電子工程專輯?2021-10-16 08:29

以下文章來源于無線深海?，作者蜉蝣采采

無線深海.

移動通信交流，無線通信發展趨勢，最新動態，原創科普文章發表。

1. 什么是無線路由器?

在5Ｇ時代，手機套餐中所含的流量越來越多，單位價格也越來越便宜，即便如此，也難以毫無顧忌地刷劇。家庭寬帶，按帶寬收費，流量不限，通過無線路由器將其轉化為Wi-Fi信號，不但可供全家共享，連接各種智能家居也不在話下。無線路由器因此，將無線路由器稱為家庭的數據樞紐也毫不為過。
無線路由器這個名稱可以拆出來兩個關鍵詞：無線和路由。理解了這兩個詞背后的技術原理，就理解了無線路由器。無線也就是我們常說的Wi-Fi。無線路由器可以將家庭寬帶從有線轉換為無線信號，所有設備只要連接自家Wi-Fi，就能愉快地上網了。除此之外，這些設備還組成了一個無線局域網，本地數據高速交換，不受家庭寬帶的帶寬限制。舉個例子，很多人家里都有智能音箱，可以用來控制各種智能電器。當你說小X小X，打開電視時，音箱實際上是通過局域網找到電視并發送指令的，并不需要連接互聯網；而你如果讓它播放新聞時，就必須要通過互聯網來獲取數據了。我們前面說到的局域網，也被稱為內網，在路由器上用LAN(Local Area Network)來表示，因此Wi-Fi信號也被稱作WLAN(Wireless LAN，無線局域網)；而我們要訪問的互聯網，也被稱作外網，在路由器上用WAN(Wide Area Network)來表示。無線路由器接口示意在內網中，每個設備的IP地址是不同的，這被稱作私有地址；而所有設備上外網則共用同一個公有地址，由電信聯通這樣的寬帶運營商分配。路由器，正是連接內網和外網的橋梁。上面說到的IP地址轉換，數據包轉發，就是路由器的路由功能。也就是說，路由器是家庭網絡的樞紐，所有的設備的數據都必須經過它的轉發才能彼此訪問或者到達外部網絡，頗有一夫當關，萬夫莫開的意思，因此功能全面的路由器又被稱作“家庭網關”。無線路由器組網示意
2.? Wi-Fi的關鍵技術
無線路由器的無線接入功能，就是之前說過的無線局域網（WLAN）。目前WLAN只有Wi-Fi這一種主流技術，因此可以認為兩者是等同的。Wi-Fi由Wi-Fi聯盟進行技術認證和商標授權。實際應用中Wi-Fi經常被寫作WiFi或者Wifi，但這兩種寫法并沒有被聯盟認可。?Wi-Fi聯盟（全稱：國際Wi-Fi聯盟組織，英語：Wi-Fi Alliance，簡稱WFA），是一個 商業聯盟 ，擁有 Wi-Fi的商標。. 它負責Wi-Fi 認證與商標授權的工作，總部位于美國德克薩斯州 奧斯汀 （Austin）。
Wi-Fi這個朗朗上口的名字被廣泛認為是對無線高保真（Wireless Fidelity）的縮寫，實際上是誤讀。它只是個單純的名稱，并沒有實際含義，當然也沒有全稱。?Wi-Fi背后的技術標準，則是由美國的電氣電子工程師協會（IEEE）制定的802.11系列協議。
IEEE全稱：Institute of Electrical and Electronics Enginees

2.1? Wi-Fi協議的發展
從1997年的第一個版本開始，802.11系列協議不斷向前演進，經歷了802.11a/b/g/n/ac等多個版本，支持的上網速率也不斷提升。目前最新的協議版本是802.11ax，也就是近年來迅速發展的Wi-Fi 6。

IEEE 802.11系列標準的發展歷程，從第一代到第六代?在最初的很多年里，Wi-Fi雖然一代代向前發展，但世界上并沒有Wi-Fi幾代這樣的說法，直接就用802.11后面加幾個字母這樣的協議編號，對普通用戶非常不友好。?直到2018年，Wi-Fi聯盟才決定把下一代技術標準802.11ax用更為簡單易懂的Wi-Fi 6來宣傳，上一代的802.11ac和802.11n就順理成章地成了Wi-Fi5和Wi-Fi4。至于更早的技術，反正也沒人關注了，也就不用再起馬甲了。
Wi-Fi?6 誕生之后，才有了Wi-Fi 5的叫法

2019年9月16日，Wi-Fi聯盟宣布啟動Wi-Fi 6認證計劃。此后，Wi-Fi 6的大名響徹了全世界，目前新發布的設備基本都已經支持Wi-Fi 6了。
Wi-Fi?6?認證標志

2.2.? Wi-Fi信道及使用的頻段
Wi-Fi主要工作在2.4GHz和5GHz這兩個頻段上。這兩個頻段被稱作ISM（Industrial Scientific Medical 工業，科學，醫學）頻段，只要發射功率滿足國家標準要求，就可以不用授權直接使用。
不同國家的ISM頻段有所不同
2.4GHz作為全球最早啟用的ISM頻段，頻譜范圍是2.40GHz～2.4835GHz，共83.5M帶寬。
我們常用的藍牙，ZigBee，無線USB也工作在2.4GHz頻段。此外，微波爐和無繩電話使用的頻段也是2.4GHz。甚至，有線USB接口的內部芯片在工作時，也會發射2.4GHz的無用信號，造成干擾。?由此可見，2.4GHz上同時工作的設備眾多，頻段擁擠不堪，干擾嚴重。當萬家燈火，你和樓上樓下的鄰居在用Wi-Fi愉快上網的時候，路由器卻在背后默默地挑選信道，協調干擾。?Wi-Fi把2.4Ｇ頻段上的83.5M帶寬劃分為13個信道，每20M一個。注意這些信道是交疊的，本來只能放下3個，現在卻硬生生地擠進去了13個，相互之間的干擾難以避免，只能盡量減輕，大不了大家速度慢一些，排隊輪著用。
2.4G頻譜及信道（第14信道在國內是不允許使用的）
信道交疊到什么程度呢？由下圖可以比較直觀地看出，在這些信道里面，只有1，6，11或者2，7，12，或者3，8，13這三組是完全沒有交疊的，可見2.4GHz頻段的擁堵程度。就好比一條很窄的路，上面通行的車卻很多，堵車頻頻，勢必造成通行速度的下降。
2.4G不交疊的信道分布
到了802.11n，用戶可以使用40M的信道，但2.4GHz頻段依然只有83.5M的總帶寬，就只能容納兩個信道了。因此只有在夜深人靜網絡空閑的時候，單個用戶才有可能使用40M信道，加之來自隔壁老王家的干擾，802.11n的高速率很大程度上難以達到。
2.4G 40M帶寬信道
如果說2.4GHz頻段是羊腸小道的話，5GHz頻段無疑就是康莊大道了。?5GHz頻段的可用范圍是4.910GHz～5.875GHz，有900多M的帶寬，是2.4G的10倍還多！這段頻譜過于寬了，不同國家根據自身情況，定義了Wi-Fi可以使用的范圍。?比如，在中國5GHz頻譜共有13個20M信道可用作Wi-Fi，連續的20M信道還可以組成40M，80M，甚至160M信道。
中國5G信道分布圖
5GHz的帶寬大，上面跑的的設備少，用起來自然速度快，干擾小。因此，如果想要家庭網絡達到良好的速率體驗，可用考慮用5GHz來進行全屋覆蓋。?然而尺有所短，寸有所長，5GHz雖然帶寬大干擾小，但是信號傳播衰減快，還很容易被阻擋，穿墻能力很弱。
2.4G和5G Wi-Fi信號的穿透損耗
因此，跟2.4GHz相比，5GHz信號通常要弱得多。至于它們到底各能覆蓋多少米，這個由于路由器的天線增益，接收靈敏度，家里墻體和障礙物的分布，以及個人期望達到的上網速率都有關聯，很難具體給出。
如果僅考慮到家里的各種智能家居的聯網，2.4GHz的覆蓋和容量通常就夠用了。但如果需要高速上網，最大化發揮家庭寬帶的價值，就必須依靠5GHz才能實現。?因此，Wi-Fi的覆蓋建議不用考慮2.4GHz，直接以5GHz全屋覆蓋作為設計目標。一般情況下單個路由器在家庭的復雜環境下難以實現無死角覆蓋，需要考慮多臺路由器之間的組網以及漫游問題，這點后面再講。

