無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù):波束成形

近年來(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，提升無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量和用戶(hù)體驗成為社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要為您介紹無(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纬桑―BF）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