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思科 Aironet 天线和附件

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概述

本天线参考指南旨在提供必要信息,以帮助读者了解在使用Cisco® Aironet®无线局域网系统或无线网桥系统时的天线问题和各种考虑因素。本文具体介绍了天线的部署和设计、限制和功能,以及关于天线的基本理论。此外,本文档中也包括思科系统公司®天线和附件的信息,以及可用天线的安装场合、法规遵从性信息,技术规格与图片。

天线简介

每款Cisco Aironet无线产品都能适用于多种环境。实施天线系统能大幅扩展覆盖范围,提高性能。如需优化思科无线局域网的整体性能,了解如何运用适当的天线和正确部署来优化无线覆盖范围是非常重要的。一个天线系统由多个组件组成,包括天线、安装硬件、连接器、天线布线,在某些情况下,还包括一个避雷器。如需咨询具体信息,请访问以下网址,联系一位Cisco Aironet合作伙伴: http://tools.cisco.com/WWChannels/LOCATR/jsp/partner_locator.jsp

思科合作伙伴能提供现场工程帮助,以满足客户的复杂需求。

无线技术

在上世纪80年代中期,美国联邦通信委员会(FCC)修改了无线频谱法规中有关未许可设备管理的第15部分。所作的修改授权无线网络产品能使用扩展频谱调制而在工业、科学和医疗(ISM)频带中运行。这类调制过去一直仅允许军用产品使用。ISM频率有三个不同的频带,分别为900 MHz、2.4 GHz和5 GHz。本文讨论2.4和5-GHz频带。

ISM频带一般无需特定许可证,即允许用户使用无线产品,但不同国家有不同规定。在美国,无需FCC许可证。产品本身必须满足某些认证要求才能销售,如运行时发射器输出功率低于1W(美国)、天线增益或有效全向辐射功率(EIRP)值最高等。

Cisco Aironet产品线使用2.4和5-GHz频带。在美国,有三个频带被定义为未许可频带,称为ISM频带。ISM频带如下:

  • 900 MHz(902-928 MHz)
  • 2.4 GHz(2.4-2.4835 GHz)—IEEE 802.11b
  • 5 GHz(5.15-5.35和5.725-5.825 GHz)—IEEE 802.11a、HIPERLAN/1和HIPERLAN/2。该频带也称为UNII频带,有3个子频带:UNII1(5.150-5.250 GHz)、UNII2(5.250-5.350 GHz)和UNII3(5.725-5.825 GHz)

每个频带都有不同的特性。较低的频率覆盖范围较大,但带宽有限,因此数据传输率较低。较高的频率覆盖范围小,在遇到坚硬物体时衰减幅度大。

直接序列扩展频谱

直接序列(DS)扩展频谱方法将冗余信息编码为RF信号。每个数据位被扩展为一串码片,称为码片序列或Barker序列。美国FCC规定,码片率在1和2-Mbps时为10个码片,在11-Mbps时为8个码片。因此,在11 Mbps时,每一位数据传输8位码片。码片序列通过扩展频谱频率信道并行传输。

跳频扩展频谱

跳频(FH)扩展频谱使用以预定义时间和信道从一个频率跳转到另一频率的无线收发器。法规要求使用任意一个信道的最长时间为400毫秒。对于1-Mb和2-Mb FH系统,跳转模式必须包括75个不同的信道。再次使用任一信道前,必须已使用过每个信道。而对于支持10-Mb数据传输速率的宽频跳频(WBFH)系统,法规要求使用至少15个信道,且它们不能重叠。因为只有83 MHz的频谱,它将系统限制为15个信道,这会造成可扩展性问题。

在发射器功率和天线都相同的情况下,DS系统的覆盖范围、可扩展性和吞吐率都要优于FH系统。因此,思科在扩展频谱产品中仅支持DS系统。

正交频分多路复用

与较早的DS系统相比,在802.11a和802.11g数据传输中使用的正交频分多路复用(OFDM)提供了更高性能。在OFDM系统中,每个音与邻接的音正交, 因此不像DS那样需要安全频带。此安全频带降低了带宽使用效率,浪费了50%的可用带宽。因为OFDM由多个窄频音组成,窄频干扰只会影响信号的很小一部分,而对其他部分的频率几乎无影响。