2.3.? Wi-Fi關鍵技術
為什么Wi-Fi的速度越來越快？其實在IEEE的802.11系列協議一直在跟3GPP的4Ｇ和5Ｇ相互借鑒，使用的底層技術都是通用的。
OFDM/OFDMA
OFDM的全稱是正交頻分復用。系統會在頻域上把載波帶寬分割為多個相互正交的子載波，相當于把一條大路劃分成了并行多個車道，通行效率自然就大幅提升了。
在Wi-Fi 5及以前（802.11a/b/g/n/ac），子載波寬度是312.5KHz，到了Wi-Fi 6（802.11ax），子載波寬度縮小為78.125KHz，相當于將同樣寬度的路劃分成了更多的車道。
Wi-Fi 6的擁有更多的子載波
在OFDM下，每個用戶必須同時占用全帶寬下的所有子載波。如果某個需要發送的數據沒那么多，把頻率資源用不滿的話，其他用戶也沒法靈活使用，只能干巴巴地排隊等著，頻譜資源的使用效率不高。

為了解決這個問題，Wi-Fi 6引入了OFDMA技術，后面多了個字母A，其全稱也就變成了正交頻分復用多址。多址就是多用戶復用的意思。
OFDM?vs.?OFDMA
OFDMA可以支持多個用戶在同一時刻共享所有子載波。相當于運輸公司把多個用戶的數據統一打包，共同裝車，充分利用車廂容量，大家的發貨速度就都加快了，頻譜效率得以提升。?? ?? MIMO/波束賦形
路由器上面的天線數量是越來越多，從看不到天線，到一根，兩根，三根，四根，六根，八根…現在不管啥價錢的路由器，都長得跟螃蟹似的，張牙舞爪好不唬人。
為啥要用這么多天線？就是為了更好地實現MIMO（多輸入多輸出）技術。簡單來說，就是在信號發射時，用多根天線來同時發送多路不同的數據，速度自然成倍提升；在接收時，多個天線同時接收手機發來的信號，跟戴了助聽器一樣，接收靈敏度也得到了增強。
單用戶MIMO（SU-MIMO）
如果所有天線同時只為一個用戶服務，就叫做單用戶MIMO（SU-MIMO）。更進一步，路由器四路發射，手機四路接收，也可以更精細地叫做4×4 MIMO。
有時候，路由器的天線眾多能力強悍，但四顧茫然，發現手機個個都是弱雞。路由器能發4路信號，但手機最多只能收兩路，最終下來路由器也就不得不配合著只發兩路。這不是浪費么？
多用戶MIMO（MU-MIMO）
解決辦法也是有的，一個手機的接收天線少，多個手機加起來不就多了？于是，路由器便將多個手機一起考慮，視作一個功能強大的虛擬手機，這樣就又能實現高階MIMO了。這種多手機共同參與的MIMO就叫做多用戶MIMO（MU- MIMO），又叫虛擬MIMO。
除此之外，多個天線還可以通過波束賦形技術，形成指向性的窄波束，對準用戶精準覆蓋。由于窄波束的能量集中，因此可以覆蓋得更遠，穿墻效果也能得以提升。
波束賦形
這樣看來，路由器的天線個數是多多益善呀，買路由器就一定要挑天線多的嗎？這可能是一個陷阱。天線再多，只是在堆一些外部看得見的硬件而已，看起來牛逼閃閃，但內部的設計到底能否支撐這么多天線還是未知數。
更重要的是，不論是MIMO，還是波束賦形，都是需要軟件算法支撐的，這里面的復雜度遠高于硬件，不同廠家算法優化能力不同，可能導致很大的性能差異。?因此，建議在購買路由器時，不用太關注外部到底能看到多少根天線，而要看他們的產品宣傳，是否支持波束賦形，4x4MIMO，或者MU-MIMO？如果廠家在這方面的宣傳聲勢很大，那至少說明他們對這些功能比較自信并將其作為賣點。
調制編碼策略（MCS）
調制編碼，分為調制和編碼兩部分，它們共同決定了單位時間可以同時發送的比特數。調制編碼策略一般將調制和編碼兩部分綜合起來分為多個等級，級別越高，數據發送的速率也就越快。
調制的作用就是把經過編碼的數據（一串0和1的隨機組合）映射到前面所說幀結構的最小單元：OFDM符號上。經過調制的信號才能最終發射出去。BPSK，QPSK，16QAM，64QAM及256QAM星座圖
常用的調制方式包括BPSK、QPSK、16QAM，64QAM和256QAM，能同時發送的比特數為1個，2個，4個，6個和8個。Wi-Fi 6可以支持1024QAM，可同時發送10個比特的數據，速率自然大為提升。

256QAM和1024QAM對比圖
可是，原始數據在編碼時，為了糾錯而加入了很多的冗余比特，真正的有用數據其實只占一部分。我們考慮上網速率時，說的僅僅是有用數據的收發速率，冗余比特都在解碼的時候丟棄掉了。

這就要引入碼率的概念，也即是有用的數據在編碼后總數據量中的占比。如果碼率是3/4，就是指編碼后的數據中，3/4是有用數據，1/4是后來添加的冗余比特。
不同的調制方式，加上不同的碼率，就組成了調制編碼策略（MCS）。下表是Wi-Fi 6中的MCS表，可以看出最高階MCS為11，對應于1024QAM加5/6的碼率。
Wi-Fi 6 的MCS表
正是通過這些技術的不斷演進，Wi-Fi標準一代代向前，速率越來越高，讓我們更為暢快地上網。

