無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一：波束成形技術(shù)

標簽：波束成形技術(shù) WLAN

今年以來(lái)通信運營(yíng)商競相提高無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的地位，不僅視其為有線(xiàn)寬帶接入的輔助手段，更不吝將其上升到戰略高度。從中國移動(dòng)的部署來(lái)看，似有四架馬車(chē)GSM，TD-SCDMA, TD-LTE, WLAN齊頭并進(jìn)之趨。于是，提升無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量和用戶(hù)體驗成為關(guān)注焦點(diǎn)。本文介紹無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一——波束成形(Beamforming)，包括基本概念和發(fā)展趨勢。

背景由來(lái)

波束成形是天線(xiàn)技術(shù)與數字信號處理技術(shù)的結合，目的用于定向信號傳輸或接收。 波束成形，并非新名詞，其實(shí)它是一項經(jīng)典的傳統天線(xiàn)技術(shù)。早在上世紀60年代就有采用天線(xiàn)分集接收的陣列信號處理技術(shù)，在電子對抗、相控陣雷達、聲納等通信設備中得到了高度重視?；跀底植ㄊ纬?DBF)的自適應陣列干擾置零技術(shù)，能夠提高雷達系統的抗干擾能力，是新一代軍用雷達必用的關(guān)鍵技術(shù)。定位通信系統通過(guò)傳聲器陣列獲取聲場(chǎng)信息，使用波束成形和功率譜估計原理，對信號進(jìn)行處理，確定信號來(lái)波方向，從而可對信源進(jìn)行精確定向。只不過(guò)，由于早年半導體技術(shù)還處在微米級，所以它沒(méi)有在民用通信中發(fā)揮到理想的狀態(tài)。

而發(fā)展到WLAN階段，特別是應用在個(gè)人通信中，信號傳輸距離和信道質(zhì)量以及無(wú)線(xiàn)通信的抗干擾問(wèn)題便成為瓶頸。支持高吞吐是WLAN技術(shù)發(fā)展歷程的關(guān)鍵。802.11n主要是結合物理層和MAC層的優(yōu)化，來(lái)充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。此時(shí)，波束成形又有了用武之地。

基本原理

波束成形，源于自適應天線(xiàn)的一個(gè)概念。接收端的信號處理，可以通過(guò)對多天線(xiàn)陣元接收到的各路信號進(jìn)行加權合成，形成所需的理想信號。從天線(xiàn)方向圖(pattern)視角來(lái)看，這樣做相當于形成了規定指向上的波束。 例如，將原來(lái)全方位的接收方向圖轉換成了有零點(diǎn)、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對天線(xiàn)陣元饋電進(jìn)行幅度和相位調整，可形成所需形狀的方向圖。

如果要采用波束成形技術(shù)， 前提是必須采用多天線(xiàn)系統。例如，多進(jìn)多出(MIMO)，不僅采用多接收天線(xiàn)，還可用多發(fā)射天線(xiàn)。由于采用了多組天線(xiàn)，從發(fā)射端到接收端無(wú)線(xiàn)信號對應同一條空間流(spatial streams)， 是通過(guò)多條路徑傳輸的。在接收端采用一定的算法對多個(gè)天線(xiàn)收到信號進(jìn)行處理，就可以明顯改善接收端的信噪比。即使在接收端較遠時(shí)，也能獲得較好的信號質(zhì)量。

MIMO可大大提高網(wǎng)絡(luò )傳輸速率、覆蓋范圍和性能。當基于MIMO而同時(shí)傳遞多條獨立空間流時(shí)，系統的吞吐量可成倍地提高。MIMO系統支持空間流的數量取決于發(fā)送天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的最小值。如發(fā)送天線(xiàn)數量為3,而接收天線(xiàn)數量為2，則支持的空間流為2。在市場(chǎng)上，經(jīng)歷了三年3×3模式的量產(chǎn)磨合期后，今年4X4模式嶄露頭角，立刻引起了業(yè)界重視。

