Что делают пользователи, когда у них появляются проблемы с Wi-Fi? Переставляют роутер, пытаются повторно подключиться к сети, включают и выключают питание маршрутизатора, и, наконец, если ничего из вышеперечисленного не помогает, звонят в службу технической поддержки интернет провайдера и вызывают специалиста. Но что должен сделать разработчик точки доступа Wi-Fi, чтобы проблемы с качеством беспроводной связи не возникали вовсе?
В статье рассматриваются некоторые вопросы, которые так или иначе связаны с качеством связи по Wi-Fi:
- Поддержка нескольких беспроводных стандартов;
- Наличие различных типов помех;
- Проблемы взаимного влияния используемых частотных диапазонов;
- Важность использования высокоэффективных BAW-фильтров на объёмных акустических волнах (ОАВ-фильтры).
Поддержка нескольких беспроводных стандартов
При создании точек доступа Wi-Fi разработчики должны помнить, что современные беспроводные сети используют различные технологии (Рис. 1):
- Стандарты, которые работают с относительно маломощными радиоканалами в диапазоне низких и средних частот, например, Bluetooth, Zigbee и Z-Wave.
- Стандарты, которые подразумевают передачу сигналов большой мощности как в диапазоне низких, так и в диапазоне высоких частот, например, Wi-Fi, 3G / 4G LTE и 5G.
 |
|
| Рис. 1. | Характеристики современных беспроводных технологий. |
К сожалению, многие из этих стандартов мешают друг другу, что приводит к проблемам с надёжностью и скоростью беспроводных соединений.
Не стоит забывать о наличии нелицензируемых диапазонов частот, которые также вносят дополнительные проблемы с перекрестными помехами. С увеличением объема трафика значение лицензируемых и нелицензируемых диапазонов возрастает. Кроме того, внедрение Интернета вещей (IoT) приводит к постоянному росту потока данных.
Одна из задач, стоящих перед разработчиками, заключается в том, чтобы обеспечить минимальный уровень перекрестных помех, сохранить все лицензированные и нелицензированные диапазоны, и гарантировать одновременную поддержку различных протоколов.
Типы помех: внутренние и внешние
Беспроводные устройства могут страдать как от собственных помех, так и от помех, создаваемых сигналами других беспроводных систем. Чаще всего перекрестные помехи возникают между стандартами Bluetooth и LTE с одной стороны и Wi-Fi с другой. Это связано с тем, что именно эти технологии являются наиболее популярными и распространенными. Давайте рассмотрим эти ситуации подробнее.
 |
|
| Рис. 2. | Беспроводные устройства могут страдать как от собственных помех, так и от помех, создаваемых сигналами других беспроводных устройств. |
Помехи, генерируемые самим беспроводным устройством. Для поддержки различных беспроводных стандартов внутри устройства приходится реализовывать несколько антенных архитектур, которые могут мешать друг другу. Сигнал, передаваемый одной антенной, с точки зрения приемника, работающего с другой антенной, увеличивает мощность шума и ухудшает соотношение сигнал/шум. То есть, эффективность приема (Rx) уменьшается.
Снижение чувствительности приемника из-за внешнего шума приводит к ухудшению или нестабильности беспроводных соединений. Подобная проблема возникла еще при появлении первых радиоприемников, но теперь она становится особенно актуальной для современных беспроводных технологий и устройств, включая смартфоны, Wi-Fi-маршрутизаторы, Bluetooth-гарнитуру и др.
Существует несколько сценариев негативного взаимодействия беспроводных систем:
- Две радиосистемы занимают граничащие частоты, и происходит частичное перекрытие диапазонов.
- Гармоники одного передатчика совпадают с несущими частотами, используемыми другим передатчиком.
- Две радиосистемы имеют одни и те же частоты.
