• No results found

Maximizing Throughput and Coverage for Wi Fi and Cellular

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Maximizing Throughput and Coverage for Wi Fi and Cellular"

Copied!
14
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

   

 

Maximizing Throughput and  Coverage for Wi‐Fi and Cellular 

 

A White Paper Prepared by  Sebastian Rowson, Ph.D. 

Chief Scientist, Ethertronics, Inc. 

www.ethertronics.com   March 2012 

 

(2)

Introduction   

Ask consumers and business users what improvements they would most like to see in  wireless, and it’s almost guaranteed that they’ll say faster cellular or Wi‐Fi service,  improved reliability or both. Delivering faster, more reliable wireless is an opportunity  for vendors and service providers to differentiate themselves. 

  

But in both cellular and Wi‐Fi, that’s easier said than done. For example, in access points  (APs), smartphones, and tablets, designers and end users prefer highly compact form  factors. This preference is at odds with the trend toward increasing the number of  antennas to support Multiple Input, Multiple Output (MIMO) techniques and multiple  frequency bands. Worse, in smartphones and tablets, the screen and battery take the  majority of space in the device, with processors, antennas and other components left to  make do with whatever space is available, frequently in less than optimal locations.  

 

Another challenge is rapid signal strength variations, which are present in every  environment and sap throughput. Access points are frequently inside buildings. The  walls and structures create a complex environment, decreasing throughput and  connectivity. But it’s even more of a problem for handheld devices simply because  unlike Wi‐Fi access points, they’re constantly on the move, so their conditions are  always changing. 

 

This white paper provides an overview of a powerful, new solution to these challenges: 

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System™ technology. The white paper will start  with basic definitions of radiation patterns, multipath, diversity, etc. for a better  understanding of antennas. The paper will then give an overview of the Air InteRFace  Processing System technique and its benefits. To prove the technology, an 

implementation with an access point will be shown along with test results from 

measurements performed over more than 6 months. Results show that throughput can  be increased almost 50% using the technique. 

   

Radiation Patterns, Multipath, and Diversity Explained 

The radiation pattern of an antenna is the variation in radiated or received power as a  function of aspect angle. The radiation pattern of an antenna can be visualized as a 3‐

dimensional surface surrounding the antenna, where the shape of this 3D surface  relates to the radiation intensity in the various directions. Typically the radiation pattern  of an antenna is plotted on a logarithmic scale in units of dB, where the radiation 

pattern is referenced to the maximum radiation intensity. A radiation pattern is 

"isotropic" if the pattern is the same in all directions. Antennas with isotropic radiation  patterns don't exist in practice, but are sometimes discussed as a means of comparison 

(3)

with real antennas. A theoretical isotropic antenna can be used as a reference for  comparing an antenna’s radiation performance, with the isotropic antenna having a        0 dBi (dB referenced to isotropic) gain in all directions. Typically radiation patterns of  antennas will have one or more “nulls” or regions of reduced radiation intensity.  

Figure 1 shows a typical radiation pattern from a passive antenna. Red areas indicated  high gain, or a strong signal. Green areas indicated low gain or low signal strength.

 

The polarization of an antenna is the polarization of the radiated fields produced by an  antenna, evaluated in the far field. Polarization is the figure that the E‐field traces out  while propagating. The “co‐polarized” component of the antenna‘s radiation pattern is  the main or dominant linear polarization transmitted or received by the antenna. The  

“cross‐polarization” component of the antenna’s radiation pattern defines the ability of  the antenna to also transmit or receive the orthogonal linear polarization. Most 

antennas in wireless and mobile devices are linearly polarized, and have both co‐ and  cross‐polarized components. The cross‐polarized component comes in handy when the  wireless device is operating in a multipath environment.  

