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        SOHO路由器多天線覆蓋能力的差異研究

        2019-12-05 08:40:44王佳堯
        無線互聯(lián)科技 2019年17期

        摘 ? 要:隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,家庭和中小辦公場所對無線網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高,市面上的SOHO路由器五花八門,尤其是天線數(shù)量變得越來越多。文章從天線基本原理、MIMO技術(shù)、信號覆蓋、發(fā)射功率、帶寬等多方面進(jìn)行綜合分析,并對實際環(huán)境進(jìn)行了多方位測試,闡述和驗證了天線數(shù)量與信號強度及覆蓋范圍的關(guān)系。為今后學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用中的設(shè)備選型提供一定的參考價值。

        關(guān)鍵詞:家居辦公;信號強度;功率;天線

        1 ? ?無線路由器天線研究背景

        作為當(dāng)前最流行,也是成本最低的無線通信系統(tǒng),通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS),WLAN占據(jù)了絕大部分市場。隨著語音、視頻及數(shù)據(jù)的大量應(yīng)用,對傳輸速率及可靠性要求也變得越來越高。特別是對小型企業(yè)、家居等小環(huán)境而言,經(jīng)濟(jì)性和可靠性尤其顯得重要。因而,各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家也是絞盡腦汁,在迎合市場需求的同時也要保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。方法之一就是增加無線路由器天線的數(shù)量,由5年前的一根迅速增加到現(xiàn)在的8根,甚至有“穿墻王”的名詞出現(xiàn)。從實現(xiàn)原理上來看,可以采用提高信源發(fā)射功率、中繼信道的使用、橋接、增加天線數(shù)量等方法達(dá)到提升傳輸速率的目的,但會造成電磁波的環(huán)境污染、可持續(xù)性差等一系列問題。因此,目前主要使用的方法是高階調(diào)制技術(shù)和多天線技術(shù),在保障傳輸可靠性的同時也大大提高了信道容量。

        2 ? ?天線與增益

        天線是無線信號傳輸?shù)钠鹬裹c,是有線與無線信號的轉(zhuǎn)換點。通過饋線鏈接至信源發(fā)射機。數(shù)據(jù)經(jīng)由天線以電磁波形式輻射到空中,電磁波傳輸?shù)浇邮斩撕螅山邮斩颂炀€接收,再通過饋線傳送到接收機。

        天線可以把電流波轉(zhuǎn)換成電磁波,并且在轉(zhuǎn)換過程中可以對發(fā)射和接收的信號進(jìn)行“變化”,這種能量的變化稱為“增益”,單位用“ dbi ”表示。由于電磁波的能量是由發(fā)射機和天線共同產(chǎn)生,因而度量通常采用增益(dbi)來表示。例如,發(fā)射設(shè)備的功率為100 MW或20 dBm,天線增益為5 dbi,則發(fā)射總能量=20 dBm+5 dbi=25 dBm。

        3 ? ?多輸入多輸出技術(shù)

        多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)是利用在發(fā)射端和接收端均采用多根天線進(jìn)行信號的發(fā)送和接收。采用分離式多天線,能夠有效地在發(fā)送接收端形成多個并行子信道,從而給上下行通信提升了容量。且MIMO技術(shù)使得容量增加和天線使用數(shù)量呈線性關(guān)系。

        目前,MIMO技術(shù)主要應(yīng)用在3GPP UMTS系統(tǒng),LTE系統(tǒng),WLAN,WIMAX等主流網(wǎng)絡(luò)中。

        4 ? ?SOHO路由器信號的覆蓋

        覆蓋范圍,即從天線發(fā)射出來的電磁波能夠傳輸?shù)姆秶?,或無線終端可以接收到電磁波的區(qū)域。在覆蓋范圍內(nèi)正常使用網(wǎng)絡(luò),同樣需要保證信號處于一定的強度范圍。以正常通信要求的最低信號強度-65 dBm為例,以我國標(biāo)準(zhǔn)要求,小型辦公室或家庭式辦公室(Small Office or Home Office,SOHO)路由器的最高發(fā)射功率為100 MW,那么,發(fā)射信號強度為:Pt=10lg100=20 dBm。

