无线局域网关键技术之一：波束成形技术

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今年以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。从中国移动的部署来看，似有四架马车GSM，TD-SCDMA, TD-LTE, WLAN齐头并进之趋。于是，提升无线局域网的网络质量和用户体验成为关注焦点。本文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。 这将显著提高笔记本、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）
下图举例说明热点和客户端的工作过程和延伸距离的状况。该图定性地比较了不同 AP提供的不同效果。热点采用4组发射天线，延长了802.11n的传输距离， 而采用波束成形， 又进一步增加了客户端方向的增益和信号覆盖范围。值得注意的是，随着热点和客户端之间作用距离的增加，波束成形带来的优势越发明显，其动态增长的态势呈非线性递增。

图. 波束成形技术增加传输距离的示意图
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。


波束成形并不要求采用特殊的天线，也不增加其它无线子系统，就能在性能上得以提高， 而且比其它数字信号处理技术，例如空时分组码(STBC)及低密度奇偶校验码(LDPC)的引入，效益更高，可高出数倍。 在家庭和企业的环境下，均可适用。
•WLAN产品支持双频，即2.4GHz 和5GHz，支持20/40 MHz
•空间流从1x1，2x2/2x3, 到2008年的3x3上市，今年的市场上推出4 x4产品
• 随着WLAN应用的需求发展，波束成形逐渐有望从供选项成为必选项
• 半导体工艺 从2008年的90纳米CMOS进到2010年55纳米， 进而到2011年提升到40纳米
当前，波束成形也成为了802.11 ac 技术规范的一部分。而对于Wi-Fi认证来说，它仅是一种供选项， 并不是必须的。将来是否成为Wi-Fi认证的必要构件，仍有待技术发展的态势而定。事实上，在任何Wi-Fi的设备上都是可以采用波束成形技术的，只不过，这涉及到设备得进行的相应配置。如果在两端均采取对应部署时，它才会真正获得增益最大化。当采用高阶的MIMO时， 获取的增益提高会高于低阶的MIMO。例如，4x4的系统总是比2x2的系统具有更大的性能提高空间。
存在问题
波束成形技术固然能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。在多天线都处于连接的状态下，即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也可获提高，但要求信号处理能力也要很强。所以，多天线带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。
小结
波束成形并不要求采用特殊的天线，也不增加其它无线子系统，就能在性能上得以提高， 而且比其它数字信号处理技术，例如空时分组码(STBC)及低密度奇偶校验码(LDPC)的引入，效益更高，可高出数倍。 在家庭和企业的环境下，均可适用。
•WLAN产品支持双频，即2.4GHz 和5GHz，支持20/40 MHz
•空间流从1x1，2x2/2x3, 到2008年的3x3上市，今年的市场上推出4 x4产品
• 随着WLAN应用的需求发展，波束成形逐渐有望从供选项成为必选项
• 半导体工艺 从2008年的90纳米CMOS进到2010年55纳米， 进而到2011年提升到40纳米
当前，波束成形也成为了802.11 ac 技术规范的一部分。而对于Wi-Fi认证来说，它仅是一种供选项， 并不是必须的。将来是否成为Wi-Fi认证的必要构件，仍有待技术发展的态势而定。事实上，在任何Wi-Fi的设备上都是可以采用波束成形技术的，只不过，这涉及到设备得进行的相应配置。如果在两端均采取对应部署时，它才会真正获得增益最大化。当采用高阶的MIMO时， 获取的增益提高会高于低阶的MIMO。例如，4x4的系统总是比2x2的系统具有更大的性能提高空间。
存在问题
波束成形技术固然能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。在多天线都处于连接的状态下，即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也可获提高，但要求信号处理能力也要很强。所以，多天线带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。
小结
WLAN发展形势看好。IPTC服务、浏览网站、收发邮件、云计算存储、视频信号流和网游的接入热点都需要高带宽、可靠的WiFi链路。采用波束成形的技术，可以带来稳定的信道和覆盖范围的扩大。虽然这不是唯一的关键技术，但不失为一种经济高效的办法。技术的支撑，主要还是取决于高集成度和低功耗的芯片设计。
发展形势看好。IPTC服务、浏览网站、收发邮件、云计算存储、视频信号流和网游的接入热点都需要高带宽、可靠的WiFi链路。采用波束成形的技术，可以带来稳定的信道和覆盖范围的扩大。虽然这不是唯一的关键技术。