波束賦形-智能化的發(fā)射技術(shù)

Wi-Fi有限的覆蓋范圍和傳輸速率是其面臨的主要挑戰之一。例如，當今的“聯(lián)網(wǎng)家庭”可能出現如下的場(chǎng)景：分處不同樓層的電腦、打印機、電話(huà)、電視機、平板電腦和游戲機等設備通過(guò)多道墻體連接到家中的WLAN上。通常家中的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)和電視機的擺放位置相對固定，這樣家中某些位置的設備到AP的連接性就不太好。在這種情況下，通過(guò)擴大覆蓋范圍和提升速率來(lái)改進(jìn)互連性能的各種技術(shù)都極具價(jià)值。不僅是家庭網(wǎng)絡(luò )，企業(yè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)和熱點(diǎn)，也可從這類(lèi)改進(jìn)中受益。在提高連接性能方面最為高效的一項技術(shù)是發(fā)射波束賦形(Transmit beamforming)技術(shù)。

發(fā)射波束賦形技術(shù)通常不會(huì )帶來(lái)一般的新技術(shù)引進(jìn)中常見(jiàn)的問(wèn)題，例如需要做大規模硬件升級和缺乏向前兼容性等等。以下場(chǎng)景(圖1)都可利用到該技術(shù)：面向整個(gè)家庭的媒體分發(fā)、多媒體流、通過(guò)電視瀏覽播放相機和手機中的內容、向打印機發(fā)送照片以及提升游戲體驗等。

圖1：互連式家庭 – 短距離覆蓋

發(fā)射波束賦形技術(shù)介紹

發(fā)射波束賦形(Tx BF)是在數字信號處理(DSP)邏輯電路中采用的一種技術(shù)，用來(lái) 擴大特定客戶(hù)端或設備的覆蓋范圍并提升數據速率。在一個(gè)基本的單接收數據流系統中，該技術(shù)的工作原理為：從每根天線(xiàn)發(fā)出的信號在接收天線(xiàn)端進(jìn)行組合。特別值得一提的是，傳輸信號的相位可以進(jìn)行調整以控制波束的指向。IEEE 802.11n詳細描述了發(fā)射波束賦形技術(shù)，該技術(shù)利用了MIMO系統中的多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的優(yōu)勢。通過(guò)估計發(fā)射端和接收端之間的信道，該技術(shù)在這類(lèi)系統中高效的控制各個(gè)數據流的方向來(lái)提高總體增益。因此，可以把該技術(shù)簡(jiǎn)單看成是在已知信道上的一種分集發(fā)射形式。

在典型的802.11系統中，AP波束賦形能夠為客戶(hù)端提供更高的增益。該技術(shù)可以提高數據傳輸速率，并減少重傳次數，進(jìn)而提高了系統容量和頻譜利用率。以從四發(fā)射天線(xiàn)系統波束賦形至單接收天線(xiàn)系統為例，其增益提高可達12dB，覆蓋范圍可擴大兩倍。波束賦形技術(shù)對這種發(fā)射與接收天線(xiàn)數量不同的非對稱(chēng)系統的性能提升效果最大(圖2)。

圖2：企業(yè)園區 – 長(cháng)距離覆蓋

發(fā)射波束賦形技術(shù)的實(shí)現

要實(shí)現發(fā)射波束賦形技術(shù)，系統發(fā)射端應有兩根或兩根以上天線(xiàn)?；厩樾问?，兩個(gè)發(fā)送系統同時(shí)發(fā)送數據流到單個(gè)接收系統。發(fā)射波束賦形技術(shù)是基于每個(gè)數據包，在OFDM系統的每個(gè)子載波的基帶上實(shí)現的。

