
目前的WLAN環境只能忍受腳踏車之移動速度，當未來WLAN可忍受高速移動的標準出現時，如何克服多路徑造成的Fast Fading，將是會面臨的新課題。
我們如何得知一個WLAN環境中是否有多路徑問題存在呢？
在作場地調查時，空洞區域由於範圍太小，實在無法掌握哪些區域有多路徑造成的空洞區域，但至少要能掌握由於大型阻擋物(例如金屬OA辦公傢俱)所造成的大片空洞區域。
當使用分離器接上多支天線時，應該與Diversity如何搭配使用的問題，也常常困擾許多人。使用分離器結合兩支天線將兩個涵蓋面結合成一個涵蓋面，雖會造成隱藏點問題，但這可用RTS/CTS以降低其影響。由於分離器將AP的功率分給兩個天線，故天線的傳送功率至少下降3個dB，再加上分離器本身的衰減，故一般的分離器至少造成4個dB之衰減。
以天線種類而言，全向天線造成的多路徑問題最嚴重，而高方向天線則幾乎沒有多路徑情況發生。原因很簡單，全向天線好比亂槍打鳥，會造成子彈亂彈射；而高方向天線則是對準接收者，故會照射到其他地點的機率自然降低。