        信號衰減為:A=32.45+20lgf+20lgd=32.45+20lg2 400+ 20lgd=100.05+20lgd(f為信號頻率,d為視距距離)。

        要達(dá)到可靠通信,且保障速率達(dá)到36 M以上,因此接收端的信號強度就要求大于-65 dBm,即可獲得傳輸視距d為: -65 dBm=20 dBm—A=20 dBm—(100.05+20lgd)得出d=178 m,由于環(huán)境干擾及設(shè)備自身損耗約5 dBm,那么真正覆蓋視距就約等于100 m,即為各大SOHO路由器廠家標(biāo)稱的覆蓋范圍[1]。

        5 ? ?SOHO路由器覆蓋范圍測試

        5.1 ?SOHO路由器無障礙覆蓋

        為了檢測在無障礙的自由空間中SOHO路由器的覆蓋能力,本次測試采用了在空曠的平地上且干擾相同、功率相同、天線數(shù)量不同的各廠家路由器進(jìn)行測試,測試信號SSID統(tǒng)一設(shè)定為GC_P,為了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,分別對10個不同距離點分別測試10組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,具體數(shù)據(jù)如圖1—4所示。

        從測試環(huán)境及測試結(jié)果可知,在自由空間信號覆蓋中,相同距離處的信號強度隨天線數(shù)量的增加而有所增強。但是均達(dá)到可靠通信的范圍。

        5.2 ?SOHO路由器有障礙覆蓋

        無論是小型辦公環(huán)境還是家庭環(huán)境,都面臨多個障礙物的遮擋而使得覆蓋距離大大縮短,而本次測試環(huán)境主要為墻壁和門窗的遮擋,根據(jù)惠更斯菲涅爾原理及遮擋損耗計算,與本次測試結(jié)果基本相同,具體數(shù)據(jù)如圖5—6所示。

        測試環(huán)境的干擾源與圖1一致,每房間面積為20 m2,均為前門后窗戶布局。從測試結(jié)果來看,不論是多少根天線,信號的衰減程度基本一致,且通過第二面墻壁后信號強度已經(jīng)很弱,只能勉強接入網(wǎng)絡(luò)。

        5.3 ?SOHO路由器高低功率覆蓋

        由于世界各國對電池輻射要求不同。因而,在不同國家信號發(fā)射的功率有所不同,以我國為例,短距離無線通信的最高功率要求為100 MW,而不同廠家生產(chǎn)的無線路由器功率也有所不同,因此,本次測試同樣在干擾源相同,如圖3所示的空曠環(huán)境下,分別對高低功率(100 MW,25 MW)進(jìn)行對比測試,結(jié)果如圖7所示。

        從理論計算及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可以看出,信源發(fā)射功率越高,相同距離處的信號強度也就越高,傳輸帶寬越大,數(shù)據(jù)傳輸速率就越高,覆蓋范圍也相對較大。

        6 ? ?結(jié)語

        在小型家居、小型辦公環(huán)境下,無線網(wǎng)絡(luò)信號的強度及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性取決于調(diào)制及編碼技術(shù)的改進(jìn),信源的發(fā)射功率,MIMO技術(shù)的實現(xiàn)以及周圍環(huán)境因素等,而單純的增加天線數(shù)量是無法實現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的。因此,設(shè)計和部署無線網(wǎng)絡(luò)需要綜合考慮各方面因素,才能發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)的最大價值,也是經(jīng)濟(jì)性與實用性的體現(xiàn)。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]王佳堯.綜述抗衰落技術(shù)在TD-LTE移動通信中的應(yīng)用[J].電腦迷,2018(5):30-32.

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