 

Multipath is prevalent in wireless communications. Multipath, also termed multipath  fading, is caused by reflections and scattering from objects in the path between the  antennas on either end of a communication link: floors, ceilings, walls, buildings,  vehicles, equipment, people, etc. The end result of multipath is that the signal level  received at the antenna will fluctuate, with this fluctuation being caused by multiple  reflected signals adding in and out of phase. This fluctuation in signal strength at the  antenna can be quite large, and can at times result in the signal level dropping low  enough to where the communication link is terminated. To mitigate the effects of  multipath fading, antenna diversity schemes using multiple antennas have been  developed. These antenna schemes can take many forms: radiation pattern diversity,  spatial diversity, and polarization diversity. The basis of the technique is to use a second  antenna to receive the incoming signal along with the first or main antenna. This second 

Figure 1: Typical passive antenna with a single, fixed radiation pattern.

Fixed Radiation Pattern  Typical Passive Antenna 

(4)

antenna is located in a different position, has a different polarization, and/or has a  different radiation pattern compared to the first antenna. When the signal at the first  antenna drops due to multipath fading, the signal at the second antenna will often be a  few, or several, dB higher resulting in improved communication system performance. 

Implementing a standard antenna diversity technique requires a second antenna to be  integrated into the wireless device.  

 

Figure 2 shows the receive signal strength as a device with two antennas moves through  a multipath environment. Signal 1 and Signal 2 show the received signal strength at the  two different antennas. The Combined Signal (in bold) is the signal obtained using  switched diversity. In this case a simple algorithm is used to select the best antenna by  switching antennas when the signal level falls below a pre‐defined threshold. The 

resulting signal has fewer weak spots than either of the individual signals and results in a  high average receive signal strength. 

   

                             

  Figure 2: Signal strength of two antenna system in multipath environment.

(5)

Figure 3 shows the theoretical Bit Error Rate (BER) as a function of Signal to Noise Ratio  (SNR) for different diversity antenna configurations. The same BER can be achieved with  a lower SNR when a diversity system is used. To achieve a 1% BER with no diversity a   15  dB  SNR  is  required  (black  curve).  In  the  case  of  two‐antenna  receive  diversity,  the  same  BER  is  achieved  with  a  5  dB  SNR  (brown  curve).  For  a  1%  BER  the  two‐antenna  diversity  provides  the  equivalent  of  a  10dB  improvement  in  SNR.  In  the  case  of  four  antennas, the gain is about 15 dB (blue curve). In practice the gains for a 10% BER are  about 3 dB with two antennas and 6 dB with four antennas. 

Alamouti, IEEE JSAC, Oct 1998

Figure 3: Theoretical switched diversity gain for different antenna configurations.

(6)

Solution: Ethertronics’ Air InteRFace Processing System Technology   

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System technology provides an alternate and  improved method of providing diversity to a communication system. Air InteRFace  Processing System solution combines the company’s patented Isolated Magnetic  Dipole™ (IMD) technology, Ethertronics’ active antenna systems approach and a patent‐

pending algorithm combined to generate multiple radiation patterns from a single  antenna structure. As a result, the Air InteRFace Processing System technique can  dynamically respond to changing RF conditions fast enough to minimize multipath  fading and in turn maximize both throughput and reliability. Using a sample and switch  concept, multiple radiation patterns from the same antenna can be quickly surveyed to  determine the best pattern to use for a specific multipath environment, resulting in  faster data throughput. Ethertronics has demonstrated the ability to generate four  unique radiation patterns from the same antenna when integrated into a cell phone, see  Figure 4.  

 

Air InteRFace Processing System technology takes advantage of the multipath 

environment to increase throughput and improve reliability in Wi‐Fi and cellular devices.  

 

Additionally, Ethertronics’ Air InteRFace Processing System technology is a small‐

volume, power‐efficient solution, making it ideal for thin, handheld devices where space  and battery life are always key concerns for systems designers and end users. 

   

Multiple Radiation Patterns  Air InteRFace Processing System provides multiple  radiation patterns from a single antenna structure. 

Ethertronics Air InteRFace  Processing System 

Figure 4: Air InteRFace Processing System showing four modes.

