波束成形-无线局域网基础技术

近年来，通信运营商竞相提高无线局域网(WLAN)的地位，不仅视其为有线宽带接入的辅助手段，更不吝将其上升到战略高度，提升无线局域网的网络质量和用户体验成为社会关注的焦点。本文主要为您介绍无线局域网关键技术之一——波束成形(Beamforming)，包括基本概念和发展趋势。

　　背景由来

　　波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收。波束成形，并非新名词，其实它是一项经典的传统天线技术。早在上世纪 60年代就有采用天线分集接收的阵列信号处理技术，在电子对抗、相控阵雷达、声纳等通信设备中得到了高度重视。基于数字波束形成(DBF)的自适应阵列干扰置零技术，能够提高雷达系统的抗干扰能力，是新一代军用雷达必用的关键技术。定位通信系统通过传声器阵列获取声场信息，使用波束成形和功率谱估计原理，对信号进行处理，确定信号来波方向，从而可对信源进行精确定向。只不过，由于早年半导体技术还处在微米级，所以它没有在民用通信中发挥到理想的状态。

　　而发展到WLAN阶段，特别是应用在个人通信中，信号传输距离和信道质量以及无线通信的抗干扰问题便成为瓶颈。支持高吞吐是WLAN技术发展历程的关键。802.11n主要是结合物理层和MAC层的优化，来充分提高WLAN技术的吞吐。此时，波束成形又有了用武之地。

　　基本原理

　　波束成形，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。从天线方向图 (pattern)视角来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。同样原理也适用用于发射端。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。

　　如果要采用波束成形技术，前提是必须采用多天线系统。例如，多进多出(MIMO)，不仅采用多接收天线，还可用多发射天线。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流(spatial streams)，是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多个天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比。即使在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。

　　MIMO可大大提高网络传输速率、覆盖范围和性能。当基于MIMO而同时传递多条独立空间流时，系统的吞吐量可成倍地提高。MIMO系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。如发送天线数量为3，而接收天线数量为2，则支持的空间流为2。在市场上，经历了三年3×3模式的量产磨合期后，今年4X4模式崭露头角，立刻引起了业界重视。
应用举例

　　本文列举一个4x4 三空间流的802.11n 解决方案。

　　Marvell 今年发布了支持4x4-3SS Wi-Fi 802.11n 性能的Avastar系列。这将显着提高笔记本、台式电脑、平板电脑、智能手机、电子阅读器、打印机、路由器、机顶盒、高清电视、游戏设备、DVD播放器等性能。它采用波束成形技术后，使1x1- 4x4 MIMO 产品和传统设备之间的链路耐用性大大改善。 以双频接入热点(AP)为例， 它有如下特点：

　　性能高达450 Mbps数据率

　　支持802.11n 技术规范

　　支持802.11ac 技术规范

　　由数字信号处理DSP 实现，不要求额外的特殊硬件

　　波束成形虽然不是必须支持的，但是有了它，尤其是两端都支持时，增益最大化

　　高效的电源管理模块，实现低功耗

　　蓝牙技术和面向多种无线共存状态，降低Wi-Fi和蓝牙同时工作的相互干扰

　　工作过程

　　波束成形的工作过程是怎样的？以热点为例，基站给客户端周期性发送声信号，客户端将信道信息反馈给基站，于是基站可根据信道状态发送导向数据包给客户端。高速的数据计算处理，给出了复形的指示，客户端方向上的增益得以加强，方向图随之整型，相应方向的传输距离也有所增加。AP如果用4组发射天线4x4三组空间流，便能在多天线得到的增益基础上，获取较大的空间分集增益。

　　从结构和设置来分，支持802.11n标准的波束成形可分为显性波束成形和隐形波束成形两大类。显性波束成形在AP和客户端均有设置，对增加距离和链路耐用性有很大提高。隐性波束成形的好处是客户端不需要做相应的处理，在设备实现上较为简单，对增加距离和耐用性也有一定帮助。

　　以显性波束成形的热点为例， 无线局域网信号传输过程是这样开始的：

　　基站与客户端之间需要不断地周期性握手(发送声信号，信道矩阵反馈)

　　客户端反馈信道信息给热点

　　热点根据信道状态信息发送复形数据包给客户端，加强某客户端方向的强度

　　由此获得空间分集增益 + 发射阵列增益(此与发射天线数量有关)
发展趋势

　　随着WLAN的发展，基站的数量需求极大，而且基站安装的成本比较高，在这种情况下，增大覆盖范围，克服无线干扰显得尤为重要。