3. Wi-Fi的上網速率估算

Wi-Fi到底能達到多大速率呢？路由器廠家宣傳的Wi-Fi 6可以達到1800Mbps，3000Mbps，甚至5400Mbps速率，到底是怎么算出來的呢？要計算Wi-Fi可以達到的峰值速率，必須用到前文講到的幾點技術：OFDM，MCS，以及MIMO。OFDM：正交頻分多址，把整個系統帶寬劃分為多個正交的子載波，劃分的粒度越細，子載波越多，可同時發送的數據就越多，速率自然也就越高。此外，OFDM技術最終要把數據打包在一個一個的符號（Symbol）中發送，每個符號花的時間越短，兩個符號之間的間隔（Guard Interval，GI）越小，速率也就越高。MCS：調制編碼策略，對速率的影響主要是調制方式和碼率這兩方面。無線環境越好，可以使用的調制階數越高，單位時間攜帶的比特數也就越多，用于檢錯糾錯的冗余比特也就可以少加一些，碼率提升，有用數據的發送速率自然也就加快了。MIMO：也就是通過多根天線，在空間中能同時發送的數據流數。空間流數越多，速率越高。比如，4x4MIMO的理論速率是2×2 MIMO兩倍，效果立竿見影。綜上，單個頻段Wi-Fi的峰值速率可以用下面的公式來計算。跟5G峰值速率的計算類似，上述公式也可以用公路系統來類比。Wi-Fi 峰值速率計算公式空間流數相當于多層交通，子載波數量相當于每層公路上的多條車道，調制階數相當于路上貨車的車廂容積，碼率相當于給貨物增加了包裝箱，OFDM符號時長和符號間隔相當于貨車在公路的通行時長再加上發車間隔。Wi-Fi速率和公路運力的類比空間流數：隨著協議的演進，Wi-Fi能支持的空間流數越來越多，推動峰值速率不斷提升。
如下表所示，IEEE制定的802.11ac最多能支持8流，但是Wi-Fi聯盟（WFA）在認證的時候，覺得這個能力過于強了，實現起來成本太高，因此就分成了兩個階段：wave 1和wave 2。各Wi-Fi協議版本支持的空間流數這兩個階段的能力也比較保守，并未最終實現IEEE的設計能力。Wave 1可支持3流，Wave 2可支持4流。到了802.11ax，最多可以支持到8流。Wi-Fi聯盟將其包裝為Wi-Fi 6，也不再搞過渡版本了。但你的路由器到底能支持到幾流，還要看廠家具體的實現。有效子載波數量：802.11系列協議對子載波的劃分越來越細，可支持的信道帶寬越來越大，這兩點促使有效子載波數量不斷增加。如下表所示，802.11n可支持最大40M信道帶寬，802.11ac則能支持160M帶寬，因此有效子載波數量翻了4倍有余。各Wi-Fi協議版本支持的載波帶寬和有效子載波數量到了802.11ax，同樣最大支持160M信道寬度，但子載波間隔卻僅為之前協議的1/4，從而最大支持的子載波數量相比802.11ac又翻了4倍。調制階數：802.11ac最大支持256QAM，調制階數為8，也就是每個符號可同時攜帶8個比特的數據。各Wi-Fi協議版本支持的調制階數802.11ax則最大支持到1024QAM，每個符號可同時攜帶10個比特的數據，比前一代提升了25%。MCS和碼率：協議定義了多種調制方式和碼率的組合，就是調制編碼策略（Modulation Coding Scheme, MCS）。各Wi-Fi協議版本支持的MCS調制階數越高，碼率越高，抗干擾能力也就越差。因此在無線信號強度足夠，且干擾很小的時候，高階MCS才能發揮作用。符號長度 + 符號間隔：在802.11ac及以前，單個符號長度3.2微秒，符號間隔是0.8微秒，但也支持0.4微秒。我們計算峰值速率當然用短的間隔，因此802.11ac的符號長度+符號間隔為3.6微秒。各Wi-Fi協議版本支持的符號長度和符號間隔到了802.11ax，符號長度成了12.8微秒，間隔長度為至少0.8微秒，兩者加起來就是13.6微秒。這個值雖遠高于之前的協議，看似吃了虧，但802.11ax在其他方面非常優秀，速率還是對前輩形成了碾壓之勢。把上述多個表格中的數據帶入公式計算，采用該協議可支持的最高階調試方式及碼率，符號間隔使用最小值，先不考慮空間流數，單流的計算結果見下表。各Wi-Fi協議版本支持的單流速率不同無線路由器Wi-Fi峰值速率的支持能力不同，主要體現在2.4G和5G這兩個頻段可支持的帶寬，以及空間流數。2.4GHz通常最大支持到40M帶寬，5GHz頻段可最大支持160M帶寬，再根據協議版本的不同，以及空間流數的不同，把兩個頻段能支持的峰值速率加起來，就是路由器官方宣傳的峰值速率了。各型號路由器支持的峰值速率上圖是蜉蝣君根據路由器的標稱速率，來估計2.4GHz和5GHz這兩個頻段可支持的信道帶寬以及流數，并對速率計算進行了驗證。舉例來說，對于AC1200，其中的AC是指它最高可以支持到802.11ac協議（Wi-Fi 5），2.4GHz頻段只能使用802.11n ，支持2×2 MIMO，速率可達300Mbps，5GHz頻段也是2×2 MIMO，速率為867Mbps，總和為1167Mbps，就按照1200M來宣傳了。對于AX5400，其中的AX是指它最高可以支持到802.11ax協議（Wi-Fi 6），2.4GHz頻段支持2×2 MIMO，速率可達573.6Mbps，5GHz頻段可支持160M信道帶寬及4×4 MIMO，速率為4804Mbps，總和為5377.6Mbps，就按照5400M來宣傳了。

