利用综合技术来扩展无线局域网的覆盖范围

无线局域网(WLAN)正在小区与企业应用中快速普及。与所有新技术一样，对其性能改进的需求很快变得愈加明显。此外，新技术的供应商都在不遗余力地提高性能，因为这能够进一步加快市场增长。

WLAN技术一个很重要的性能指标就是无线802.11 WLAN设备的覆盖距离或范围。在当今众多小区或企业WLAN部署中，802.11仍然覆盖不到房间或办公室的不少角落。这些WLAN覆盖中的盲点使用户难以或根本无法接入网络。为了增强WLAN信号，可行的解决方案包括进一步投资多个接入点设备(AP)、中继器或交换机。但是，添加硬件不但增加WLAN的成本，而且还会增加其运营复杂性，反而有可能使WLAN技术在广阔的市场中出局。

更有效的解决方案是在提高WLAN设备信号灵敏度的同时，增加WLAN信号的输出功率。两种因素都能够显著扩大特定WLAN网络的范围，而且不会产生因添加附加硬件所导致的更高成本与复杂性。不过，只是简单地提高输出功率也会带来某些需要引起注意的问题。然而幸运的是，这些问题并非无法解决。通过系统设计阶段的未雨绸缪与创新，我们可以利用提高发射输出功率与接收机灵敏度解决扩展802.11 WLAN网络覆盖范围时遇到的问题。

最可行的方法

事实上，对于新安装了WLAN的家庭或企业，不愿意看到二楼卧室没有802.11连接或者后勤办公室的员工不能上网。随着WLAN技术的快速普及，这些问题变得越来越普遍。更糟糕的是，许多WLAN供应商已经承诺提供越来越高的数据吞吐速率。更高的速率通常伴随着更近的WLAN有效范围。然而，如果由于信号强度随距离增加而减弱，致使用户不能接入网络，速度再快也没有任何意义。

另外，一般来说，典型的家庭或小型办公环境并不是很有利于WLAN的部署。802.11信号遇到小区建筑物的木质与金属框架以及许多办公室的金属隔间时会发生“反射”现象。WLAN信号会因多径散射而使强度快速衰减，从而缩小了WLAN的有效覆盖范围。

表1：WLAN站点设备与AP之间的正常连接距离是和接收功率息息相关。

目前的解决方案需要安装附加的WLAN硬件。安装多个WLAN AP之后，安装场所可以被分为多个WLAN“单元(cell)”。但是多个AP会增加网络复杂性，这是因为在此类部署中必须设计切换机制。中继器与交换机也可以用于提高网络AP范围之外区域的信号强度，但由于成本与复杂性提高，导致价格上升。

不仅如此，这些硬件解决方案面临的最糟糕问题在于它们往往显得太迟了。直到安装第一套AP并发现网络覆盖盲区，面对WLAN安装问题的消费者或者小企业主才知道还需要附加硬件。这个时候满腔的WLAN热情遭受的挫折有可能会让人 。

与这种添加硬件的解决方案不同，针对802.11设备本身的技术创新可以扩展WLAN的有效覆盖范围，从而平息许多用户的不满。其中一项此类技术就是智能天线技术，但这种技术成本高昂，而且可能解决不了建筑物的方向或建筑材料造成的信号衰减问题。扩展802.11网络覆盖范围的最可行方法是在电路中提高信号的发射功率(在FCC与其他政府机构规定的限制范围内)，同时提高接收机灵敏度。尽管这种解决方案较为简单，不过仍然在系统规划和设计方面存在一些制约因素。

提高发射功率与接收机灵敏度的理想位置是WLAN AP。大部分站点设备是采用电池工作的移动或手持终端系统。提高这些设备在WLAN中的发射功率会明显缩短电池使用寿命，这样就会让用户难以忍受。然而，大部分AP不存在与电池驱动设备相同的功耗限制。一般情况下，WLAN接入设备都是以硬连线方式连接至住所电源网络，因此拥有真正不受限制的供电。

解决提高AP输出功率带来的问题

但是，单纯通过提高AP的功率放大器(PA)输出功率来增加802.11信号的功率并非易事。在不考虑对系统其它部分影响的情况下就鲁莽行事，可能会弄巧成拙，因为这有可能在许多方面对AP的整体运行造成损害，进而可能会损害WLAN网络的整体吞吐能力。事实上，除非在AP及其芯片组中实现相应解决方案，否则增加PA输出功率可能会得不偿失。

1. 发射增益随温度发生变化

提高AP功率输出涉及系统PA中的多个增益级。PA中的各增益级会引起系统温度变化，甚至有可能使温度显著升高。这反过来会影响AP输出的信号强度。例如，在-25~+85工作温度范围内，802.11设备的信号强度可能改5dB。考虑到这个问题，AP的设计应当包含有效的闭环功率控制(CLPC)子系统，以便在不断变化的工作温度范围内使PA功率输出保持不变。CLPC可以监控系统温度，并相应调整输出功率。这样就可以避免过热对AP可能造成的损害。

