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解读无线局域网的关键技术之波束成形

费宗莲 通信世界网?? 2012年06月13日 ?? 收藏0
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
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。

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