要實(shí)現發(fā)射波束賦形技術(shù)，就需要計算方向矩陣(加到發(fā)送信號上的權重)，以針對特定客戶(hù)端來(lái)控制信號的方向。而權重是通過(guò)信道估計得出的，又稱(chēng)信道狀態(tài)信息(CSI)。不同的芯片廠(chǎng)商對此會(huì )有不同的實(shí)現方法。將方向矩陣加到發(fā)送信號上的一端稱(chēng)為波束賦形發(fā)射方(BFer)，其指向的另一端是波束賦形接收方(BFee)。

一般而言，波束賦形技術(shù)不要求接收端(BFee)感知到發(fā)射端(BFer)正在進(jìn)行波束賦形。在這種情況下，接收端不可能也不會(huì )為改進(jìn)信號指向性提供任何反饋信息。假定信道是互易的(即上行鏈路和下行鏈路信號方向是相向的)，那么發(fā)射端會(huì )在自己這一端根據接收的信號對信道進(jìn)行估計，然后利用這些估計值產(chǎn)生方向矩陣，用來(lái)控制發(fā)送信號的方向。

這種發(fā)射技術(shù)的實(shí)現并不受限于802.11n標準限制，由于其內容能完全識別接收客戶(hù)端，這使得其除了對802.11n的接收端設備可以進(jìn)行波束賦形外，對傳統設備也一樣可以。此外，這種技術(shù)也不會(huì )增加系統的反饋成本。因此，該技術(shù)可帶來(lái)顯著(zhù)的總體增益效果。

802.11n標準定義了兩種類(lèi)型的波束賦形技術(shù)的實(shí)現方法：隱式反饋和顯式反饋。

該標準還定義了稱(chēng)為信道“發(fā)聲”的過(guò)程，用來(lái)測定信道狀態(tài)信息， 并為此定義了一種發(fā)聲數據包。不過(guò)，因為波束賦形技術(shù)不需要接收端的反饋，所以發(fā)聲數據包是該標準中的一個(gè)可選功能，因而不要求接收端能處理NDP或帶有交錯前導碼的數據包，這正是傳統設備中的應用場(chǎng)景。

隱式反饋：隱式反饋型發(fā)射波束賦形技術(shù)基于以下假定：波束賦形發(fā)射端和接收端之間的上、下行信道是互易的(即上行鏈路和下行鏈路信號方向是相向的)。波束賦形發(fā)射端發(fā)送一個(gè)訓練請求(TRQ)，即一個(gè)802.11標準數據包，并等待收到一個(gè)作為回應的發(fā)聲數據包。一接收到發(fā)聲數據包，發(fā)射端就對接收信道進(jìn)行估計，并計算方向矩陣。該方向矩陣將用來(lái)在發(fā)送方向上控制隨后發(fā)送的信號的方向。不過(guò)，這種方法要求計算校正矩陣，以消除上行鏈路信道和下行鏈路信道之間的任何失配。換句話(huà)說(shuō)，這種方法要求校準，以保持信道的互易性。

顯式反饋：在顯式波束賦形中，波束賦形接收端根據接收到的由發(fā)射端發(fā)送的發(fā)聲數據包對信道進(jìn)行估計。根據實(shí)現方法的不同，波束賦形接收端會(huì )將原始信道估計值，或者將計算好的方向矩陣以壓縮或非壓縮形式反饋給發(fā)射端。在前一種情況下，波束賦形發(fā)射端負責進(jìn)行方向矩陣的計算。由于發(fā)射端和接收端均對信道進(jìn)行過(guò)估算，顯示反饋可提供非?？煽康姆较蚓仃?。

性能的提升

在家庭和企業(yè)環(huán)境中進(jìn)行的OTA測試中(圖3和圖4)，發(fā)射波束賦形技術(shù)提供高達12dB的明顯增益。發(fā)射波束賦形技術(shù)還延長(cháng)了高清視頻傳送應用的傳輸距離，在相同的帶寬下，傳輸覆蓋范圍提升約兩倍。由于擴大了傳輸覆蓋范圍，使得在小區邊緣采用比以前更高端的調制方法成為可能，從而提高了系統的總體容量。

圖3：增益提升