4. 家用Wi-Fi組網指南話說在遠古時代，我出差亞非拉時總是有一種焦慮感，唯恐入住的酒店或者宿舍沒有網絡或者沒有Wi-Fi，因此必隨身攜帶插線板，網線和一個便攜式路由器。近幾年發現Wi-Fi幾乎已經無處不在了，這套裝備也逐漸蒙上了厚厚的塵土。這個便攜路由器，直接插上網線啥都不用管就能用了，家里也曾使用過的多款路由器，大部分也都是直接插上電源，用手機簡單配置下就成。至于用的是啥工作模式和組網方案，并沒有特殊關注。近期，我拿出了塵封已久的便攜路由器研究了下，發現事情并沒有那么簡單。為了達到更好的覆蓋效果，路由器之間可以靈活組網，有多種工作模式。了解了這些原理之后，在家庭網絡覆蓋規劃時，就能做到成竹在胸。4.1.?? 兩個基本概念 ???SSIDSSID的全稱是Service Set Identifier，翻譯成中文就是服務集標識。這個概念看似高大上，其實就是Wi-Fi信號的名稱。無論在哪里，只要用電腦或者手機一搜，必然能看到一連串的Wi-Fi SSID以及它們的信號強度。這些Wi-Fi信號可以是加密的，也可以是不加密的。電腦搜到的SSID列表這就是SSID的核心功能：將一個無線局域網（WLAN）分為幾個需要不同身份驗證的子網絡，每一個子網絡都需要獨立的身份驗證，防止未被授權的用戶進入本網絡，一般的家庭組網都會設置密碼。SSID名稱示意一般的雙頻路由器都可以把2.4GHz和5Hz這兩個頻段分為兩個SSID，但這可能會造成困惑，經常出現連接2.4GHz頻段的SSID，難以切換到5GHz的情況。因此很多路由器也支持雙頻合一，系統自動設置信號切換門限，用戶無感知。? ???網段局域網內的每個手機或者電腦都有一個IP（Internet Protocol，網絡層協議）地址用于相互通信，我們常見的格式（IPv4）由32位0或者1組成。32位二進制IP地址的格式大體如下：11000000101010000000000000000001，可是這看起來一點都不直觀。于是我們把它分為四段：11000000.10101000.00000000.00000001，這還是不夠直觀。于是我們把它轉換為十進制：192.168.0.1，這下終于看著順眼多了。為了方便管理，我們把IP地址分為兩部分，網絡前綴和主機地址。網絡前綴標識了一個網絡，也稱為網段，主機地址用來標識該網絡內部的每一臺設備。IP地址示意如上圖所示，該地址前三段的“192.168.0”為網絡前綴，最后一段的“123”為主機地址。最后的主機地址中8位二進制數字的范圍是0~255，0和255作為特殊用途，實際可用的范圍是1~254。子網掩碼用一連串的1來表示IP地址中哪些位是網絡前綴。在上圖的例子中，IP地址的前三段24位都是網絡前綴，掩碼標記為11111111111111111111111100000000（不用數，24個1），同樣分為4段再轉換為10進制，就是255.255.255.0，也可以附在IP地址的后面，寫作192.168.0.123/24。IP地址和子網掩碼設置示意同一網段內部的設備可以相互通信，不同處于網段的設備，需要通過路由器的路由功能進行轉發才能互通。家庭網絡中的設備不多，在組網時建議盡量讓所有設備處于同一網段下，方便相互訪問。’ alt=圖片 class=”rich_pages wxw-img” data-ratio=0.4578111946532999 data-s=”300,640″ data-type=png data-w=1197 data-src=”https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/hiblEpPKcbfMKibEqX2hVTo6YaCJ9ibrBwWdoIygZFefhg0cWAg1XdkXTyiaXBic0ZqORucqcAtZlaw53qrfpxiaoSVg/640?wx_fmt=png” data-fileid=502462531 _width=390px wah-hotarea=click crossorigin=anonymous data-fail=0 v:shapes=”_x0000_i1062″> 網段間通信示意上圖僅用網線連接的PC電腦來作為示例，實際上每個網段都可以通過有線或者無線方式來接入，設備也不限于電腦，手機，音箱，攝像頭，門鈴等可以聯網的設備都是可以的。4.2.?? 路由器的工作模式和組網無線路由器的工作模式眾多，大體可分為路由模式和AP模式。AP模式又可以細分為AP模式（套娃），中繼模式，橋接模式及客戶端模式。基于這些基本的工作模式，多個路由器之間可以形成AP+AC，以及Mesh這兩種組網方式，達到無縫覆蓋，自動漫游的效果。
   路由器的工作模式和組網示意
   4.2.1? 路由模式絕大多數無線路由器都工作在這種模式之下，同時使用了路由器的無線接入功能和路由功能。最常見的用法是，路由器WAN口連接入戶光貓，并設置PPPoE撥號上網并提供各種路由及安全防護功能。為了熊孩子的未來，上面還可以配置多種上網管控策略，如IP地址，網址，應用訪問的限制等。對應地，路由器的無線接入功能則負責發射Wi-Fi信號組成無線局域網WLAN，進行全屋無線信號覆蓋。接入WLAN和連接有線LAN口的多個設備位于同一個局域網內，擁有相同的網段，可以直接進行內網通信。路由模式示意此外，還可以把路由器用WAN口和上級路由器的LAN口連接起來，形成二級路由，就可以配置兩個網段的內網，以及兩個不同的Wi-Fi名稱（配成一樣的也行）。這種組網無法實現兩個路由器之間的無縫漫游，一個Wi-Fi信號減弱并切換到另一個過程伴隨IP地址的變化，網絡中斷感覺明顯。4.2.2? AP模式AP就是指接入點（Access Point）。顧名思義，工作在這種模式下的路由器只有接入功能，并沒有用到路由功能，因此就不提路由二字了，直接叫做接入點。接入點沒有路由功能，并不代表路由功能就不存在，只是由另一臺路由器來承擔了而已。也就是說，AP模式下的路由器無法獨立完成上網重任，需要跟另外一臺路由器協作，多用于覆蓋的擴展。AP模式有3個子模式：AP模式（套娃），中繼模式，橋接模式。? ??AP模式啟用AP模式的路由器通過網線和上級路由器連接，僅有接入功能作為無線覆蓋擴展（用作主力覆蓋也可以），路由和DHCP等功能由上級路由器完成。因此接入AP的手機或者電腦和上級路由器處于同一網段，可直接互通。AP的無線網絡名稱（SSID）和密碼可以獨立設置，跟上級路由器的相同或者不同都行。如果Wi-Fi名稱的設置不同，兩個設備之間肯定是沒法無縫漫游的，只能是一個信號太弱斷開之后再連另一個，或者手動連接。就算把這些AP設置為相同的SSID，看似家里只有一個Wi-Fi信號，但實際上AP和主路由的無線信號缺乏交互，配置和管理比較麻煩，也是無法實現無縫漫游的。AP模式示意這種組網下的AP功能完善，每個節點都要分別配置，相互獨立工作，因此叫做“胖AP（Fat AP）”。胖AP們虎踞龍盤，沒有統一的管理，各自的覆蓋之間也無法漫游，在家里數量少了還能湊合用，在商場，機場這些超大空間，需要的AP數量極其龐大，就只能另請高明了。? ??AP+AC組網既然胖AP不好管理，我們可以把它再進行拆分，只保留最基本的接入功能，將配置管理功能獨立出來，組建為一個全新的設備：接入控制器（Access Controller，AC），普遍簡稱作AC。AP+AC組網示意AC負責管理所有的AP，只要在AC上進行統一配置，就可以自動同步到所有的AP節點，并且所有AP的工作狀態都可以在AC上進行實時監控，維護起來也非常方便。這種狀態的AP只需要好好干活就行，其他啥都不用管，當然也就沒啥花花腸子了，因此叫做“瘦AP（Fit AP）”。更重要的是，通過讓AP們支持802.11k/v/r協議，就可以實現AP間的無縫漫游了。802.11k：無線資源測量協議，可幫助終端快速搜索附近可作為漫游目標的AP。802.11v：無線網絡管理協議，用來解決AP之間的負荷均衡，以及終端節電等功能。802.11r：快速漫游協議，用于加速手機或者電腦在漫游時的認證流程。上述漫游協議需要路由器和手機同時支持才能正常工作。在各廠家的實際AP產品中，大多支持802.11k/v協議，對于家庭網絡已經足夠用了。這個方案簡直完美啊，還有沒有改進空間呢？我們考慮下，大量的AP要跟AC連接，除了要提前鋪設大量的網線之外，還要準備對應的電源給AP供電，這工作量就大了去了。網線本身也是電線么，AP的功耗一般也不高，網線能不能在傳數據的同時也把供電的活給干了呢？還真可以。這種供電方式有專門的協議，叫做PoE（Power over Ethernet，以太網供電），需要交換機等連接設備和AP雙方都支持才能正常供電。AP+AC+PoE供電組網示意這樣一來，我們在AC的后面再接上一個PoE交換機，再把所有等AP換成可以支持PoE的型號，就可以實現PoE供電了，省去了多處拉電源線的煩惱，頓時感覺網絡清爽了許多。然而有人可能要說了，我家就2個房間再加1個客廳，一共3個AP就夠了，結果不但要搭上接入主路由器，AC，再來個PoE交換機，不但成本高，連弱電箱都沒空間放了！確實如此，AC+AP方案主要用于大面積的商業場所，再不濟也是別墅這種多層樓且房間多的情況，對于普通住宅有些殺雞焉用宰牛刀的意思，確實不大合適。路由/AC/PoE一體機+AP組網示意不過商家也針對性地開發了精簡的方案，把路由器，AC和PoE交換機合而為一，稱之為“路由/AC/PoE一體機”，跟普通的家用交換機大小仿佛，成本也大幅降低。與此同時，上述方案也將AP也集成在傳統的86型網線插座面板內，完全隱藏于無形，卻達成了Wi-Fi無縫覆蓋，信號強勁的最佳狀態。面板式AP組網示意圖AC+AP的優點顯著，但也有缺點。那就是所有的AP都需要使用網線和AC連接，這就要求在裝修時就考慮好Wi-Fi組網，并布好網線。如果沒有網線可達，就必須考慮其他方案了。4.2.3? 中繼模式
   跟AP模式不同，在中繼模式下的路由器和上級路由器之間并沒有網線連接，只是單純地接收上級路由器的無線信號，進行放大后再發出去，不做任何處理。中繼模式組網示意因此中繼模式下AP信號的Wi-Fi名稱和密碼都跟上級路由是一樣的，所有的設備也都位于同一網段。對于用戶來說，接入中繼AP和主路由的效果是完全一樣的，中繼AP僅相當于一個擴展覆蓋的管道，一切的處理都由主路由進行。4.2.4? 橋接模式橋接模式和中繼模式比較類似，也是在沒有網線的情況下，通過無線來連接兩個路由器。兩者的差異在于：中繼模式工作于物理層，不能做任何設置，而橋接模式則工作于數據鏈路層，可以配置獨立的SSID。橋接模式組網示意雖說SSID可以不同（也可以配成相同的），但處于橋接模式下的路由器和主路由器的網段是相同的，設備連接之后可以互相訪問。工作中繼或者橋接模式的路由器，必須在主路由的覆蓋范圍內才能放大信號來進行上網。如果在主路由的信號很差的位置，放大之后雖然手機看到的Wi-Fi信號是滿格的，但是網速依然很慢甚至可能很不穩定。并且，主路由是不知道下級中繼或者橋接節點的存在的，它們之間也不存在管理和交互的關系，沒法進行漫游，只能等待信號過差斷開之后手機再重新連接另一個節點。有沒有方法能綜合AC+AP這樣的有線組網，以及中繼或者橋接這樣的無線組網，并能智能管理這個網絡，實現簡化配置，無縫漫游的效果呢？這就要用到Mesh組網技術了。4.3? Mesh組網Mesh又叫多跳網絡，由多個地位相同的節點通過有線或者無線的方式相互連接，組成多條路徑，最終連接到跟互聯網相連網關。這樣的網絡存在一個控制節點來對所有節點進行管理和配置數據下發。
   下圖是一個實際組網的案例，由主路由作為網關和控制節點，其余節點通過有線或者無線連到主路由，或者通過無線來相互連接。這樣一來，弱覆蓋的區域不論有沒有網線，網絡都可以靈活地按需擴展。Mesh組網示意路由器之間的有線連接叫做“有線回程”，對應地，無線連接就叫做“無線回程”。Mesh組網非常適合于家庭Wi-Fi覆蓋使用。想象一下這樣的場景：第一步：小明買了套房子，起初只有小兩口住，于是就先買了個路由器放在客廳，離得近的主臥也覆蓋良好，夫妻倆覺得這就夠用了。第二步：小孩出生后，老媽和丈母娘也來幫忙照顧，但其他房間的Wi-Fi信號不佳，直接再買個路由器，通過有線的方式Mesh組網，無縫漫游效果好。第三步：大家一致反映衛生間上網困難，那就再買個路由器掛墻上，通過無線的方式和前兩個Mesh組網，這下大家都很滿意，就是如廁的時間變長了。雖說這些路由器的型號不同，但只要都支持Mesh組網就可以配合使用，不像AC+AP那樣還要搭上個AC和PoE交換機，還有網線的限制。最主要的是，普通的家用路由器已經普遍支持了最新的Wi-Fi協議，價格還低。目前各個廠家對于Mesh組網的實現各不相同，起的名字自然也不同。一般情況下，不同廠家的路由器之間是不能組Mesh的，這可能會限制路由器的購買選擇。為了解決不同廠家的路由器的互聯互通問題，Wi-Fi聯盟推出了EasyMesh技術，可以讓不同廠家的路由器之間也支持Mesh組網。Wi-Fi聯盟的EasyMesh組網但是廠家都各有自己的算盤，本來用互不兼容的Mesh技術就可以圈住用戶了，支持了這EasyMesh讓用戶選別家的產品，這明顯對自己不利啊。因此EasyMesh目前的支持率并不高。為了更好地支持Mesh組網，讓用戶獲得更高的網速，廠家就專門拿出一個5GHz頻段來做路由器之間的無線回程，這樣路由器就需要同時支持一個2.4GHz和兩個5GHz頻段，因此叫做“三頻路由器”。三頻Mesh路由器示意
   網上經常有家用組網到底Mesh和AC+AP哪個方案好的疑問，在此給出蜉蝣君的一些看法。首先，無論是Mesh組網還是AC+AP，都可以達到全屋覆蓋和無線漫游的效果。Mesh組網在全部使用有線回程的情況下，基本上等同于AC+AP。Mesh組網更為靈活，可用無線回程，也可用有線回程，還可以混合使用，而AC+AP則只能使用有線連接，需要提前規劃布線。另外，AC+AP方案中的AC可以置于弱電箱，AP使用面板式也不占空間，所有設備沒有任何的網線和電源線外露，非常清爽美觀。而Mesh方案則需拖著拉網線和電源線，美觀性上要差得多。最后，AC+AP需要購置至少一臺路由/AC/PoE一體機和兩臺AP才有意義，如果要支持千兆網口和Wi-Fi6，這些設備都不便宜；而Mesh組網則親民多了，兩臺路由的價格遠低于AC+AP。在選擇組網方案時，可以根據上述兩方案的特點綜合考慮。