Перекрестные помехи между LTE и Wi-Fi. Как показано на Рис. 3, некоторые частотные каналы LTE, а если конкретно, то диапазоны 40, 7 и 41, очень близки к каналам сети Wi-Fi. Таким образом, перекрестные помехи могут возникнуть как на нижней, так и на верхней границе диапазона 2.4 ГГц. Без выполнения грамотного проектирования каналы сотовой связи и Wi-Fi могут взаимно ухудшать качество передачи и приема друг для друга.
 |
|
| Рис. 3. | Взаимное влияние LTE и Wi-Fi может возникнуть как на нижней, так и на верхней границе диапазона 2.4 ГГц. |
Перекрестные помехи между Bluetooth и Wi-Fi. Передача данных в Bluetooth и Wi-Fi осуществляется по-разному и с использованием разных протоколов, однако физически они работают в одном частотном диапазоне 2.4 ГГц (Рис. 4). В результате Wi-Fi и Bluetooth могут мешать друг другу. Если речь идет об устройстве, которое одновременно поддерживает и Wi-Fi и Bluetooth, то помехи между этими двумя стандартами способны негативно влиять на производительность и надежность обоих беспроводных интерфейсов.
 |
|
| Рис. 4. | Bluetooth и Wi-Fi делят один частотный диапазон. |
Почему важно учитывать работу Wi-Fi на границах частотного диапазона
В большинстве стран беспроводные устройства должны отвечать требованиям национальных или международных стандартов, посвященных вопросам электромагнитной совместимости.
В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи (FCC) требует, чтобы все радиопередающие устройства проходили тестирование на соответствие правилам FCC. При этом в соответствующих документах приводятся жесткие границы частотных диапазонов, что иногда вызывает значительные проблемы. Например, частотный диапазон, используемый для Wi-Fi во всем мире, оказывается очень близким к запрещенным диапазонам FCC (Рис. 5).
 |
|
| Рис. 5. | Диапазон, используемый Wi-Fi, не вполне соответствует требованиям FCC. |
Чтобы точки доступа Wi-Fi отвечали требованиям FCC, можно использовать два подхода:
- Уменьшить уровень мощности на каналах 1 и 11, поскольку они находятся на грани спектра Wi-Fi
- Использовать фильтры с очень крутыми срезами частотной характеристики
Как решить проблемы с помехами: используйте BAW-фильтры
Основной подход при решении проблем работы Wi-Fi на границах частотного диапазона заключается в использовании особых полосовых фильтров (bandedge filters). При этом наибольшую эффективность продемонстрировали BAW-фильтры на объёмных акустических волнах. Они имеют целый ряд преимуществ:
- Чрезвычайно крутой срез частотной характеристики, что одновременно обеспечивает низкие потери в полосе Wi-Fi и высокое затухание сигналов из частотных диапазонов LTE/TD-LTE;
- Минимальные габаритные размеры, которые помогают разработчикам создавать компактные устройства для дома и офисных помещений;
- Готовое решение для совместного использования стандартов Wi-Fi и LTE в одном и том же устройстве;
- Уникальные возможности управления мощностью, позволяющие создавать высокопроизводительные точки доступа и базовые станции.
Эти фильтры также являются идеальным решением для достижения минимального перегрева устройств с поддержкой множества различных стандартов. Это имеет решающее значение для создания многофункциональных точек доступа для современных беспроводных сетей. Подробнее об этом можно прочитать в первой части данного цикла статей «Особенности создания Wi-Fi –устройств. Часть 1: тепловой режим работы».
Но почему именно BAW-фильтры имеют такое значение при работе на границах частотных диапазонов?
