波束賦形-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(shè)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(shè)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(shù)都極具價值。不僅是家庭網(wǎng)絡(luò)，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(shù)是發(fā)射波束賦形(Transmit beamforming)技術(shù)。

發(fā)射波束賦形技術(shù)通常不會帶來一般的新技術(shù)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(shù)：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(nèi)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(shù)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(shù)，用來 擴大特定客戶端或設(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(diào)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(shù)，該技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)的實現(xiàn)

要實現(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?；厩樾问?，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(shù)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(shù)，就需要計算方向矩陣(加到發(fā)送信號上的權(quán)重)，以針對特定客戶端來控制信號的方向。而權(quán)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(shù)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(shù)的實現(xiàn)并不受限于802.11n標準限制，由于其內(nèi)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(shè)備可以進行波束賦形外，對傳統(tǒng)設(shè)備也一樣可以。此外，這種技術(shù)也不會增加系統(tǒng)的反饋成本。因此，該技術(shù)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(shù)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(shù)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(dǎo)碼的數(shù)據(jù)包，這正是傳統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用場景。

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方向是相向的)。波束賦形發(fā)射端發(fā)送一個訓(xùn)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(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?？煽康姆较蚓仃?。

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(shù)提供高達12dB的明顯增益。發(fā)射波束賦形技術(shù)還延長了高清視頻傳送應(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