《WLAN射频基础》PPT课件.ppt

WLAN射频基础,日期：2007.05.31,杭州华三通信技术有限公司 版权所有，未经授权不得使用与传播,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频信号传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,无线频谱分配,全球无线频谱资源分配图 :,无线频谱分配,国内3G频谱分配 : 3G-TDD(WCDMA/CDMA200):19201980MHz(上行） 21102170MHz(下行） 3G-FDD(TD-SCDMA):18801920MHz 20102025MHz 23002400MHz 国内802.11b/g采用2.4GHz ISM频段： 2.42.4835GHz 起始频点是：2.412GHz(信道号为1），有113总共13个信道 频点与信道的计算公式：f(中心频率）=2412+5x(nch-1)（MHz) 802.11b/g占用带宽为22MHz(99%能量），所以频点间隔25MHz才算互不干扰信道，一般把1，6，11或1，7，13称为互不交叠信道 国内802.11a采用5GHz频段： 5.7255.850GHz 5GHz频段以5MHz为间隔统一编信道号，计算公式： f(中心频率）=5000+5xnch(MHz) 802.11a的占用带宽是20MHz，因此20MHz的中心频率间隔就可以互不干扰 国内802.11a用149,153,157,161,165五个信道,11b/g 信道,Channel Frequency range Central Frequency f(中心频率）=2412+5x(nch-1)（MHz),11a 信道,Channel Frequency range Central Frequency f(中心频率）=5000+5xnch(MHz),无线频谱分配,CCK频谱模板,OFDM频谱模板,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频信号传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,IEEE802.11a/b/g/n标准简介,PHY,802.11(1/2 Mbps),802.11b(5.5/11 Mbps),802.11g(54 Mbps),802.11a(最大54 Mbps),802.11h 动态频率 选择和功能控制,MAC,802.11/11a/11b/11g /11nMAC,802.11f-漫游和切换,802.11e-QoS,802.11i-安全增强,802.11协议族,802.11n(最大300 Mbps),WAPI(中国标准）,IEEE802.11a/b/g/n标准简介,11Mbps/54Mps/300Mbps这些速率是指物理层（PHY）连接速率，而不是实际速率 由于无线信道开销比较大，实际的净速率（net performance)大约为: 802.11b: 5Mbps 802.11a/g:23Mbps 802.11n: 75Mbps IEEE802.11n标准还未正式批准，目前的版本是draft1.1，Wi-Fi联盟计划在2007年开始针对基于draft2.0版本的802.11n产品进行认证，将推动11n产品的规模普及 802.11n并没有规定最高速度，由于11n采用了MIMO技术，实际速率与采用的收发通道数（包括天线数）和通道带宽有密切关系，随着收发通道数的增加，实现难度和成本急剧上升，目前比较成熟的方案是3Tx3R，在20MHz信道情况下达到约75Mbps净速率，在40MHz信道情况下达到约150Mbps净速率 WLAN的带宽是共享的，每个用户分时征用信道，由于信道冲突，增加了信道开销，多用户情况下的累计带宽小于单用户情况下的带宽,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,常用射频概念,dB, dBi,dBm,mW dB 是功率的比值（增益，抑制度等）取对数的结果 例如： 增益输出功率（W）/输入功率（W），是一个无量纲参数 将增益用对数形式表示，可得： 增益（dB）10log（增益） dBi 是天线方向性的一个指标 天线增益一般由dBi 或dBd 表示。dBi 是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd 是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。 dBm、dBW 通常用来表示射频信号的功率，它与mW、W 的换算关系如下： 假设信号功率为XmW，利用dBm 表示时其大小为： p(dBm)=10log(X) 例如100mW相当与20dBm，500mW相当于27dBm,常用射频概念,EIRP P EIRP-等效全向辐射功率 P-发射功率 Effective Isotropic Radiated Power EIRP是天线在特定的方向上所辐射的功率，通常单位是dBm，这个指标一般应该用辐射方式测试，但通常是根据传导发射功率计算： EIRP=P(设备发射功率）+ G(天线增益）- A(线路损耗） EIRP准确反映了设备辐射信号的强度，接收设备收到的信号强度与这个指标有密切关系。 