1. По сравнению с SAW-фильтрами BAW-фильтры обеспечивают меньший уровень потерь в полосе пропускания, более крутые срезы частотной характеристики и лучшую температурную стабильность
При переходе к более высоким частотам, например, при использовании Wi-Fi, уровень потерь в SAW-фильтрах (ПАВ-фильтры) возрастает из-за передачи части акустической энергии в подложку элемента. В то же время, как показано на Рисунке 6, по мере роста частоты высококачественные BAW-фильтры становятся все более эффективными и привлекательными. Кроме того, BAW-фильтры характеризуются крутыми срезами частотной характеристики, что крайне важно для обеспечения озвученных выше требований FCC. В то же время с помощью обычных SAW-фильтров решить эту проблему сложно.
 |
|
| Рис. 6. | Частотные характеристики BAW-фильтров. |
BAW-фильтры также обладают лучшей температурной стабильностью, что обеспечивает им дополнительные преимущества при прохождении тестовых испытаний FCC. Большинство Wi-Fi-устройств работает при комнатной температуре 20-25 °C, но из-за саморазогрева температура внутри корпуса может подниматься до 60-80 °C. Так как потери возрастают по мере увеличения температуры, это может вызывать проблемы при сертификации продукта. Использование BAW-фильтров с высокой температурной стабильностью делает результаты сертификационных испытаний более предсказуемыми.
2. BAW-фильтры помогают уменьшить взаимное влияние соседних частотных диапазонов
Как показано на Рис. 7, использование BAW-фильтров позволяет решить проблему перекрытия частотных диапазонов без необходимости в уменьшении выходной мощности передатчиков. Это означает, что BAW-фильтры позволяют гораздо эффективнее использовать частотный диапазон и обеспечивать высокоскоростную передачу данных.
 |
|
| Рис. 7. | Сравнение мощности сигналов с использованием BAW-фильтров и без них. |
3. Высокоэффективные High-Q BAW-фильтры могут расширить диапазон в каналах 1 и 11 в 2-3 раза
Обычно разработчикам Wi-Fi-устройств приходится устанавливать мощность всего устройства с учетом совместимости с другими беспроводными каналами. Таким образом, если допустимая мощность на канале 1 составляет 15 дБм, а мощность канала 6 достигает 23 дБм, то разработчик устанавливает мощность для всего устройства 15 дБм. Применение BAW-фильтров позволяет гораздо эффективнее использовать частотные диапазоны.
BAW-фильтры способны обеспечивать мощность передачи до 28 дБм. Это может повысить производительность системы более чем на 15 процентов и гарантировать работу 5G multi-MIMO с меньшим количеством перекрестных помех между каналами.
Если разработчики конечного оборудования не используют фильтрацию, у них возникают проблемы с выполнением требований FCC по каналам 1 и 11 Wi-Fi. Напротив, при использовании высокоэффективных High-Q BAW-фильтров удается поддерживать высокую мощность во всех каналах с 1 по 11.
В качестве итога можно сравнить результаты, получаемые при использовании BAW-фильтров и без них:
- Без фильтров. Предположим, вы находитесь в одном доме с другими людьми, использующими Wi-Fi и мобильные телефоны. Вначале вы подключены к Wi-Fi (канал 5) и смотрите трансляцию футбольного матча, не испытывая проблем с буферизацией или прерываниями. Но затем новые пользователи приходят в дом и начинают «захватывать» ваш 5 канал Wi-Fi. Точка доступа переключает вас на канал 1, чтобы освободить больше места на канале 5. Если в модуле Wi-Fi нет BAW-фильтров (Рис. 8а), то потоковая передача ухудшается и требует периодической буферизации (подгрузки). Почему? Потому что в соответствии с требованиями FCC, мощность канала 1 ограничена, чтобы не мешать расположенным «по соседству» диапазонам сотовой связи.
- С фильтрами. Если точка доступа использует BAW-фильтр (Рис. 8б), то мощность каналов 1 и 11 не будет ограничена. Вы сможете смотреть футбольную трансляцию без «тормозов».
 |
|
| Рис. 8. | Сравнение мощности сигналов с использованием BAW- фильтров и без них. |
Посмотреть более подробно технические характеристики BAW-фильтров от компании Qorvo
