波束賦形一種智能化的發(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(zhàn)之一。例如，當(dāng)今的“聯(lián)網(wǎng)家庭”可能出現(xiàn)如下的場(chǎng)景：分處不同樓層的電腦、打印機(jī)、電話、電視機(jī)、平板電腦和游戲機(jī)等設(shè)備通過(guò)多道墻體連接到家中的WLAN上。通常家中的無(wú)線接入點(diǎn)(AP)和電視機(jī)的擺放位置相對(duì)固定，這樣家中某些位置的設(shè)備到AP的連接性就不太好。在這種情況下，通過(guò)擴(kuò)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)線接入點(diǎn)和熱點(diǎn)，也可從這類改進(jìn)中受益。在提高連接性能方面最為高效的一項(xiàng)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(guī)模硬件升級(jí)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(jī)和手機(jī)中的內(nèi)容、向打印機(jī)發(fā)送照片以及提升游戲體驗(yàn)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(shù)字信號(hào)處理(DSP)邏輯電路中采用的一種技術(shù)，用來(lái) 擴(kuò)大特定客戶端或設(shè)備的覆蓋范圍并提升數(shù)據(jù)速率。在一個(gè)基本的單接收數(shù)據(jù)流系統(tǒng)中，該技術(shù)的工作原理為：從每根天線發(fā)出的信號(hào)在接收天線端進(jìn)行組合。特別值得一提的是，傳輸信號(hào)的相位可以進(jìn)行調(diào)整以控制波束的指向。IEEE 802.11n詳細(xì)描述了發(fā)射波束賦形技術(shù)，該技術(shù)利用了MIMO系統(tǒng)中的多個(gè)發(fā)射天線的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)估計(jì)發(fā)射端和接收端之間的信道，該技術(shù)在這類系統(tǒng)中高效的控制各個(gè)數(shù)據(jù)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(tǒng)中，AP波束賦形能夠?yàn)榭蛻舳颂峁└叩脑鲆?。該技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少重傳次數(shù)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)容量和頻譜利用率。以從四發(fā)射天線系統(tǒng)波束賦形至單接收天線系統(tǒng)為例，其增益提高可達(dá)12dB，覆蓋范圍可擴(kuò)大兩倍。波束賦形技術(shù)對(duì)這種發(fā)射與接收天線數(shù)量不同的非對(duì)稱系統(tǒng)的性能提升效果最大(圖2)。

圖2：企業(yè)園區(qū) – 長(zhǎng)距離覆蓋。

發(fā)射波束賦形技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束賦形技術(shù)，系統(tǒng)發(fā)射端應(yīng)有兩根或兩根以上天線。基本情形是，兩個(gè)發(fā)送系統(tǒng)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)流到單個(gè)接收系統(tǒng)。發(fā)射波束賦形技術(shù)是基于每個(gè)數(shù)據(jù)包，在OFDM系統(tǒng)的每個(gè)子載波的基帶上實(shí)現(xiàn)的。

要實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束賦形技術(shù)，就需要計(jì)算方向矩陣(加到發(fā)送信號(hào)上的權(quán)重)，以針對(duì)特定客戶端來(lái)控制信號(hào)的方向。而權(quán)重是通過(guò)信道估計(jì)得出的，又稱信道狀態(tài)信息(CSI)。不同的芯片廠商對(duì)此會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)方法。將方向矩陣加到發(fā)送信號(hào)上的一端稱為波束賦形發(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(hào)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(hào)方向是相向的)，那么發(fā)射端會(huì)在自己這一端根據(jù)接收的信號(hào)對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，然后利用這些估計(jì)值產(chǎn)生方向矩陣，用來(lái)控制發(fā)送信號(hào)的方向。

這種發(fā)射技術(shù)的實(shí)現(xiàn)并不受限于802.11n標(biāo)準(zhǔn)限制，由于其內(nèi)容能完全識(shí)別接收客戶端，這使得其除了對(duì)802.11n的接收端設(shè)備可以進(jìn)行波束賦形外，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備也一樣可以。此外，這種技術(shù)也不會(huì)增加系統(tǒng)的反饋成本。因此，該技術(shù)可帶來(lái)顯著的總體增益效果。