天线的属性和额定值

天线为无线系统提供了三个基本属性-增益、方向和极化。增益主要衡量功率的增长。方向是对发射模式的整形。天线非常类似于手电筒中的反射罩。反射罩向一个特定方向集中并强化光束,相当于无线系统中抛物面碟式天线对RF源所起的作用。

额定天线增益以分贝为单位,是一个比值。天线额定值一般是各向同性天线或偶极天线的增益。各向同性天线是一个理论化的天线,具有统一的三维辐射模式(类似于无反射罩的灯泡)。dBi用于比较特定天线与理论化的各向同性天线的功率水平。美国FCC在计算中使用dBi。各向同性天线被认为功率值为0 dB;例如,与其自身相比时为零增益/损耗。

与各向同性天线不同,偶极天线是实际天线(偶极天线是Cisco Aironet接入点、基站和工作组网桥的标准配置)。偶极天线的辐射模式与各向同性天线不同,其辐射模式为水平360度、垂直75度(假定偶极天线垂直部署),覆盖形状为环形。因为波束“稍微”集中,所以偶极天线在水平方向的增益比各向同性天线高2.14dB。也就是说,偶极天线的增益为2.14 dBi(与各向同性天线相比)。

一些天线的额定值是以偶极天线为基准得出的,以dBd表示。因此,偶极天线的增益为0 dBd(= 2.14 dBi)。

请注意,本文多数地方谈到偶极天线时,都称其增益为2.2 dBi。实际数据是2.14 dBi,但通常小数进位为2.2 dBi。

天线类型

思科提供了不同类型的天线,与2.4 GHz接入点和网桥产品线,以及5 GHz BR1400网桥共用。每款销售的天线都已得到了FCC认可。每种天线类型提供不同的覆盖范围。随着天线增益的提高,覆盖范围会受到一定影响。通常增益天线提供较长的覆盖距离,单仅覆盖某一特定方向。下面的辐射模式介绍了思科提供的各类天线的覆盖范围,这其中包括:全向、八木和平板式天线。

全向天线

全向天线(图1)提供360度辐射模式。这类天线用于需要天线信号覆盖所有方向的场合。标准的2.14 dBi“Rubber Duck”天线即是一种全向天线。

图1. 全向天线

全向天线

定向天线

定向天线有多种类型和形状。天线不会为信号增加功率,而只是将其接收自发射器的能量进行重定向。重定向后,即达到了在一个方向提供更大能量,在所有其他方向减少能量的效果。随着定向天线增益的提高,辐射角度通常会减小,延长了覆盖距离但缩小了覆盖角度。定向天线包括八木天线(参见图3)、平板式天线(参见图2)和抛物面天线。抛物面碟形天线的RF辐射路径很窄,安装者必须准确对准它们。

图2. 定向平板式天线

定向平板式天线

图3. 八木天线

八木天线

分集式天线系统

分集式天线系统用于消除一种称为多路径衰减失真现象。它使用两个相同的天线,隔开一小段距离,为相同的物理区域提供信号覆盖。

多路径失真

当接收器和发射器间的RF信号有多条传输路径时,将出现多路径干扰。有大量金属或其他RF反射表面的地点会发生这一现象。

正如光和声遇到物体会弹回一样,RF也是如此。这意味着当RF从TX天线到RX天线时,有多条传输路径。这些多重信号在RX天线和接收器中结合,会造成信号的失真。

多路径干扰能造成天线的RF能量极高,但无法恢复数据。改变天线的类型和位置能消除多路径干扰(参见图4)。

图4. 多路径失真

多路径失真

您汽车中的一个常见现象即与此相关。当您刹车时,您可能会注意到无线电广播停顿了。但当您前行几英寸或几英尺后,电台信号再次清晰起来。您向前开车就轻微移动了天线,不再处于多信号融合位置了。

分集式天线系统就像是一个开关,它选择使用其中的一个天线,而从不同时使用两个天线。处于接收模式的无线收发器将不断在这两个天线间切换,接收正确的无线分组。从接收到有效分组的同步信号开始,无线收发器就将评估一个天线上的分组同步信号,然后再切换到另一天线并进行评估。随后它会选择最佳天线,并仅使用该天线来接收该分组的剩余部分。