(7)

Testing Protocol to Prove Faster Throughput   

To prove the benefits of the technology,  Ethertronics purchased two identical off‐

the‐shelf access points. The access points  each contained two passive antennas. 

Ethertronics retrofitted one access point  with two Ethertronics antennas – one  passive IMD and one active Air InteRFace  Processing System (dual mode). While four  modes, or radiation patterns, provide  optimum performance, two modes are  sufficient in an access point to demonstrate  significant increases in throughput. 

Replacing one or more passive antennas in  the access point with four‐mode Air  InteRFace Processing Systems would yield  even faster download speeds and 

improved reliability. 

 

Throughput testing was performed to  compare the performance of the original  off‐the‐shelf access point with the  Ethertronics retrofit access point. 

Throughput measurements were carried  out for the b/g band at Channel 1 

(2412MHz). Testing was performed in an  office space with cubicles, desks, walls,  structural posts, etc. to simulate a typical  multi‐path environment, see Figure 5 for  an overview of the office space. 

A laptop was placed at 5 different 

distances from the access point: 10ft, 50ft,  75ft, 95ft, and 120ft. The client was kept  stationary with the access point rotated in  four different orientations: 0, 90, 180 and  270 degrees. The test locations included  line of sight, as well as on the other side of  cubicles and walls. Figure 6 illustrates the  test set‐up including office layout and  testing locations.  

Figure 6: Office floor plan Figure 5: Office layout

(8)

Performance Gains Include 46 Percent Faster Throughput   

This architecture can generate many radiation patterns. Ethertronics has determined  the optimal number of radiation patterns to be four. This flexibility produces a  significantly higher Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) than conventional  passive antennas can yield. A high SINR ratio maximizes downlink speeds – not merely  incrementally, but instead to a degree that's noticeably faster to end users.  

 

The classic Dipole‐shaped radiation patterns are typically not realized in an actual  product implementation due to the disturbance to the radiation pattern of the antenna  from the internal structure of the wireless device. Nonetheless, the null locations, or  regions of radiation pattern minima, can be altered using the Air InteRFace Processing  System technique. Figure 7 shows 2‐dimensional and 3‐dimensional measured radiation  patterns from a two‐mode 

Air InteRFace Processing  System antenna 

configuration, where the  Air InteRFace Processing  System antenna was  integrated into an access  point. As can be seen from  the 3‐dimensional 

patterns, the null location  rotates in the yz plane as  the Air InteRFace 

Processing System  antenna switches from  Mode 0 to Mode 1. An  additional benefit of the  Air InteRFace Processing  System architecture is a  change in polarization  properties of the antenna  between Modes, as can  be seen in the 2‐

dimensional radiation patterns. The color‐coded scale used in the 3D radiation patterns  is in units of dB. For the 2D radiation patterns, the blue and green traces show the linear  components of the radiated field, with the red trace showing the total radiated pattern,  which is a combination of the linear components.  

 

Figure 7: Measured radiation for two mode system. 

(9)

For example, Table 1 shows how Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution  significantly improved downlink speeds when it replaced the baseline passive antenna in  an off‐the‐shelf access point. 

 

Throughput (MBPS)         

  10ft 50ft 75ft 95ft 120ft 

Off‐the Shelf Access Point  88.9 72.8 47.2 40.4 42.4 

Ethertronics’ Retrofit (Air InteRFace  Processing System 

90.5 86.5 68.8 47.6 47.1 

Download Speed Percentage Increase 2% 19% 46% 18% 11% 

Table 1: Measured throughput 

 

The off‐the‐shelf access point demo also shows how Ethertronics’ Air InteRFace  Processing System solution maintains those throughput enhancements even over  distances of 120 feet (Figure 8). 

 

Figure 8: Measured throughput graphically      

 

(10)

Figure 9 illustrates the office  environment used for the testing  and the throughput increases for  each testing location. The office,  cubicle walls, and other physical  obstructions create multipath  signals, making for a challenging RF  environment. 