802.11n標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種類型的波束賦形技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法：隱式反饋和顯式反饋。

該標(biāo)準(zhǔn)還定義了稱為信道“發(fā)聲”的過(guò)程，用來(lái)測(cè)定信道狀態(tài)信息， 并為此定義了一種發(fā)聲數(shù)據(jù)包。不過(guò)，因?yàn)椴ㄊx形技術(shù)不需要接收端的反饋，所以發(fā)聲數(shù)據(jù)包是該標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)前導(dǎo)碼的數(shù)據(jù)包，這正是傳統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)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(hào)方向是相向的)。波束賦形發(fā)射端發(fā)送一個(gè)訓(xùn)練請(qǐng)求(TRQ)，即一個(gè)802.11標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包，并等待收到一個(gè)作為回應(yīng)的發(fā)聲數(shù)據(jù)包。一接收到發(fā)聲數(shù)據(jù)包，發(fā)射端就對(duì)接收信道進(jìn)行估計(jì)，并計(jì)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(hào)的方向。不過(guò)，這種方法要求計(jì)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。換句話說(shuō)，這種方法要求校準(zhǔn)，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(jù)接收到的由發(fā)射端發(fā)送的發(fā)聲數(shù)據(jù)包對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同，波束賦形接收端會(huì)將原始信道估計(jì)值，或者將計(jì)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(fù)責(zé)進(jìn)行方向矩陣的計(jì)算。由于發(fā)射端和接收端均對(duì)信道進(jìn)行過(guò)估算，顯示反饋可提供非?？煽康姆较蚓仃嚒?/p>

性能的提升

在家庭和企業(yè)環(huán)境中進(jìn)行的OTA測(cè)試中(圖3和圖4)，發(fā)射波束賦形技術(shù)提供高達(dá)12dB的明顯增益。發(fā)射波束賦形技術(shù)還延長(zhǎng)了高清視頻傳送應(yīng)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(kuò)大了傳輸覆蓋范圍，使得在小區(qū)邊緣采用比以前更高端的調(diào)制方法成為可能，從而提高了系統(tǒng)的總體容量。

圖3：增益提升。

圖4：覆蓋范圍提升。

限制

基于標(biāo)準(zhǔn)的波束賦形技術(shù)在系統(tǒng)中增加了反饋成本。此外，由于信道狀態(tài)信息是隨時(shí)間而變化的，尤其是隨著AP或客戶端的移動(dòng)而變化，因此方向矩陣需要頻繁更新。而且，基于標(biāo)準(zhǔn)的波束賦形需要針對(duì)每個(gè)客戶端進(jìn)行。因?yàn)榭赡馨ㄐ艠?biāo)在內(nèi)的廣播信號(hào)不能優(yōu)化，所以AP的總體最大傳輸距離不能僅通過(guò)波束賦形來(lái)提高。對(duì)于剛好滿足所需最低天線數(shù)量的2x2系統(tǒng)，從發(fā)射波束賦形技術(shù)中獲得的增益有限。

但是，4x4系統(tǒng)正在成為事實(shí)上的AP配置，因此2x2的限制就不存在了。就采用了2x2 AP的系統(tǒng)而言，僅對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行微小的改變，就有可能提供更好的增益。此外，因?yàn)榇蠖鄶?shù)企業(yè)接入點(diǎn)和熱點(diǎn)都已經(jīng)采用了MIMO系統(tǒng)，而且這類系統(tǒng)現(xiàn)在也正在進(jìn)入家庭接入點(diǎn)中，所以采用波束賦形就格外有益。最后，再來(lái)看一下前述用戶場(chǎng)景，在這種情況下，AP和某一個(gè)客戶端(如電視)是相對(duì)固定的，這又使得針對(duì)每個(gè)客戶端的覆蓋范圍和速率提升非常必要。

本文結(jié)論

在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)改變最小的情況下，發(fā)射波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重要的技術(shù)升級(jí)，擴(kuò)大了覆蓋范圍并提高了傳輸速率，進(jìn)而提升了以多媒體內(nèi)容為核心需求的用戶體驗(yàn)。發(fā)射波束賦形技術(shù)可以提供的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其受到的限制。