在传输信号时,无线收发器将选择它上次用来与特定无线收发器通信的天线。如果失败,它将切换到另一天线并重试。

请注意,分集式设计并不是使用两个天线来覆盖两个不同的范围。其使用中的问题在于,如果1号天线正与1号设备通信,而2号设备(位于2号天线的覆盖范围内)试图通信,则无法连接2号天线(因为开关的位置是选择1号天线),通信失败。分集式天线只是从两个稍微不同的位置覆盖相同的范围。

随着最新DS物理层码片的面世,以及分集式天线系统的使用,DS系统在处理多路径干扰方面的能力已相当于甚或超过了FH系统。虽然WBFH的推出确实增加了FH系统的带宽,但它也大大影响了处理多路径问题的能力,与现有DS系统相比,它在高RF反射地点进一步缩减了覆盖范围。

无线局域网设计

在检查物理环境前,必须先确定应用的移动性、进行信号覆盖的方式和系统冗余性。连接两个或多个静态用户的点对点通信等应用,可能最好选用定向天线,而移动用户一般会需要一些全向微蜂窝小区。这些独立的微蜂窝小区能通过有线局域网基础设施相连,或利用无线中继器功能内置到每个Cisco Aironet接入点中。所有Cisco Aironet无线局域网产品都能通过荣获专利的思科微蜂窝架构,支持复杂的多小区环境。

物理环境

在解决了移动问题后,必须检查物理环境。虽然覆盖范围是决定选择哪款天线的最重要因素,但并不是唯一标准。您还必须考虑建筑物结构、天花板高度、内部障碍物、可进行安装的位置以及客户审美需求等。水泥和钢结构有着不同的无线传播特性。仓库环境中的库存产品和货架等内部障碍物都需加以考虑。在室外环境中,有许多物体都会影响天线模式,如树木、车辆和建筑物等。

网络连接

接入点使用一个10/100-Mb以太网连接。通常接入点与天线位于相同地点。虽然看来放置接入点的最佳地点是在配线间中将其与交换机、集线器和路由器一起部署,但这并不现实。天线必须安放在能提供最佳覆盖范围的区域(由现场调查决定)。许多新部署无线局域网的人士希望将接入点安放在配线间中,利用RF同轴电缆连接天线。天线电缆会给天线系统中的发射器和接收器信号都带来损耗。随着电缆长度的增加,损耗也会加大。为了获得最高运行效率,所使用的电缆必须尽量缩短(参见本文稍后的布线部分)。

建筑物结构

建筑物结构中所用材料的密度决定了RF信号能在保持足够覆盖范围的同时穿越几道墙壁。下面举几个例子。RF传输的实际效果必须现场测试,因此建议进行现场调查。

壁纸和墙壁涂料对信号穿越影响很小。如果是实心的墙壁和地板以及预制混凝土墙壁,信号只能穿越一两堵墙,才不会影响覆盖范围。这主要取决于混凝土中的钢筋。混凝土和混凝土砌块墙对信号的限制是只能穿越三到四堵墙。而木墙或干墙一般能允许信号穿越五或六堵墙。厚金属墙会反射信号,穿越性差。钢筋混凝土地板将仅限信号穿越一两层地板。

下面列出了对于部分常见安装环境的建议:

  • 仓库/生产环境:在大多数情况下,这些安装需要大型覆盖区域。经验表明,一个安装高度为20到25英尺的全向天线通常能提供最佳整体覆盖范围。当然,这也取决于货架高度、货架材料和能否在此高度安装天线。将天线安装过高有时会缩小覆盖范围,因为此时天线的辐射角度更多的是向外,而非向下。天线应放置在所需覆盖小区的中心,部署于开放环境,以实现最佳性能。如果无线设备将要安装在墙壁上,那么平板式天线或八木天线等定向天线能更好地在区域中传输信号。天线的覆盖角度将影响覆盖范围。
  • 小型办公室/小型零售店:根据无线设备的位置,标准的偶极天线可能在这些场合提供足够的覆盖范围。但是,在位于角落的办公室中,平板式天线的覆盖范围可能更大。它能安装在大多数障碍物上方的墙壁上,以实现最佳性能。这类天线的覆盖范围取决于周围环境。
  • 大型企业/大型零售店:在大多数情况下,这些安装场合需要较大的覆盖范围。经验表明,在天花板顶梁或吊顶下安装全向天线,能够提供最佳覆盖范围(具体情况将根据堆积的货物、建筑材料类型和建筑物结构而变化)。天线应放置在所需覆盖小区的中心,部署于开放环境,以实现最佳性能。如果无线设备将部署于一个角落或建筑物的一端,那么平板式天线或八木天线等定向天线能更好地在区域中传输信号。此外,对于狭长的区域-如长长的货架,则在一端部署一个定向天线能提供更大的覆盖范围。天线的辐射角度也将影响覆盖范围。
  • 点对点:当将两点连接在一起时(如无线网桥),必须考虑距离、障碍物和天线位置。如果天线能安装在室内,距离很短(几百英尺),则可使用标准偶极天线或杆顶安装5.2 dBi全向天线。另一种选择是使用两个平板式天线。而对于很长的距离(0.5英里或更长),必须使用定向高增益天线。这些天线安装得越高越好,应高于树木、建筑物等障碍物;如果使用定向天线,必须调整它们,使其主辐射功率瓣相互相对。采用直线对传配置时,只要能保持直线对传,就能通过抛物面碟形天线实现25英里(2.4 GHz)和12英里(5 GHz)的传输距离。使用定向天线,则被干扰的可能性降低,也较少会对他人造成干扰。
  • 点对多点网桥:在此情况下(单点与多个远程点通信),必须考虑在主通信点使用一个全向天线。远程地点可以使用对准主通信点天线的定向天线。