                                                 

Figure 10 shows how Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution provided up  to a 46 percent throughput improvement in the part of the office where multipath was  highest. In this figure, data throughput improvement is shown for four distinct regions:  

 

1. Line of Sight –represents short range and high field strength regions. 

2. Low Multipath Area – represents intermediate distances with low multipath  characteristics. 

3. High Multipath Area – where the distance between the access point and client is  large and the multipath is high. 

Figure 9: Office layout including measured throughput  increases.

(11)

4. Low Level Signal – where the distance is the greatest of the four regions and  consequently the field strength is low.  

       

The multiple radiation patterns generated by the Air InteRFace Processing System  antenna provide throughput benefits across all four regions, with the greatest benefit  observed in the region where multipath is the highest. The reduced benefit in the line of  sight region is due to the field strength being very large; in this region typical passive  antennas provide adequate performance.  

 

 

Figure 10: Throughput as measured against distance from the access point. 

 

 

Key Benefits for Vendors, Mobile Operators, Telcos, Cable Operators and End Users   

The access point demo illustrates how Ethertronics’ Air InteRFace Processing System  active antenna system solution provides several major benefits: 

 

 Selects the best radiation pattern, from the multiple ones generated, to provide  the best connection and fastest throughput.  

 Provides interference suppression from unwanted signals, providing superior  throughput and reliability.  

 Changes radiation patterns dynamically to compensate for changes in the  multipath environment. Even when the user is stationary, movement within the  local environment will cause changes to the multipath, i.e. people walking by,  doors opening and closing, vehicles passing by the building, etc. 

(12)

The benefits listed above provide significant advantages for vendors, mobile operators,  telcos, cable operators and end users. 

 

Telcos, mobile operators, cable operators, and other service providers that own Wi‐Fi  networks can use Ethertronics‐equipped infrastructure to maximize performance and  reliability. That helps them differentiate their wide‐area Wi‐Fi services and achieve their  business goals. For example, a mobile operator could use a high‐performance Wi‐Fi  network to encourage its 3G and 4G customers to switch to Wi‐Fi whenever possible. 

Over time, customers would realize that the Wi‐Fi network is as fast, if not faster, than  3G or 4G. This perception and usage enable the mobile operator to achieve its offload  strategy. 

 

 The high SINR ratio of Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution  enables service providers to reduce the density of their access points, but not at  the expense of coverage and throughput. Lower density also means fewer  backhaul links, for additional OpEx savings. Or they could use conventional  network architecture and use the high SINR ratio to provide higher speeds and  greater capacity than rivals can.  

 

 Enterprises could use Ethertronics‐equipped infrastructure to provide a super‐

fast, highly reliable wireless LAN in their offices and other facilities. Speed and  reliability would encourage employees to use the WLAN rather than more  expensive technologies. For example, if employees are provided with VoIP  softphone clients for their smartphones, they’re more likely to make calls over  Wi‐Fi, instead of cellular, when they know that the WLAN blankets their building,  including traditional dead spots such as stairwells and elevators. 

 

Although this White Paper focuses on Wi‐Fi access points, the technology is applicable  to a wide variety of other devices, bands, and air interfaces. For example, Original  Equipment Manufacturers could use Ethertronics’ Air InteRFace Processing System  solution to maximize the performance and reliability of their LTE smartphones, tablets  or notebooks. Those benefits would apply across multiple bands, such as when an LTE‐

Advanced (3GPP Release 10) device aggregates bandwidth across 700 MHz, 1900 MHz  and 2.5 GHz to achieve throughput in the tens of megabits. 

 

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution is particularly beneficial for  cellular because of the use cases. In Wi‐Fi, user devices typically are stationary or  moving at no more than pedestrian speeds. That sedentary usage makes for a far more  stable RF environment, albeit one where multipath still is a major problem. In cellular,  user devices typically are on the move, including at vehicular speeds. That makes for an  even more variable RF environment, but one that Ethertronics’ algorithms still can easily  handle. 

