波束賦形一種智能化的發(fā)射技術

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，當今的“聯(lián)網(wǎng)家庭”可能出現(xiàn)如下的場景：分處不同樓層的電腦、打印機、電話、電視機、平板電腦和游戲機等設備通過多道墻體連接到家中的WLAN上。通常家中的無線接入點(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，通過擴大覆蓋范圍和提升速率來改進互連性能的各種技術都極具價值。不僅是家庭網(wǎng)絡，企業(yè)無線接入點和熱點，也可從這類改進中受益。在提高連接性能方面最為高效的一項技術是發(fā)射波束賦形(Transmit beamforming)技術。

發(fā)射波束賦形技術通常不會帶來一般的新技術引進中常見的問題，例如需要做大規(guī)模硬件升級和缺乏向前兼容性等等。以下場景(圖1)都可利用到該技術：面向整個家庭的媒體分發(fā)、多媒體流、通過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)射波束賦形技術介紹

發(fā)射波束賦形(Tx BF)是在數(shù)字信號處理(DSP)邏輯電路中采用的一種技術，用來 擴大特定客戶端或設備的覆蓋范圍并提升數(shù)據(jù)速率。在一個基本的單接收數(shù)據(jù)流系統(tǒng)中，該技術的工作原理為：從每根天線發(fā)出的信號在接收天線端進行組合。特別值得一提的是，傳輸信號的相位可以進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，該技術利用了MIMO系統(tǒng)中的多個發(fā)射天線的優(yōu)勢。通過估計發(fā)射端和接收端之間的信道，該技術在這類系統(tǒng)中高效的控制各個數(shù)據(jù)流的方向來提高總體增益。因此，可以把該技術簡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波束賦形能夠為客戶端提供更高的增益。該技術可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少重傳次數(shù)，進而提高了系統(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12dB，覆蓋范圍可擴大兩倍。波束賦形技術對這種發(fā)射與接收天線數(shù)量不同的非對稱系統(tǒng)的性能提升效果最大(圖2)。

圖2：企業(yè)園區(qū) – 長距離覆蓋。

發(fā)射波束賦形技術的實現(xiàn)

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

要實現(xiàn)發(fā)射波束賦形技術，就需要計算方向矩陣(加到發(fā)送信號上的權重)，以針對特定客戶端來控制信號的方向。而權重是通過信道估計得出的，又稱信道狀態(tài)信息(CSI)。不同的芯片廠商對此會有不同的實現(xiàn)方法。將方向矩陣加到發(fā)送信號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，波束賦形技術不要求接收端(BFee)感知到發(fā)射端(BFer)正在進行波束賦形。在這種情況下，接收端不可能也不會為改進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)射端會在自己這一端根據(jù)接收的信號對信道進行估計，然后利用這些估計值產(chǎn)生方向矩陣，用來控制發(fā)送信號的方向。

這種發(fā)射技術的實現(xiàn)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端，這使得其除了對802.11n的接收端設備可以進行波束賦形外，對傳統(tǒng)設備也一樣可以。此外，這種技術也不會增加系統(tǒng)的反饋成本。因此，該技術可帶來顯著的總體增益效果。

802.11n標準定義了兩種類型的波束賦形技術的實現(xiàn)方法：隱式反饋和顯式反饋。

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

隱式反饋：隱式反饋型發(fā)射波束賦形技術基于以下假定：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)送一個訓練請求(TRQ)，即一個802.11標準數(shù)據(jù)包，并等待收到一個作為回應的發(fā)聲數(shù)據(jù)包。一接收到發(fā)聲數(shù)據(jù)包，發(fā)射端就對接收信道進行估計，并計算方向矩陣。該方向矩陣將用來在發(fā)送方向上控制隨后發(fā)送的信號的方向。不過，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。換句話說，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(jù)接收到的由發(fā)射端發(fā)送的發(fā)聲數(shù)據(jù)包對信道進行估計。根據(jù)實現(xiàn)方法的不同，波束賦形接收端會將原始信道估計值，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)射端負責進行方向矩陣的計算。由于發(fā)射端和接收端均對信道進行過估算，顯示反饋可提供非常可靠的方向矩陣。

性能的提升

在家庭和企業(yè)環(huán)境中進行的OTA測試中(圖3和圖4)，發(fā)射波束賦形技術提供高達12dB的明顯增益。發(fā)射波束賦形技術還延長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(qū)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(tǒng)的總體容量。

圖3：增益提升。

圖4：覆蓋范圍提升。

限制

基于標準的波束賦形技術在系統(tǒng)中增加了反饋成本。此外，由于信道狀態(tài)信息是隨時間而變化的，尤其是隨著AP或客戶端的移動而變化，因此方向矩陣需要頻繁更新。而且，基于標準的波束賦形需要針對每個客戶端進行。因為可能包括信標在內的廣播信號不能優(yōu)化，所以AP的總體最大傳輸距離不能僅通過波束賦形來提高。對于剛好滿足所需最低天線數(shù)量的2x2系統(tǒng)，從發(fā)射波束賦形技術中獲得的增益有限。

但是，4x4系統(tǒng)正在成為事實上的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，僅對系統(tǒng)設計進行微小的改變，就有可能提供更好的增益。此外，因為大多數(shù)企業(yè)接入點和熱點都已經(jīng)采用了MIMO系統(tǒng)，而且這類系統(tǒng)現(xiàn)在也正在進入家庭接入點中，所以采用波束賦形就格外有益。最后，再來看一下前述用戶場景，在這種情況下，AP和某一個客戶端(如電視)是相對固定的，這又使得針對每個客戶端的覆蓋范圍和速率提升非常必要。

本文結論

在對現(xiàn)有系統(tǒng)改變最小的情況下，發(fā)射波束賦形技術實現(xiàn)了重要的技術升級，擴大了覆蓋范圍并提高了傳輸速率，進而提升了以多媒體內容為核心需求的用戶體驗。發(fā)射波束賦形技術可以提供的優(yōu)勢遠遠超過了其受到的限制。