Wi-Fi網狀(mesh)網路在消費市場發展速度相當迅速,原因是越來越多的使用者希望家裡的網路能夠完全覆蓋。現在市面上也有許多供應商和產品可供消費者選擇,比如Google就為零售市場提供解決方案,其他的網際網路服務供應商也正在關注並開始評估自家的產品。

問題

為了使Wi-Fi mesh網路變得高效,每個節點必須包含至少兩個5GHz射頻:一個射頻連接分佈在整棟房屋或房間的用戶端;另一個5GHz射頻連接返回電纜或DSL接取點的主機。一些供應商提供的低性能方案使用單個5GHz射頻同時進行接取和回傳,但這會造成嚴重降低輸送量的代價,因為在任何給定時間單一射頻只能提供接取或回傳,所以用戶輸送量降低了50%。

除考慮射頻因素外,天線因素也很重要。4×4 MIMO射頻(4個接收器和4個發射器)通常優於2×2 MIMO射頻。目前,市場中同時存在這兩種方案,4×4 MIMO射頻需要四根天線,而2×2 MIMO射頻僅需兩根天線,為獲得最佳性能,Wi-Fi mesh網路節點需要8根5GHz天線。此外,有些模組供應商推出了新的8×8設計方案,該方案兩個射頻需要16根天線!

與辦公室內使用的可以隱藏的路由器不同,mesh單元是部署在家中,其路由器必須具有一定的美學吸引力,因此路由器不能是又笨又大的黑盒子,而是應該更加小巧和精緻。但設備的大小會影響性能,天線放得太靠近則難以提供獨立的空間串流(spatial stream),而這正是MIMO的關鍵優勢。

實際上,對單一接取點內、工作在相同頻帶內的兩個獨立射頻來說,無論天線怎樣排列,都不可避免對彼此的性能產生負面影響。為了實現兩個5GHz射頻平行作業所需的額外隔離,需要射頻濾波器。一個射頻配置為在UNII 5GHz頻段的下部工作,其每個天線都有濾波器,以抑制來自頻段上部的雜訊;另一個5GHz射頻配置為在頻段的上部工作,每根天線也都有濾波器,以抑制來自頻段下部的雜訊,而8根天線需要8個濾波器——低通和高通各四個。

這些問題對提供整棟房屋Wi-Fi方案的供應商來說,具有很大的挑戰。大塊頭、不好看的產品,消費者不買單;小巧、美觀,但性能低下的Wi-Fi mesh節點則無法為現代連網家庭提供必要的輸送量和容量。

解決方案

需要找到一個可以在兩個5GHz Wi-Fi射頻之間共用一組天線的方法,這樣就可以減少一半的5GHz天線。但為了在兩個單獨射頻間共用天線,需要一個專用濾波器,即雙工器(diplexer),因為雙工器本質上是高通和低通濾波器的組合。

現在,假設所需的濾波器數量與每個射頻使用專用天線時的數量相同(不共用天線)。當天線在物理上分開時,獨立濾波器只需抑制大約35dB的雜訊;而雙工器中的濾波器需要抑制大約70dB的雜訊。最大的區別在於,級聯兩個35dB濾波器會使濾波器原本已高的插入損耗倍增到不可接受的水準。具有70dB抑制和低插入損耗、確保在濾波過程中不浪費能量的濾波器體積會很大,且價格不菲。這類濾波器經常會用在高功率4G/LTE行動基地台內,而不太適合消費類Wi-Fi接取點應用。

自干擾消除(SIC)技術可為此提供幫助。SIC技術開發的初衷是允許射頻在完全相同的頻率上同時發送和接收。對相互通訊雙方的任一節點而言,對方發射天線發來的訊號為自身需要的期望訊號,而自身發射天線的發射訊號對自身接收端就會造成干擾,這就是自干擾。想要得到更好的接收訊號,就需要想辦法消除自干擾。