應用舉例

本文列舉一個(gè)4x4 三空間流的802.11n 解決方案。

Marvell 今年發(fā)布了支持4x4-3SS Wi-Fi 802.11n 性能的Avastar系列。 這將顯著(zhù)提高筆記本、臺式電腦、平板電腦、智能手機、電子閱讀器、打印機、路由器、機頂盒、高清電視、游戲設備、DVD播放器等性能。它采用波束成形技術(shù)后，使1x1- 4x4 MIMO 產(chǎn)品和傳統設備之間的鏈路耐用性大大改善。 以雙頻接入熱點(diǎn)(AP)為例， 它有如下特點(diǎn)：

• 性能高達450 Mbps數據率

• 支持802.11n 技術(shù)規范

• 支持802.11ac 技術(shù)規范

• 由數字信號處理DSP 實(shí)現，不要求額外的特殊硬件

• 波束成形雖然不是必須支持的，但是有了它，尤其是兩端都支持時(shí)，增益最大化

• 高效的電源管理模塊，實(shí)現低功耗

• 藍牙技術(shù)和面向多種無(wú)線(xiàn)共存狀態(tài)，降低Wi-Fi和藍牙同時(shí)工作的相互干擾

工作過(guò)程

波束成形的工作過(guò)程是怎樣的?以熱點(diǎn)為例，基站給客戶(hù)端周期性發(fā)送聲信號，客戶(hù)端將信道信息反饋給基站，于是基站可根據信道狀態(tài)發(fā)送導向數據包給客戶(hù)端。高速的數據計算處理，給出了復形的指示，客戶(hù)端方向上的增益得以加強，方向圖隨之整型，相應方向的傳輸距離也有所增加。AP如果用4組發(fā)射天線(xiàn)4x4三組空間流，便能在多天線(xiàn)得到的增益基礎上，獲取較大的空間分集增益。

從結構和設置來(lái)分，支持802.11n標準的波束成形可分為顯性波束成形和隱形波束成形兩大類(lèi)。顯性波束成形在A(yíng)P和客戶(hù)端均有設置，對增加距離和鏈路耐用性有很大提高。隱性波束成形的好處是客戶(hù)端不需要做相應的處理，在設備實(shí)現上較為簡(jiǎn)單，對增加距離和耐用性也有一定幫助。

以顯性波束成形的熱點(diǎn)為例， 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號傳輸過(guò)程是這樣開(kāi)始的：

• 基站與客戶(hù)端之間需要不斷地周期性握手(發(fā)送聲信號，信道矩陣反饋)

• 客戶(hù)端反饋信道信息給熱點(diǎn)

• 熱點(diǎn)根據信道狀態(tài)信息發(fā)送復形數據包給客戶(hù)端，加強某客戶(hù)端方向的強度

• 由此獲得空間分集增益 + 發(fā)射陣列增益(此與發(fā)射天線(xiàn)數量有關(guān))

下圖舉例說(shuō)明熱點(diǎn)和客戶(hù)端的工作過(guò)程和延伸距離的狀況。該圖定性地比較了不同 AP提供的不同效果。熱點(diǎn)采用4組發(fā)射天線(xiàn)，延長(cháng)了802.11n的傳輸距離， 而采用波束成形， 又進(jìn)一步增加了客戶(hù)端方向的增益和信號覆蓋范圍。值得注意的是，隨著(zhù)熱點(diǎn)和客戶(hù)端之間作用距離的增加，波束成形帶來(lái)的優(yōu)勢越發(fā)明顯，其動(dòng)態(tài)增長(cháng)的態(tài)勢呈非線(xiàn)性遞增。

圖. 波束成形技術(shù)增加傳輸距離的示意圖

發(fā)展趨勢

隨著(zhù)WLAN的發(fā)展，基站的數量需求極大，而且基站安裝的成本比較高，在這種情況下，增大覆蓋范圍，克服無(wú)線(xiàn)干擾顯得尤為重要。

波束成形并不要求采用特殊的天線(xiàn)，也不增加其它無(wú)線(xiàn)子系統，就能在性能上得以提高， 而且比其它數字信號處理技術(shù)，例如空時(shí)分組碼(STBC)及低密度奇偶校驗碼(LDPC)的引入，效益更高，可高出數倍。 在家庭和企業(yè)的環(huán)境下，均可適用。