(13)

A Cost‐Effective, Small‐Volume Design   

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution also provides cellular vendors  with a much needed solution to the problem of increasingly limited space inside 

smartphones and tablets. Space is particularly tight in 4G devices, which need antennas  not only for LTE, but also for 3G fallback, Wi‐Fi, Bluetooth, and GPS. On top of 

everything, the number of LTE antennas is higher than their 3G counterparts simply  because of MIMO requirements.  

 

Achieving the benefits of Ethertronics’ Air InteRFace Processing System architecture also  requires Ethertronics' patent‐pending algorithm, which determines which radiation  pattern provides the best performance for the RF environment at that particular  moment.  

 

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution is an innovative approach to  diversity; providing superior performance in comparison to solutions simply using two  passive antennas to mitigate multipath and maximize throughput. Those passive  antenna solutions still have fixed radiation patterns, unlike Ethertronics’ Air InteRFace  Processing System solution, which can generate many patterns to provide maximum  flexibility. Another major drawback to passive solutions is volume and cost: They require  multiple antennas, RF chains, and feed points, all of which take up precious board space  inside the device and add to the cost. For many smartphone and tablet vendors, that’s  an unacceptable trade‐off.  

   

Conclusion: A Bold, New Way of Thinking about Antennas   

Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution is the latest example of how  Ethertronics is innovating antennas to a new level. Historically device manufacturers,  vendors and other ecosystem members have considered the antenna as a passive  component with a single, fixed radiation pattern. Conventional thinking assumed that  diversity schemes, with at least two antennas, were needed to offset multipath fading. 

Air InteRFace Processing System brings a new way of thinking about antennas by  creating multiple radiation patterns from a single antenna structure. Thereby realizing  the benefits of MIMO solutions without the additional volume and costs associated with  multiple antennas. Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution represents a  new way of thinking about active antenna system design and the role it plays in the user  experience: as an integrated RF antenna system consisting of the antennas themselves  and active components combined with advanced algorithms. This systems‐based  strategy provides device designers with a fast, cost‐effective, and high‐performance  alternative. 

 

(14)

Air InteRFace Processing System is the next step in the evolution of antenna and RF  systems solutions. Innovation will continue with more technologies and applications  being introduced over the next year. 

 

Today, Ethertronics’ Air InteRFace Processing System solution provides a much‐needed  alternative for Wi‐Fi Access Points. Ethertronics has also developed Air InteRFace  Processing System solutions for a wide variety of other devices and air interfaces  including smartphones, tablets, and notebooks for both 3G and 4G protocols. Future  white papers will focus on implementation in other wireless devices including 

smartphones and tablets. 

           

©2012 Ethertronics. All rights reserved. Ethertronics, the Ethertronics logo, Isolated Magnetic Dipole,  Wireless InteRFace Processor, Air InteRFace Processing System are trademarks of Ethertronics. All  other trademarks are the property of their respective owners. 

References

Related documents

In this first approach, the impact of the global disparity distortion measure Ddg is computed using the correlation coe ffi cient between the original disparity maps and the

(34229) Product, clothing and related designers not elsewhere classified Other professionals, associate professionals and technicians (21410) Conservation professionals.

• Although economic growth has raised the income of the typical family, the increase in inequality has.. prevented the poorest families from sharing in this greater

The suggested multivariable regression equation could be used to determine the bond stress of the specimens with grades of concrete from M20 to M40 subjected to

To ascertain the ability of Lp B-70.5 to interact with megalin, we purified this receptor from rabbit kidney cortical membranes.. The purity of the purified protein is shown by

Nine dependent variables were included in the analysis, as follows: (1) the main primary caregivers among all types of formal and informal caregivers, (2) any additional care-

Postpartum depression is associated with A past history of psychiatric illness, illiteracy, low socioeconomic status , lack of good antenatal care, nuclear