5. 無線路由器的其他功能簡介

對于無線路由器而言，除了前面幾期說到的無線接入功能之外，路由功能也非常關鍵，它解決的是你怎么上網的問題。? ???上網撥號?一般情況下，你在辦理家庭寬帶時，運營商會為你分配一個賬戶，具體表現就是一個用戶名和密碼，這就是你接入互聯網的通行證。路由器上的WAN口用于連接光貓，之后就可以在WAN口配置里，選擇上網接入方式。絕大多數情況下，需要選擇PPPoE撥號，再輸入用戶名和密碼之后，運營商會給你分配一個IP地址，路由器就成功聯網了。Wi-Fi撥號上網示意圖
WAN口的聯網方式還有動態IP和靜態IP這兩種方式，不過國內的運營商基本上是不用的。如果家里有兩個以上的路由器組成多級路由的話，就需要設置上述兩種方式。?????NAT（網絡地址轉換）運營商分配只會給你分配一個公網IP地址，理論上只允許一個設備上網。但現在家家都有多部手機，多臺電腦，以及各種物聯網設備需要聯網，這可怎么辦？我們知道，路由器的LAN口及WLAN（Wi-Fi）組成了一個局域網，路由器同樣會給接入的每一個設備分配一個不同的IP地址。這些IP地址一般以192.168.x.x開頭，他們屬于私有地址，只能在局域網內部使用。網絡地址轉換示意圖?這些設備要上網，就必須把私有IP轉換成對外的公有IP才行，這就要用到NAT協議。NAT可以把多個私有地址轉換為公有地址，這樣一來多個設備就可以共享同一個公有IP來上網了。? ???安全管理路由器作為家庭網關，防火墻的功能一般都是必備的，可抵抗網絡攻擊。防火墻最常見的功能是DoS（Denial of Service）攻擊保護。DoS攻擊，俗稱拒絕服務攻擊，通過發送大量的無用請求數據包，從而耗盡路由器的CPU和內存等資源，導致無法進行正常的服務。網絡攻擊除了防火墻之外，安全管理還有很多實用的功能。很多人想限制孩子上某些網站，限制使用某些APP，或者限制上網時間段，都可以通過防火墻功能來實現。IP地址過濾：限制接入路由器的用戶訪問某些IP地址，或者限制局域網內的某個IP地址訪問外網。MAC地址過濾：根據MAC地址來限制局域網內的某個設備聯網。MAC地址一般是固定不變的，結合時間段的配置，該功能可以實現精細的設備管理。網址/域名過濾：限制聯網設備對某些網址，或者域名的訪問。如果家里有小孩，可有效管理小孩對某些網站的瀏覽。應用程序過濾：限制某些應用程序的聯網，可以精細設置使能時間段。比如，可以根據需要設置周內禁止玩游戲，周末可限時玩等規則。? ???其他功能QoS(Quality of Service，服務質量)：對某設備進行限速控制，也可以針對數據包進行優先級控制，比如：游戲優先，網頁優先，視頻優先等智能控制。DDNS（Dynamic DNS，動態域名服務）：可以用來在自己的或家里架設WEB\MAIL\FTP等服務器，借助路由器DDNS綁定域名，可以將我們電腦作為服務器功能來使用，供外部用戶訪問。遠程下載：可以設置下載地址，并自動從指定的服務器地址下載文件到路由器的存儲空間（通過USB接口外接移動硬盤）內，并實現資源共享。路由器除了撥號上網和NAT之外的其他功能，雖然我們一般情況下用得不多，但對此有個大概了解，說不定哪天就用到了。你說呢？