除了CLPC，还应当采用PA散热片等有效的热管理技术以及其它方法，以补偿可以高达1W或更高的射频输出功率。这需要在芯片与板级设计阶段进行预先规划。

2. 接收过载

大部分AP的正常输出功率范围为15~20dBm。简单地将AP功率放大器的功率输出提高到更高电平，会增加靠近AP的站点设备功率过载的可能性。

表显示了只要站点设备符合802.11标准容许的最高信号强度，对于距离AP超过1米的站点设备而言，上述问题并不严重。但是，对于距离AP不到1米的站点设备，就有可能产生严重的连接问题。

因此，为了避免造成接收站点设备饱和，需要根据接收设备的位置，采取谨慎的动态功率控制。

3. 发射噪声

不幸的是，提高AP功率放大器的输出功率，不只是增加802.11信号的能量，而且还会增加带内与带外电磁干扰(EMI)。事实上，在带内功率电平增加时，相邻信道噪声也会增加。如果站点设备靠近另一个在相邻信道上工作的站点设备，上述噪声会使站点设备中接收机的灵敏度降低。因此，在特定WLAN中可能需要在站点设备之间保持最低距离限制。通过在AP中实现有效的信号滤波方案可以抑制上述发射噪声。同时它可以减小由于提高PA功率输出而造成的带内和带外噪声。

4. 智能功率增益控制

当AP为若干站点设备提供WLAN连接时，AP必须具备充分的智能性，以便确定针对各单独站点设备的最佳发射功率输出。事实上，AP应当为其发送的每个数据包确定最有效的功率电平。如果某站点距离AP较近，所需的AP输出功率必须低于针对距离相对较远的站点的输出功率。降低功耗并非输出功率智能控制的唯一目的。更重要的是，发送到距离AP相对较近的那些站点的高功率信号，会不必要地增加多通道环境中的“反射”噪声。以智能化的方式降低针对靠近站点的AP功率输出，可以减小环境噪声，从而可以提高WLAN中802.11连接的质量以及所有站点的数据吞吐量。

5. DC功耗增加

增加发射功率，必然引起功耗的增加。不过，仔细的分析表明，AP设备中PA的占空比对AP功耗具有很大的影响。对于扩展距离的AP而言，其高功率PA应当只在发射模式下才接通，而在其它时间都应关闭。尽可能长时间地将其关闭，可以降低PA的功耗。

6. 接收机相邻信道抑制

尽管不属于AP的范畴，但是提高站点设备的接收机增益与相邻信道信号抑制也会显著影响WLAN的覆盖范围。如前所述，提高AP功率放大器的输出，会影响接收信道以及相邻信道的信号强度。而一种能够抑制相邻信道信号的智能接收机设计，可以扩大WLAN网络的有效覆盖范围。

实现距离扩展的芯片组方案

尽管更高的输出功率和接收机灵敏度的提高会产生某些问题，不过在AP中设计这些功能无疑切实可行，而且肯定会扩展典型WLAN的覆盖范围。

一种用于DSL、线缆或VoIP WLAN网关以及家庭/办公室AP与路由器的此类解决方案是德州仪器(TI)的TNETW1350A WLAN器件。该器件配合TI的各种RF解决方案，可使设计团队能够为特定应用灵活地选择输出功率水平。例如，在802.11b/g小区网关应用中，TNETW1350A与TNETW3422和TNETW3428相配合，就可以提供高输出功率，并具有很高的性价比。

TNETW1350A是单芯片媒体接入控制器(MAC)和基带处理器，适用于802.11b/g小区网关和消费类接收电子设备，如机顶盒和无线媒体适配器等。TNETW3422是一种高度集成的直接变频收发器，而TNETW3428则是一种全集成的射频前端(RFFE)，它在单个器件中包括了AP的低噪声放大器、功率放大器、接收增益控制以及发射耦合检测器。由于TNETW3428的高度集成，从而不再需要额外的偏置控制、放大级、低损耗收/发开关、AGC、50欧姆输入/输出匹配以及其它功能。由于TNETW3428不需要片外阻抗匹配电路或者任何用于外部网络的阻抗匹配电路，这样减少了许多外部器件，从而大大削减了材料成本。

TI的TNETW1350A芯片组采用G++技术，可以实现整个室内覆盖和前所未有的吞吐能力。G++技术可实现23dBm的输出功率以及业界领先的接收灵敏度，从而使传输距离扩展2倍。由于可以利用独特的技术以最小化来自诸如微波炉、无绳电话以及相邻无线网络等的干扰，因此能够显著提高网络的鲁棒性。此外，相关的软件还具有增强的125Mbps模式，能够在真实环境中实现36Mbps的TCP/IP数据吞吐率。

作者：D'Andre Ladson

住宅网关与嵌入式系统产品线经理

德州仪器公司