布线

如上所述,电缆会给系统带来损耗,降低天线增益并缩小RF覆盖范围。

互连电缆

该电缆连接所有天线(标准偶极天线除外),为无线设备和天线提供灵活的连接,并带来50 Ohm阻抗。 它的损耗高,只能用于极短距离的连接(通常不长于10英尺)。它在所有天线上配备的典型长度为36英寸(部分室外天线为12英寸)。

低损耗/超低损耗电缆

思科提供了两类电缆,与2.4 GHz和5 GHz产品线共用。这些电缆的损耗远远低于标准互连电缆,用于天线必须与无线设备分开一段距离的场合。虽然它们是低损耗电缆,但也应保持最短长度。思科为远离无线设备安装天线提供了两类电缆。100和150英尺电缆是LMR600型电缆,20和50英尺电缆是LMR400型电缆。这四种电缆都配备了一个RP-TNC插头和一个RP-TNC插口连接器,以便连接到无线设备和天线所附带的互连电缆。

连接器

美国联邦法规规定,1994年6月之后生产的、用于2.4 GHz 和 5 GHz ISM频带的产品必须使用专用非标准连接器(即普通用户无法在市场上买到的连接器),或仅能由专业人士安装(此处的专业人士是指接受过RF安装和相关法规培训的人员)。因为许多2.4 GHz产品都是由未经过RF培训的人员安装的,所以这些产品必须符合专用连接器的规定。BR1400的设计决定了它必须由RF专业人士安装,因此能使用标准‘N’型连接器。Cisco Aironet 2.4 GHz产品使用反向极性-TNC(RP-TNC)连接器。虽然它们类似于普通TNC连接器,但它们不能与标准连接器配合使用。为确保与Cisco Aironet产品的兼容性,请使用思科的天线和布线。

安装硬件

每款天线都需要进行特定类型的安装。标准偶极天线只需连接到无线设备背面的RP-TNC连接器即可。杆顶安装天线应安装到一个高达1.5英尺的杆的顶部,每个天线都配备用于连接的安装硬件。八木天线具有一个接合式安装选项,本文后面会对此加以介绍。平板式天线应安装在墙壁或天花板平面,天花板安装天线则配备了一个吊顶横梁附件。2.4 GHz 21 dBi抛物面碟形天线安装在1.625到2.375英寸高的杆顶,精确配套的旋转轴能支持天线的准确瞄准。所有BR1400外部5 GHz天线都能安装在高度在1.5到2.5英寸之间的杆顶。

对于大多数室内应用,0.75或1英寸长的电线导管即能提供合适的安装。对于室外应用,应使用较重的电镀或铝制天线杆,来支持选定天线的抗风能力。

避雷器

在使用室外天线安装时,天线有可能因天线和电缆上的电荷或附近闪电引起的浪涌而受损。BR1400在馈电器上配备了避雷保护,而Aironet避雷器则能保护2.4 GHz到5.8 GHz的无线设备免遭同轴传输线上静电与闪电引起的浪涌的影响。这两个系统都需按照产品硬件安装手册的规定正确接地。但这些保护机制并不能防御直接电击。


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