一般的认证法规都是规定EIRP的限值，而不是发射功率的限值。,常用射频概念,信噪比（SNR）载干比(C/I)，Eb/No,Eb/Io Eb/No、Eb/Io 是同一个概念，就是信噪比，与SNR有直接的换算关系。这是一个衡量系统解调处理能力的指标。对具体业务，所要求的信噪比越低，则系统的容量和覆盖就比较好。 载干比（C/I）carrier-to-interference ratio，信道中的RF载波功率与干扰功率之比 ，反映设备抗同频干扰的能力，C/I越小，说明抗同频干扰能力越强。,常用射频概念,中心频率、信道带宽 中心频率（center frequency）也称为工作频点（operating frequency），是指射频收发系统在工作时采用的频率，对于WLAN系统，某一信道所对应的中心频率是一定的。 信道带宽（channel bandwidth）也可说成占用带宽（Occupied bandwidth），是只射频系统工作时以中心频率为中心所占用的射频带宽，这个带宽范围内的信号能量占全部能量的99以上，对于WLAN，OFDM模式占用带宽是16.6MHz,CCK模式占用带宽是22MHz。,常用射频概念,DFS，TPC DFS (Dynamic Frequency Selection)动态频率选择，动态选择工作频率以避免对5GHz频段的雷达信号产生干扰，以满足某些认证域的法规要求。 TPC (Transmit Power Control)发射功率控制，发射功率动态控制以降低对其它系统干扰的技术。 IEEE802.11h规定了DFS和TPC的实现机制，欧盟和美国都有DFS和TPC的强制认证要求，目前中国没有要求。,常用射频概念,杂散 发信机的杂散发射是指用标准测试信号调制时在除载频和由于正常调制和切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的发射。 杂散发射按其来源的不同可分为传导型和辐射型两种。 传导型杂散发射是指由天线连接器处引起的任何杂散发射。 辐射型杂散发射是指由于机壳以及设备的结构而引起的任何杂散发射（故又称为“机壳发射”）。,常用射频概念,接收灵敏度,最大接收电平，RSSI WLAN的接收灵敏度是指接收机在满足PER（错包率）小于10的条件下，天线口能够接收到的最小接收信号电平，一般用dBm表示，反映了设备接收小信号的能力，在发射功率一定的情况下，灵敏度越高，覆盖范围越大。 最大接收电平（Receiver maximum input level)接收机在满足PER（错包率）小于10的条件下，天线口能够接收的最大接收信号电平，一般用dBm表示，规范要求OFDM是30dBm，CCK是20dBm。最大接收电平反映了接收机接收大信号的能力，超过最大接收电平将导致接收机饱和，误码率明显升高。 接收机动态范围是指最大接收电平与接收灵敏度之间的差值。 RSSI (Receiver Signal Strength Indicator)接收信号强度指示，是指接收机处信号的功率大小。,常用射频概念,增益，驻波比 天线增益（Gain) 描述了天线将能量辐射到某一方向的能力，通常用最大辐射方向计算 。 电压驻波比 （VSWR, Voltage standing wave rate)，反映阻抗匹配好坏的程度，可简称为驻波比（SWR），例如VSWR为1:1,表示完全匹配，能量可以100向后传输;VSWR为1:1.5,表示96的能量可传输到后级。VSWR高表示有更多的能量被发射，更少的能量向后传输。VSWR是射频电缆、连接器及天线的主要性能指标之一。,常用射频概念,MIMO MIMO (Multiple Input Multiple Output)多输入多输出，是一种利用空分复用方式增加传输带宽的技术，在802.11n和WiMAX技术上应用，其原理如下图，基本原理： 每个Tx在同一时刻用相同的频率信道发送独立的数据流； 采用先进的信号处理技术将各数据流在接收通道重组和恢复； MIMIO技术充分利用了多径效应，抗干扰能力更强； 多输入多输出需要相应路数的发射接收电路和与之匹配的天线 目前比较成熟的有2Tx2Rx,3Tx3Rx,2Tx3Rx等实现方式,常用射频概念,EVM EVM (Error Vector Magnitude )误差矢量幅度，是衡量一个RF系统总体质量指标，定义为信号星座图上测量信号与理想信号之间的误差，它用来表示发射器的调制精度。调制解调器，PA，混频器，TRANCEIVER等对它都会有影响。 EVM是衡量射频指标的一个关键参数，必须在EVM满足要求的情况下所发射的功率才有意义，EVM偏高会导致信号质量下降，从而导致接收误码率上升，有效带宽下降 。,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频信号传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,常用射频器件天线，漏缆,【天线增益】某一方向的天线增益是指该方向上的功率通量密度和理想点源或半波振子在最大辐射方向上的功率通量密度之比。 