6. 無線路由器的硬件簡介

到路由器的硬件，很多人可能會說，我就是要買個路由器而已，又不是造個路由器，知道這么多細節又能做啥？
這種想法，其實……也對。路由器其實跟我們常用的電腦或者手機類似，內部也包含了CPU、內存、硬盤等等對應的配置，這些硬件能力越強，想必路由器的性能也就越強悍。但當你在購物網站打開某款路由器的介紹時，會發現大多數廠家的各種牛逼閃閃的亮點宣傳，其實都是顧左右而言它，就是不想告訴你這玩意兒內部到底配了啥。反正絕大多數人對此也沒有太多要求。如果優秀的你想要詳細了解一款路由器的肚子里到底有多少貨，做工到底扎不扎實，就只能去看拆機視頻了。到了這一步，事先了解下路由器的硬件組成和作用就是有必要的了。好，那我們這就開始。? ???CPU說是CPU，其實叫做SoC（System On Chip，片上系統）更為精確，因為一般的處理芯片都集成了CPU和很多其他的重要功能，形成了一個片上系統。無論是中端還是高端路由器，CPU都是當仁不讓的計算核心，所有的數據轉發都會經過CPU。因此CPU決定了路由器的負載能力，能夠承受多少的數據吞吐量，其性能、功耗、散熱措施等都是非常重要的。在低端家用路由器中，CPU負責路由表查詢和數據包轉發。在中高端家用路由器中，CPU主要負責操作系統和其他附加功能的運行，包轉發和路由表查詢則主要由ASIC芯片完成。目前常見的家用無線路由器CPU廠商主要是這么幾個：博通（Broadcom），高通（Qualcomm），MTK（聯發科），瑞昱（Realtek）。對于動手能力強，想要刷新第三方固件的用戶來說，就需要考慮CPU的品牌和型號了，我們通常認為博通>高通>其它。此外集成了CPU的SoC芯片還決定了對外網口接口的數量，USB接口類型等等。當然，有些路由器使用外置接口的擴展，而不使用SoC集成的配置。? ???內存（RAM）這里的內存（RAM）和我們通常所說的電腦內存的含義相同，在手機上也叫做運存。無線路由器中的內存主要用來儲存操作系統指令，動態數據、緩沖報文等數據。通常來說，路由器內存越大越好。路由器廠家的軟件算法優化地好的話，可以節省大量內存，硬件使用效率更優。相對智能手機動輒6G到8G的內存來說，路由器的功能比較少，對內存的需求沒有那么大。一般來說，千兆路由器使用128M內存就夠用了，256M已經屬于高配大內存了。? ???閃存（Flash）閃存相當于路由器的硬盤，用來存儲路由器的固件，也就是操作系統。一般來說，容量16M或者32M就夠用了，附加功能或者魔改較多的路由器可能要128M乃至256M，如果不太想刷固件折騰的話不用特別關注。?????無線管理芯片顧名思義，無線管理芯片是用來支撐路由器的無線功能的。也就是說，路由器支持Wi-Fi 5還是Wi-Fi 6，幾個發射天線，MIMO功能到底如何，都是由無線管理芯片決定。該芯片可以獨立部署，也可以集成在SoC芯片中。? ???功放芯片功放芯片也就是射頻前端模塊（FEM），由功率放大器（PA）、濾波器、雙工器、射頻開關、低噪聲放大器（LNA）、接收機和發射機等子模塊組成，也都封裝在射頻芯片中。射頻前端是無線信號處理距離天線最近的一步，其性能直接和Wi-Fi信號的質量和穩定性相關。無線管理芯片一般都集成了內置的射頻前端，但廠家也可以棄之不用，而使用性能更強的外置獨立射頻前端。一般認為，每根天線都擁有獨立的射頻前端時路由器才能達到最佳的無線性能，因此有很多路由器以此作為賣點宣傳。? ???網絡端口網口是路由器上所必備的，分為連接光貓或者上級路由器的WAN口和具有內部交換功能的LAN口。絕大多數的家用無線路由器都具備一個WAN口和四個LAN口，組網一般都是夠用的。考慮到目前無線組網已成為絕對的主流，很多路由器已經把LAN口減配為一個或者兩個，甚至不再從硬件上區分WAN口和LAN口，而靠軟件去自適應識別。在Wi-Fi6和超過100M以上的寬帶已普及的時代，網口速率至少需要選擇千兆的。當心不要被配備百兆網口的千兆路由器欺騙，這類路由器的價格一般非常低，購買的時候需要注意。隨著光纖入室（FTTR）技術的發展，家庭全光組網方案也已上市。光纖這種介質能提供幾乎不受限的傳輸容量，有超高帶寬需求或者考慮未來帶寬升級的同學可以考慮。? ???路由器架構及實物拆解蜉蝣君找到了一張TP-Link某款路由器的架構圖，我們可以一起來簡單看看這款產品（非廣告，這玩意普聯也不在國內賣）的里面到底配了些啥。TP-Link路由器首先，最中間的是高通的SoC芯片，內部集成了主頻為700MHz的CPU，以及2.4GHz頻段的無線管理模塊，可支持802.11g（Wi-Fi 3），并連接到了3路外置的射頻前端模塊，也就是說2.4GHz支持3根天線。
路由器設計架構圖從SoC的PCIe總線延伸出去，可以看到另一塊支持5GHz頻段的無線管理芯片，可支持802.11ac（Wi-Fi 5），也連接到了3路外置的射頻前端模塊，也就是說5GHz也支持3根天線。
由此可以得出，這是一款支持Wi-Fi 5的雙頻路由器，兩個頻段共配置有6根天線，分別都可以支持3x3MIMO，用料還是不錯的。可是，路由器的外部僅僅赫然挺立著3根天線，剩余的3根去了哪里？其實是集成在路由器內部的，人家就是這么低調。路由器實物拆解由此可見，靠外置天線數量來推測路由器的能力是很不靠譜的，不迷信八爪魚看似牛逼的外表，具體性能如何還是要看參數，拆硬件。
好了，關于無線路由器及Wi-Fi的介紹就到這里，希望對大家有所幫助。歡迎點贊，收藏，轉發。

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任何一項新生的通信技術，從誕生到成熟，都要經歷制定標準、研制試用、商用推廣幾個階段。從5G問世以來，伴隨著5G的另一個熱詞——5G超級上行也成了大家的關注焦點。經歷了三年多時間，5G超級上行的規模商用終于來了。

據華為消息，業界首次5G超級上行“跨站”靈活配對技術，在近日終于實現了全網商用。廣州聯通聯合華為一起，累積將近3000個站點開通了5G超級上行，這樣一來，5G超級上行的生效用戶比起傳統方式又增加了一倍。

那么，什么是5G上行呢？

想理解這個問題，必須先明白什么是上行。大家都知道，從2G到4G，我們對于網絡的需求，更多的是從網站下載內容，這就是對網絡下行的需求。但是從2019年末，受一些原因影響，大家長時間居家，網絡成了聯絡人際關系的主要途徑，在線網課、線上會議、高清直播都成了人們的迫切需求，而這些都需要能夠實時上傳高清視頻。有數據顯示，在那段時間里，全球移動網絡增長了40%的上行流量。

如果說，這是上行流量需求剛剛嶄露頭角，那接下來的一段時間里，沉浸式視頻、交互式視頻的流行，把人們對上行流量的需求推到了一個新的高峰。這也是上行流量第一次在移動網絡中占據核心位置。

然而，5G比2G、3G、4G的頻段更高，小區覆蓋范圍更小。不過，網絡下行可以通過增加基站的發射功率，或者采用波束賦形的技術來彌補；但是網絡上行就沒那么簡單了，手機發射的功率和天線的數量都成了制約上行的絆腳石。舉個例子，基站就好比是個大喇叭在廣播，而手機好比我們人發聲，一旦手機和基站離得太遠，就算人喊破喉嚨，基站也很難聽見。

所以，5G超級上行順勢而生。回到剛開始的問題，什么是5G超級上行？

簡單來說，5G的雙工模式有兩種：一種是上行和下行綁定在同一個頻段上，我們把這種模式稱作是FDD，也叫雙頻分工，這種模式下，上行下行分別在獨立的信道上傳輸，就像我們的雙向車道，兩個方向來車各跑各的，互不干擾。還有一種是上行和下行在同一個頻率信道上傳輸信號，只不過兩者傳送信號的時間不同，這種模式我們稱作是TDD模式。這種模式下，上行和下行就像潮汐車道，大家分時間跑。

而5G超級上行，就是TDD和PDD協同的情況下，低頻高頻互補，充分發揮3.5G大帶寬能力，不僅能夠提高上行的帶寬，還能提升上行的覆蓋范圍。5G超級上行“跨站”靈活配對技術，能夠讓TDD小區和FDD小區的超級上行配對最優化，簡單來說，就是提高了5G網絡覆蓋和用戶體驗感，讓上行用戶的視頻體驗達到1080p和4K水平。

以上就是關于華為5G在業內首次實現“跨站”規模商用的相關內容。對于華為5G超級上行，大家有什么想說的？歡迎在評論區留言交流。我是柏柏說科技，資深半導體科技愛好者。關注我，帶你了解更多最新的半導體資訊，學習更多有用的半導體知識。

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在航空器、導彈等高速飛行器上，全球定位系統GPS是不可或缺的組件，它廣泛應用于導航、測繪、監測、授時、通信等多種領域。而在GPS系統的研究開發過程中,天線成為必須解決的關鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動力性能，又不破壞其機械結構和強度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優點的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應用。

目前，對于錐面共形天線陣的研究報道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會急劇惡化，輻射特性也會有劇烈的起伏，極不穩定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設計中的核心問題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設計出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時提高了天線的性能。

2 ?設計要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺上，錐臺上底面圓周長約為0.26λ0（λ0為天線中心頻率的波長），下底面圓周長約為0.67λ0，錐臺母線長H約為0.24λ0，工作頻率為f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結構，陣元弧面間距僅為0.25λ0，遠小于天線工作頻率的半波長，陣元間耦合強烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設計實現小型化，保證中心頻率并穩定天線輻射性能成為首要設計要求。

圖1 ?天線安裝錐臺示意圖

3 ?理論分析與設計

本文先利用一般微帶天線的設計方法設計天線單元，并對饋電方式進行改進，利用Ansoft HFSS軟件對天線單元進行仿真優化設計，大大降低了天線陣的設計復雜度。

3.1 ?天線單元的分析與設計

在天線的設計中考慮到安裝平臺的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數柔性介質基片，介質厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為[5]：

（1）

（2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×108m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長量，可由下式求得:

（3）

er為介質基片的有效介電常數，由邊緣效應決定，可由下式求得:

（4）

圖2 ?天線單元結構示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細，那么在實際加工及調試過程中就會比較容易被折斷，所以考慮到這些問題，根據微帶線特性阻抗設計公式計算，在er=10.2，基片厚度為0.6mm的情況下，輸入阻抗為50Ω的饋線寬度為0.6mm;輸入阻抗為20Ω的饋線寬度為2.5mm。顯然在20Ω時的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設計單元的輸入阻抗為20Ω。

通過在天線單元邊緣開槽使微帶饋線深入單元內部的方法，能夠很好的調節單元的阻抗特性，實現天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。 天線單元的結構示意圖如圖2所示，其中Wf為單元饋線的寬度，Ws為槽寬度，Ls為槽深。

