波束赋形-智能化的发射技术

Wi-Fi有限的覆盖范围和传输速率是其面临的主要挑战之一。例如，当今的“联网家庭”可能出现如下的场景：分处不同楼层的电脑、打印机、电话、电视机、平板电脑和游戏机等设备通过多道墙体连接到家中的WLAN上。通常家中的无线接入点(AP)和电视机的摆放位置相对固定，这样家中某些位置的设备到AP的连接性就不太好。在这种情况下，通过扩大覆盖范围和提升速率来改进互连性能的各种技术都极具价值。不仅是家庭网络，企业无线接入点和热点，也可从这类改进中受益。在提高连接性能方面最为高效的一项技术是发射波束赋形(Transmit beamforming)技术。

发射波束赋形技术通常不会带来一般的新技术引进中常见的问题，例如需要做大规模硬件升级和缺乏向前兼容性等等。以下场景(图1)都可利用到该技术：面向整个家庭的媒体分发、多媒体流、通过电视浏览播放相机和手机中的内容、向打印机发送照片以及提升游戏体验等。

图1：互连式家庭 – 短距离覆盖

发射波束赋形技术介绍

发射波束赋形(Tx BF)是在数字信号处理(DSP)逻辑电路中采用的一种技术，用来 扩大特定客户端或设备的覆盖范围并提升数据速率。在一个基本的单接收数据流系统中，该技术的工作原理为：从每根天线发出的信号在接收天线端进行组合。特别值得一提的是，传输信号的相位可以进行调整以控制波束的指向。IEEE 802.11n详细描述了发射波束赋形技术，该技术利用了MIMO系统中的多个发射天线的优势。通过估计发射端和接收端之间的信道，该技术在这类系统中高效的控制各个数据流的方向来提高总体增益。因此，可以把该技术简单看成是在已知信道上的一种分集发射形式。

在典型的802.11系统中，AP波束赋形能够为客户端提供更高的增益。该技术可以提高数据传输速率，并减少重传次数，进而提高了系统容量和频谱利用率。以从四发射天线系统波束赋形至单接收天线系统为例，其增益提高可达12dB，覆盖范围可扩大两倍。波束赋形技术对这种发射与接收天线数量不同的非对称系统的性能提升效果最大(图2)。

图2：企业园区 – 长距离覆盖

发射波束赋形技术的实现

要实现发射波束赋形技术，系统发射端应有两根或两根以上天线。基本情形是，两个发送系统同时发送数据流到单个接收系统。发射波束赋形技术是基于每个数据包，在OFDM系统的每个子载波的基带上实现的。

要实现发射波束赋形技术，就需要计算方向矩阵(加到发送信号上的权重)，以针对特定客户端来控制信号的方向。而权重是通过信道估计得出的，又称信道状态信息(CSI)。不同的芯片厂商对此会有不同的实现方法。将方向矩阵加到发送信号上的一端称为波束赋形发射方(BFer)，其指向的另一端是波束赋形接收方(BFee)。

一般而言，波束赋形技术不要求接收端(BFee)感知到发射端(BFer)正在进行波束赋形。在这种情况下，接收端不可能也不会为改进信号指向性提供任何反馈信息。假定信道是互易的(即上行链路和下行链路信号方向是相向的)，那么发射端会在自己这一端根据接收的信号对信道进行估计，然后利用这些估计值产生方向矩阵，用来控制发送信号的方向。

这种发射技术的实现并不受限于802.11n标准限制，由于其内容能完全识别接收客户端，这使得其除了对802.11n的接收端设备可以进行波束赋形外，对传统设备也一样可以。此外，这种技术也不会增加系统的反馈成本。因此，该技术可带来显著的总体增益效果。

802.11n标准定义了两种类型的波束赋形技术的实现方法：隐式反馈和显式反馈。

该标准还定义了称为信道“发声”的过程，用来测定信道状态信息， 并为此定义了一种发声数据包。不过，因为波束赋形技术不需要接收端的反馈，所以发声数据包是该标准中的一个可选功能，因而不要求接收端能处理NDP或带有交错前导码的数据包，这正是传统设备中的应用场景。

隐式反馈：隐式反馈型发射波束赋形技术基于以下假定：波束赋形发射端和接收端之间的上、下行信道是互易的(即上行链路和下行链路信号方向是相向的)。波束赋形发射端发送一个训练请求(TRQ)，即一个802.11标准数据包，并等待收到一个作为回应的发声数据包。一接收到发声数据包，发射端就对接收信道进行估计，并计算方向矩阵。该方向矩阵将用来在发送方向上控制随后发送的信号的方向。不过，这种方法要求计算校正矩阵，以消除上行链路信道和下行链路信道之间的任何失配。换句话说，这种方法要求校准，以保持信道的互易性。

显式反馈：在显式波束赋形中，波束赋形接收端根据接收到的由发射端发送的发声数据包对信道进行估计。根据实现方法的不同，波束赋形接收端会将原始信道估计值，或者将计算好的方向矩阵以压缩或非压缩形式反馈给发射端。在前一种情况下，波束赋形发射端负责进行方向矩阵的计算。由于发射端和接收端均对信道进行过估算，显示反馈可提供非常可靠的方向矩阵。

性能的提升

在家庭和企业环境中进行的OTA测试中(图3和图4)，发射波束赋形技术提供高达12dB的明显增益。发射波束赋形技术还延长了高清视频传送应用的传输距离，在相同的带宽下，传输覆盖范围提升约两倍。由于扩大了传输覆盖范围，使得在小区边缘采用比以前更高端的调制方法成为可能，从而提高了系统的总体容量。

图3：增益提升

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图4：覆盖范围提升

限制

基于标准的波束赋形技术在系统中增加了反馈成本。此外，由于信道状态信息是随时间而变化的，尤其是随着AP或客户端的移动而变化，因此方向矩阵需要频繁更新。而且，基于标准的波束赋形需要针对每个客户端进行。因为可能包括信标在内的广播信号不能优化，所以AP的总体最大传输距离不能仅通过波束赋形来提高。对于刚好满足所需最低天线数量的2x2系统，从发射波束赋形技术中获得的增益有限。

但是，4x4系统正在成为事实上的AP配置，因此2x2的限制就不存在了。就采用了2x2 AP的系统而言，仅对系统设计进行微小的改变，就有可能提供更好的增益。此外，因为大多数企业接入点和热点都已经采用了MIMO系统，而且这类系统现在也正在进入家庭接入点中，所以采用波束赋形就格外有益。最后，再来看一下前述用户场景，在这种情况下，AP和某一个客户端(如电视)是相对固定的，这又使得针对每个客户端的覆盖范围和速率提升非常必要。

本文结论

在对现有系统改变最小的情况下，发射波束赋形技术实现了重要的技术升级，扩大了覆盖范围并提高了传输速率，进而提升了以多媒体内容为核心需求的用户体验。发射波束赋形技术可以提供的优势远远超过了其受到的限制。