【水平波束宽度】在水平面方向图上，在最大辐射方向的两侧，辐射功率下降3dB 的两个方向的夹角。 【垂直波束宽度】在垂直方向图上，在最大辐射方向的两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角。 【极化方向】无线电波的极化，常以大地作为标准面。凡是极化面与大地法线面（垂直面）平行的极化波称为垂直极化波，其电场方向与大地垂直。凡是极化面与大地法线面垂直的极化波称为水平极化波，其电场方向与大地相平行。 单极化天线与双极化天线的区别在于一根双极化天线的等于两根单极化天线。,常用射频器件天线，漏缆,按照辐射方向通常可以分为全向天线和定向天线 全向天线通常是指某个平面（一般是水平面）的辐射方向角为360度的天线，常用的全向天线有杆状天线和吸顶天线，普通AP自带的小天线都是全向天线。 典型定向天线有：板状天线、碟型天线、八木天线,常用射频器件射频电缆（馈线）,按照同轴电缆的特性可分为以下几类：半刚性电缆、半柔性电缆、常 用软电缆、大功率电缆、低损耗电缆、高性能(低损耗、稳相)电缆。,常用射频器件射频连接器,射频同轴匹配负载：射频同轴匹配负载主要用于吸收射频或微波系统的功率或在系统中充当假天线 ，H3C WLAN产品用50欧姆匹配负载； TNC反极性射频同轴连接器(RP-TNC)适用于某些场合，如有严格区分的输入或输出端口，有特殊用途的端口等，CISCO WLAN产品常用的接口形式； SMA同轴连接器因体积小、结构简单、工作频带宽、可靠性高，得到广泛应用，成为品种规格最多，用量最大的RF 连接器。H3C 室内型AP都采用反极性SMA连接器，所谓反极性是指外螺纹配插针或内螺纹配插孔，而正常极性是指外螺纹配插孔或内螺纹配插针，选择反极性连接器是为了符合FCC相关规定； N型射频同轴连接器是国际上最通用的射频同轴连接器之一，它具有抗震抗冲击能力强、可靠性高、机械和电气性能优良等特点。H3C 室外型AP采用N型连接器,常用射频器件功分器,功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合路器，一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。 功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的选择，具有很宽的频带特性。 参数说明： 插入损耗：器件直通损耗，其计算公式为所有的路数的输出功率之和与输入功率的比值，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，一般理想分配损耗由下式获得：理想分配损耗（dB）=10log（1/N） N为功分器路数 N=3 3.0dB N=3 4.8dB N=4 6.0dB N=8 9.0dB N=16 12.0dB 隔离度：当主路接匹配负载时，各分配支路之间的衰减量。 幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。 相位平衡：指频带内各输出端口之间相对于输入端口相移量的起伏程度。,常用射频器件功分器,我司现有功分器,*注：考虑到插损后的实际损耗大于理论分配损耗,常用射频器件耦合器,耦合器常用于对规定流向波信号进行取样，在无内负载时，定向耦合器往往是一四端口网络。耦合器主要参数说明： 耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率与主线输入功率之比。 耦合损耗：由于耦合能量的存在而导致输出功率的减小，它等于主线插入损耗的理论值，主线插入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下： 耦合度 主线理论损耗 3dB 3.0dB 6dB 1.26dB 10dB 0.46dB 15dB 0.14dB 20dB 0.04dB 30dB 0.004dB 主线损耗：当匹配负载接主线外各端口时，在传输系统中由于耦合器的插入而引起的负载获得功率的变化，主线插入损耗包括耦合损耗和端口反射损耗。 方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与同样的功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差，对双向定向耦合器而言，定义为两个耦合端输出功率之差。,常用射频器件耦合器,典型指标,常用射频器件合路器,合路器一般用在将不同频率的信号（通常是不同标准的无线系统）合路在同一端口输出。合路器通常用于共用天馈的无线分布式系统中。 功分器反向使用也可以当作合路器，但专用的合路器通常是带有滤波功能的，有较强的带外抑制能力。,常用射频器件衰减器,衰减器（Attenuator）简单来说是以分压的原理来衰减掉一部分之功率，其主要是避免高功率在仪器或接收机前端造成破坏，也常用于对未知负载做保护，通常用于测试环境中。 衰减器一般可分为固定衰减器，手调可变衰减器，程控衰减器,常用射频器件功率放大器,功率放大器（PA）简称功放，用于将射频信号放大到特定的功率，以便获得更大覆盖范围。按实现方式一般分为内置功放（集成式）和外置功放（独立式），按照用途通常可分为干线放大器（干放），直放站，塔台放大器（塔放）等。