與插入到訊號路徑以隔阻不需要頻率的射頻濾波器(不可避免地對有用訊號造成損耗)不同,SIC會創建一個新訊號,即消除訊號,再把這個訊號添加到接收器的輸入端,以徹底消除不需要的訊號。透過直接對發射器的輸出進行採樣並連續監測和調整來自環境的反射,可以產生解析度非常高的消除訊號。對於許多應用,產生消除訊號所需的額外功率是值得付出的額外成本(如果有的話)。

然而,事實證明,SIC還有其他用途,例如在同一個殼體中使能兩個5GHz射頻,它們共用相同天線,以便同時工作而不會降低彼此的性能。

圖1中的頻譜分析儀曲線說明了SIC技術的有效性。為了在附近的頻率上操控第二個射頻,有必要同時降低(接收器的輸入端)發射頻率的發射訊號功率(到標記為「3」的點)和相鄰頻率發射器產生的雜訊功率(到標記為「4」的點)。請注意,消除干擾後,來自干擾發射器的雜訊已降低到本底雜訊水準。

20181109TA31P1 圖1 SIC技術可用於顯著降低相鄰通道干擾。(來源:Kumu Networks)

有一種可用於雙5GHz射頻Wi-Fi mesh網路AP的低成本35dB抑制濾波器,將它與小型、低功耗、低損耗、可提供額外45dB抑制效果的SIC模組相結合,則可以用於共用相同天線的5GHz射頻,且能夠滿足其性能要求。此方案還有另一個好處,由於SIC模組設計用於支援MIMO配置,因此單一模組不僅可以保護作為干擾發射器連接到同一天線的接收器,還可保護連接到其他天線的所有其他接收器。這降低了兩個5GHz射頻的天線隔離要求,使得天線可以非常靠近地放置,允許使用很小的外殼。

總的來說,AP設計人員可以使用SIC技術,使Wi-Fi mesh網路的5GHz天線數量減少50%,同時縮短天線之間所需的物理間隔,而且還不會降低射頻性能。雖單獨使用射頻濾波器不可能實現這些功能,但組合使用SIC和射頻濾波器則可實現。

技術細節

傳統的雙工器是天線連接到發射器和接收器對(PA和LNA)的3埠設備。為了最有效地將SIC RFIC引入雙工器結構,業者已經研製了出了具有5個埠的修訂版雙工器(圖2)。該結構不僅為消除RFIC提供連接點,還確保消除RFIC所觀察的通道與空中通道相同。

20181109TA31P2 圖2 使用SIC技術的傳統3埠雙工器結構(左)和5埠結構(右)的比較。(來源:Kumu Networks)

現在瞭解了SIC模組的適用範圍後,來比較這兩種架構:(1)帶雙5GHz射頻的Wi-Fi mesh網路節點,每個支援4×4 MIMO,不帶SIC;(2)與前述相同,但帶SIC(圖3)。顯然,使用自干擾消除器時,只需要一半的5GHz天線,所有雙工器結構均採用RFIC以提高性能。鑒於消除器能夠減少MIMO鏈之間的交叉干擾,所以它進一步強化了鏈之間的隔離,其結果是,因RFIC以電子方式處理隔離,因此天線之間只需較小的物理隔離就可滿足隔離要求。

20181109TA31P3 圖3 雙5GHz 4×4射頻設計的比較。(來源:Kumu Networks)

結論

訊號隔離有很廣泛的應用。有一類頻譜應用,只需傳統射頻濾波器就可提供足夠性能的應用,顯然是最便宜的方案。另一類頻譜應用,有些工作只能借助SIC技術完成,例如使射頻能夠在同一通道或重疊通道上同時發送和接收。然而,也存在位於以上兩個極端頻譜中間的應用,其數量和重要性都在增長,例如使同一設備中的兩個射頻同時運行,且同時實現最佳性能。這一中間類別應用包括帶雙5GHz射頻的Wi-Fi mesh網路節點,使用傳統射頻濾波器和SIC模組組合可最好地滿足這類應用的要求。