3.2 ?饋電網絡的設計

微帶天線陣的饋電方式主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電等，并聯饋電方式中的T型結功分器具有結構簡單、占據空間小、容易實現寬頻帶等突出優點[6]，因此，設計中采用由T型結功分器構成的并聯饋電網絡，使用等幅同相饋電方式。天線單元的輸入阻抗為20Ω，陣列總端口的輸入阻抗為50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗變換線，使20Ω與100Ω阻抗相匹配，通過計算得出λ/4阻抗變換傳輸線的特性阻抗約等于45Ω，寬度為0.7mm。

通過饋電網絡的有效彎折和總體合理布局可大大減小天線陣的大小，圖3給出了天線陣饋電網絡示意圖。

圖3 ?天線陣饋電網絡示意圖

4 ?天線陣實測結果

本文根據天線的設計和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗樣機，并用金屬椎體模擬了真實彈頭，對研制的天線進行了電特性測量[7]。圖4所示的是天線陣樣機平面圖。

圖4 ?天線陣樣機平面圖

在微波暗室、遠區條件下，用自制的天線遠場自動測量系統在f0=1.575GHz時對該天線的E面和H面方向圖進行了實測，如圖5所示。

a 天線陣的E面方向圖

b 天線陣的H面方向圖

圖5 ?天線的實測方向圖

從圖5a和5b中可以看出，天線陣的E面方向圖近似為偏向于共形體底部的一個“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設計要求。

圖6 ?天線陣實測駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網絡分析儀對天線進行駐波系數(VSWR)測量的結果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時，天線陣駐波系數為1.1。

5 ?結束語

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過調整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過細易折斷的問題，并進一步縮小了單元尺寸且在陣元耦合強烈的情況下保證了中心頻率，而且穩定了天線的輻射性能，實現了水平全向輻射的工程要求。我們研制出了共形在彈頭錐體上的小型化GPS共形天線陣實驗樣機，并進行了實測，其測量結果研究成果可應用于工程實際，且具有很高的實用價值和推廣價值。

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這種概念要求基站部署極大規模的天線陣列，可能包含成百上千的收發器。此概念稱為大規模MIMO。的確，大規模MIMO 脫離了當前的網絡拓補，可能是解決我們所面對的無線數據挑戰的關鍵；然而，在認知大規模MIMO 廣泛部署的效能和/ 或可行性的過程中，出現了一個值得關注的問題，有人會創建一個原型，只為確定它是否真正行之有效嗎？畢竟，創建一個具有上千天線的原型會帶來若干工程上的挑戰，另外還有其他不可忽視的問題，即成本和時間。

圖1. 2 天線MIMO 收發器。

MIMO背景

MIMO 依賴多路來提高無線數據鏈路的可靠性以及有效數據率，通常使用數根獨立天線獲得多個數據流。多路傳播是通信系統面臨的巨大挑戰，實踐中采用MIMO，運用空間- 時間編碼和/ 或空間分集等多種技術。4G 移動通信標準LTE-A 規定MIMO 組態最多使用8 根天線。IEEE 802.11n/ac 標準以及這些標準的實際商業化均普遍使用MIMO。

基本上，更多天線會給傳播通道帶來更高的自由度，從而在數據率和/ 或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數據率仍然受到香農理論的限制。在多個用戶組成的網絡中，增大總體網絡吞吐量的一種方法是多用戶MIMO（MU-MIMO），其中，多個用戶可以同時訪問同一時頻資源，但是通過多根天線產生的多“空間維度”實現隔離。

更多天線，更大容量，更高的可靠性

增大MU-MIMO 的規模， 稱為大規模MIMO，可以提供更大的網絡容量、更高的可靠性，并通過降低一個蜂窩或服務地區的總發射功率而提高大規模MIMO 基站的能量效率。理論上，每根天線的發射功率能夠低于以相同數據率為指定蜂窩或者地區服務的單根天線的發射功率。即，總功率為：

PTotMM ~ PT NT

其中，PTotMM 是每個地區的總傳輸功率，PT 是每根天線的功率，NT 是發射天線的數目。其中，PTotMM 低于單天線系統的PTot。與單天線系統相比，為了達到相同的可靠性和/ 或吞吐量，由于大規模MIMO 基站能夠憑借其更高的自由度而將發射的能量聚焦于目標用戶，所以大規模MIMO 蜂窩拓補能夠降低分區地域的總發射功率。另外，當使用多根天線時，從發射器至接收器的正確位發射概率會增大，因為鏈路中斷概率~ 1 / SNR NT NR。

其中，SNR 是信噪比，NR 是接收天線的數目，NT 是發射天線的數目。由于此關系，當系統中的天線數目增加時，鏈路中斷概率會降低，從而提高了通信鏈路可靠性。[1]

大規模MIMO 天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數百倍規模的天線部署將獲得比當前MIMO 點對點部署更高的效率。具體來說，憑借數百根天線，天線孔徑和部署網格均有精細的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

大規模MIMO 系統也有其挑戰。一個挑戰是尋找從接收器到發射器的通道狀態信息通信方法，以進行預編碼。鑒于有數百根天線，通過導頻信號來推論通道狀態在實踐中是不可行的。因此，目前實現的大規模MIMO只能實際使用依賴于通道互易的時分雙工（TDD）系統，然而要確定此方法的可行性，還需要進行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統中的熱噪聲對于如此之多的天線來說不必過于關注，并且干擾器的影響成為更大的問題。這些挑戰以及其他挑戰，可以在開發出有效的原型之后使用實際波形來進行研究。

2. M 用戶N 天線大規模MIMO 系統。

圖3. 典型1×1 軟件定義無線電體系結構。

大規模MIMO系統的原型制作

制作大規模MIMO 系統的原型需要預先進行許多工作，以便仔細、恰當地設計實際運作系統。大多數研究人員會發現，甚至制作只有2 天線的最低組態MIMO 收發器系統也是極具挑戰性的（參見圖1）。為設計大規模MIMO 原型，首先繪制系統草圖（參見圖2）。在本練習中，基站處的天線數目N 為128，從而獲得128×128 MIMO 組態。組態假設M個移動用戶使用SISO 天線。

在設計大規模MIMO 系統時，需要考慮許多事項，包括發射功率、相鄰通道干擾、頻譜罩等RF 系統參數。然而，大規模MIMO 系統需要考慮的一個關鍵參數是每根天線的數字數據吞吐量。從圖中可知，系統最具挑戰性的一個方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統內。與使用SISO 無線電的簡單發射和接收通信不同，大規模MIMO 要求發射和接收元件之間擁有高速數據吞吐，以及高基帶，并且其數量級高于目前部署的系統。

可以選擇在靠近天線處的節點，以分布方式處理數據流，但是為了恢復從不同用戶處收到的信號，或者有效地為不同用戶進行信號預編碼，必須將從各個天線接收到的數據流聚集在一個公共位置，以獲得最優性能。通過仔細觀察吞吐量和數據要求，我們將系統分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實際構建中量化數據率，并在系統設計、集成、功率和成本之間取得平衡。

基線系統參數

典型SISO 無線電如圖3 所示。在該圖中，RF 信號下變頻或混合，濾波，放大，然后轉化為數字數據。發射過程的次序則相反。大規模MIMO系統包含數百個這種基本SISO 元。為了使用現貨供應設備，以降低成本和加快原型開發，假設每個同相正交樣本均為16 位。位數決定了動態范圍，實際上對于原型來說過好了。減少分辨率位數會顯著降低數據吞吐量，特別是在聚集極多通道的時候。雖然16 位會增加數據路徑，并最終增加數據吞吐量要求——位數更多會導致數據路徑加寬和數據吞吐量要求增加——然而，現貨供應組件和編程體系結構不需要進行自定義就能夠輕

松處理16 位樣本。

接下來考慮采樣率。接收鏈中的每個模數轉換器（ADC）均必須以高于尼奎斯特通道帶寬的速率對下變頻波形進行采樣。本例以LTE 作為基線，普通移動通信場景，每個轉換器均以30.72 MS/s 的采樣率對接收到的波形進行采樣。實際上，轉換器可以對信號進行過采樣，以提高分辨率，但是這會增加信號處理量，以便將數據率轉換到標準信號處理模塊可以接受的數據流。數據吞吐量使用下述方程得到：（2 個樣本）（16 位/ 樣本或者2字節/ 秒）（采樣率）