以下是典型2.4GHz频段功放指标：,常用射频器件低噪声放大器,低噪声放大器（LNA）用于在接收回路中对小信号进行放大，系统接收灵敏度主要是由LNA的性能决定的。,常用射频器件,天馈避雷器 天馈避雷器用来保护设备免遭从天馈部分感应的雷电冲击，从而保护设备。由于天馈通常是设备最高的部分，且馈线一般比较长，是设备最容易感应雷击的部位，因此，在室外应用时一般要在每个天线上串接天馈避雷器。 我们用的天馈避雷器如下：,常用射频器件,天馈避雷器 天馈避雷器的主要指标：,天馈避雷器只能在一定程度上避免感应雷，对直击雷的防护能力比较差。因此，在雷击频发地区，一定要合理安装避雷针。 在安装天馈避雷器的情况下，必须保证接地端良好接地，否则没有防护效果。,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频信号传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,射频传输模型及干扰,自由空间传输损耗 电磁波在自由空间（无阻挡、无障碍）中的传输损耗为： Ls（dBm）=92.4+20lgF+20lgD 其中： F：发射频率，单位为GHz D：传输距离，单位为公里（km） 例如：5.8GHz频率的信号传输20公里的损耗为： Ls=92.4+15.3+26=133.7dBm 系统增益 设备的系统增益为： Gs=Pt-Pro 其中： Pt为设备射频输出功率 Pro为系统接收灵敏度 链路总增益 Gl=Gs+Gt+Gr 其中： Gt为发射端的天线增益（dB） Gr为接收端的天线增益（dB）， 例如收发天线增益为Gt=Gr=28.5dB，那么链路增益为， Gl=112+28.5+28.5=169dB,射频传输模型及干扰,链路总损耗 Lt=Ls + Lft + Lfr 其中： Lft为发射端ODU和天线之间的电缆损耗 Lfr为接收端ODU和天线之间的电缆损耗 例如，对于S-LINK (1E1)设备，ODU与天线之间的馈线长度为1.5-2.0米，在5.8GHz频率，其损耗为0.5dB。那么，链路总损耗为： Lt=133.7+0.5+0.5=134.7dB 链路储备余量 微波链路的储备余量为： Margin=Gl Lt 例如，对于上述微波链路，其链路储备余量为： Margin=169-134.7=34.3dB 反之，如果确定了链路的储备余量，可以反推出所需要的天线增益。在所用设备、通信距离和工作频率确定以后，天线增益和链路的储备余量之间是可以推算出来的，即天线增益的提高量（收发天线合计）就转化为链路储备余量的增加量。 由多径效应和干扰影响，为了保证链路的可靠性，一般要保证20dBm左右的链路储备余量,射频传输模型及干扰,下图出了微波链路增益损耗计算模型，图中各个环节的增益（损耗）定义见上文。根据该模型，可以很容易计算出某具体微波链路的功率预算。,传输模型只是基于理论和测试结果统计的近似计算由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确地描述，特别是城区街道中各种密集的、下规则的建筑物反射、绕射及阻挡，给数学模型预测带来很大困难。因此。有一定精度的预测虽可起到指导网络基站选点及布点的初步设什，但是通过数学模型预测与实际信号场强值总是存在差别。由于移动环境的复杂性和多变性，要对接受信号中值进行准确计算是相当困难的。无线通信工程上的做法是，在大量场强测试的基础上，经过对数据的分析与统计处理，找出各种地形地物下的传播损耗（或接受信号场强）与距离、频率以及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立传播预测模型，从而能用较简单的方法预测接受信号的中值。,射频传输模型及干扰,典型障碍物衰减量,射频传输模型及干扰,无线传输的干扰因素-多径干扰,Direct Signal,Reflected Signals,PC Card,Access Point (AP),射频传输模型及干扰,无线传输的干扰因素障碍物,功率在穿过障碍物后衰减,墙，门，等等。,电磁波的穿透性能是和频率相关的。 当发射功率不足够大时，在建筑物后形成无线覆盖盲区。,射频传输模型及干扰,无线传输的干扰因素障碍物,2.4GHz为ISM频段，不许授权即可使用。 同一区域内AP之间的互相干扰。 其他工业设备的干扰 -微波炉 -医疗设备 -双向寻呼系统 -等等,无线频谱分配 IEEE802.11a/b/g/n标准简介 常用射频概念 常用射频器件 射频信号传输模型及干扰 多网合一室内覆盖问题讨论 射频辐射影响和射频认证相关规定,多网合一室内覆盖问题讨论,小灵通在全国已达到几千万用户的规模，伴随着小灵通网络的不断优化，室内信号优化也是刻不容缓，随着电信3G建设日益临近，多系统共网的室内信号优化方案已成为关注的话题。由于3G工作在超短波频段，而且电波绕射能力差，穿透损耗较大，因此网络的深层次覆盖存在着缺陷。和目前的2G网络相比，3G网络会有更多弱信号区出现，特别是在建筑物内部，更是存在着盲区多、易断线、网络表现不稳定的缺点。在3G网络建设计划中，我国移动运营商对室内覆盖予以了高度的关注，明确提出了这样的覆盖目标：要在12年的时间内，使3G室内覆盖达到