對于上例：

（2 個樣本）（2 字節/ 秒）（30.72）= 122.88 MB/s對于上例系統，一個通道的聚集數據吞吐量等于122.88 MB/s。為擴大到大規模MIMO 系統，可以按照下文所述計算有效速率：總系統吞吐量（TST）=（吞吐率/ 通道）（天線數目）TST =（122.88 MB/s）（128）TST = 15.7 GB/s

這樣，如果所有通道均同時發射或接收，那么中央處理系統的數據吞吐量將為15.7 GB/s。另外，將所有這些數據聚集到中央處理系統中，還要求處理引擎能夠接受此龐大的數據量，并且能夠進一步處理數據，以便生成通信鏈路。上述簡要分析揭示了兩個挑戰。首先，極少（如果有的話）低成本市售技術能夠滿足這些要求。其次，原型的數據量要求開發備選信號處理鏈分割技術，包括分布式實現和并行實現。

通過審查可用的原型制作技術，我們提出了一種可以用作大規模MIMO 原型構建數據框架的高速串行總線的簡要研究。

表1 概述了目前的一些市售高速總線技術。當然還有其他總線，然而上表提供的是目前常用的許多標準而非專有總線技術的指南。另外，這些總線技術已經用于許多模塊化體系結構，例如PXIe，基本上基于PCIe 標準。應該考慮的一個規格是潛伏時間。潛伏時間是指發射與接收操作之間的周轉時間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時間不是特別重要。然而，對于真正的TDD 大規模MIMO 原型，必須考慮潛伏時間，因為周期時間比無線通道的相干時間更短，從而下行鏈路預編碼不是基于已經過時的通道信息，這是至關重要的。上文給出的潛伏時間規格為近似值。然而，一般來說，以太網的潛伏時間并非決定性的，可能會發生極大的變化。另一方面，以太網的實現一般成本較低。

應該指出，PCIe Gen 3 實現剛剛在市場上出現，實際吞吐數據測量值并不可用。另外應該指出，雖然基本提供了最大/ 峰值數據率，然而由于成本、IP 核的尺寸，以及功率等原因，實際實現了總線的典型實現是不同的。所提供的典型數目僅供參考，因為極少的（如果有的話）實現達到了所發布的最大速率。

圖4 所示是一個使用PXIe 的系統配置實例。在此組態中，總共使用了10 塊底板來實現128 根天線的大規模MIMO 系統。系統用2 塊“主”底板來聚集數據，用8 塊底板來安裝128 個能夠在蜂窩帶進行發射和接收的收發器（NI 5791 RF 收發器）。數據基干使用PCI Express Gen 2 ×8，通過合適的分割輕松采集和發射20MHz RF 帶寬數據。[2,3]

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成品如圖1。

圖1

國外資料推薦使用直徑10mm紫銅管彎成直徑為85-90cm環形作為初級線圈，考慮到重量，操作方便等因素，從銅鋁材商店購進直徑為13mm的紫銅管2.8m，彎成直徑為87cm的銅環。同時，采用1m的50塑料管支撐銅環。這是銅環上部的固定點（圖2）

圖2

銅環下部的固定點（圖3）。這里要注意的是要在銅管的兩端鉆好小洞，小洞可以擰上螺絲并可固定小焊片。銅環兩端固定完畢后，固定好焊接好引線的焊片，并將引線引出塑料管。

圖3

制作一個木板支架（圖4），注意要非常牢靠。

圖4

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本文將介紹一種FM收音機接收機解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設備內部，使得耳機線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網絡最大化整個調頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調諧匹配網絡的實現方法。

最大化靈敏度

靈敏度可以被定義為調頻接收系統可以接收到的、同時能達到一定程度信噪比（SNR）的最小信號。這是調頻接收系統性能的一個重要參數，它與信號和噪聲都有關系。接收信號強度指示器（RSSI）只是指出了特定調諧頻率點的射頻信號強度，它并不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。在比較不同天線下接收機性能時，音頻信噪比（SNR）也許是一個更好的參數。因此，想為聆聽者帶來高質量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調頻接收而言，天線就是一個變換器，即將能量從電磁波轉換成電子電路（如低噪聲放大器（LNA））可以使用的電壓。調頻接收系統的靈敏度直接與內部LNA接收的電壓相關。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個電壓。

市場上有各種各樣的天線，包括耳機、短鞭、環路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓撲，其電抭（感抗或容抗）值與天線幾何形狀有關。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發的功耗有關。幅射電阻Rrad與從電磁波產生的電壓有關。為了便于說明，后文將以環路天線模型作為分析對象，同樣的計算也可以用于其他類型的天線，如短的單極天線和耳機天線。

圖1：天線等效電路模型。

使諧振頻率點的效率最大化

為了盡量提高天線轉換出來的能量，可以使用一個諧振網絡來抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會衰減天線傳導到內部LNA的電壓值。對電感性環路天線來說，電容Cres用來使天線在想要的頻率點發生諧振：

（1）

諧振頻率是指天線將電磁波轉換成電壓的效率最高的頻率點。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網絡的天線阻抗。Zant表示為：

（2）

當天線處于諧振狀態時，效率η可以表示為：

（3）

在其他頻率點時效率為：

（4）

非諧振頻率點的天線效率η要低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線尺寸

為了恢復所傳輸的射頻信號，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉換成通過Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設備所使用天線的可用空間和大小。對于傳統的耳機天線來說，它的長度可達到調頻信號的四分之一波長，能收集到足夠的能量并轉換成內部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。

不過，由于便攜式設備正變得更小更薄，留給嵌入式調頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。

利用可調匹配網絡，使調頻頻段上的效率最大化

大多數國家的調頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國家，調頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的調頻頻段，調頻接收系統需要有40MHz的帶寬。傳統解決方案通常是將天線調諧在調頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統的效率是頻率的函數。效率在諧振點達到最大值，當頻率偏離諧振頻率時，效率將下降。值得注意的是，由于全球調頻頻段的帶寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率點時天線效率將有顯著下降。

例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點可取得很高的效率，但其他頻率點的效率將有顯著下降，從而劣化了遠離諧振頻率點時的調頻性能。

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常用的微帶天線是在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線、同軸探針或電磁耦合對貼片饋電，這構成了微帶天線。如圖1。

圖1 矩形微帶天線

微帶天線的性能:微帶天線一般應用在1GHz–50GHz，特殊的微帶天線也可用在幾十兆赫。

2．微帶天線優缺點

微帶天線是二十世紀中后期逐漸發展起來的一種新型天線，由于其具有尺寸小、成本低、結構牢固和工藝簡單等優點，同時還可方便的實現線極化或圓極化以及雙頻工作，因而被廣泛應用于通信、廣播和航空航天等領域。

和常用的天線相比，它有如下一些優點：

體積小，重量輕，低剖面，能有與載體共形，并且除了在饋電點處要開出引線孔外，不破壞載體的機械結構，這對于高速飛行器特別有利。電性能多樣化。不同設計微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內調整，易于得到各種極化，特殊設計的微帶元還可以在雙頻或多頻工作。能和有源器件，電路集成為統一的組件，因此適合大規模生產，簡化了整機的制作和調試，大大降低了成本。

缺點是：

頻帶窄，主要是諧振式微帶天線。損耗較大，因此效率較低，這類似于微帶電路。特別是行波型微帶天線，在匹配負載上有較大的損耗。單個微帶天線的功率容量較小。介質基片對性能影響大。由于工藝條件的限制，批量生產的介質基片的均勻和一致性還有欠缺。

3．微帶天線應用

近幾年來，人們研究和設計了許多改進型的微帶天線，如在微帶貼片和接地金屬板間加入一根很細的金屬連接針，或在介質板或接地板上蝕刻出周期性結構從而產生出電磁帶隙等等。

由于微帶天線有獨特的優點而缺點隨著科技的進步正在研究克服，因此它有廣闊的應用前景。一般說來，它在飛行器上的應用處于優越地位，可用于衛星通訊、天線電高度表、導彈測控設備、導引頭、環境監測設備、共形相控陣等。微帶天線在地面設備上應用也有其優勢方面。特別是較低功率的各種民用設備，例如醫用徽波探頭， 直播衛星的接收陣以及當前的藍牙設備的收發天線等，由于 微帶天線能集成化，它在毫米波段的優勢是明顯的。

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