波束成形是什么？未來會怎么發(fā)展

今年以來通信運(yùn)營商競相提高無線局域網(wǎng)（WLAN）的地位，不僅視其為有線寬帶接入的輔助手段，更不吝將其上升到戰(zhàn)略高度。從中國移動的部署來看，似有四架馬車GSM，TD-SCDMA, TD-LTE, WLAN齊頭并進(jìn)之趨。于是，提升無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)成為關(guān)注焦點(diǎn)。本文介紹無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一——波束成形（Beamforming），包括基本概念和發(fā)展趨勢。

背景由來

波束成形是天線技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合，目的用于定向信號傳輸或接收。波束成形，并非新名詞，其實(shí)它是一項(xiàng)經(jīng)典的傳統(tǒng)天線技術(shù)。早在上世紀(jì)60年代就有采用天線分集接收的陣列信號處理技術(shù)，在電子對抗、相控陣?yán)走_(dá)、聲納等通信設(shè)備中得到了高度重視。基于數(shù)字波束形成（DBF）的自適應(yīng)陣列干擾置零技術(shù)，能夠提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力，是新一代軍用雷達(dá)必用的關(guān)鍵技術(shù)。定位通信系統(tǒng)通過傳聲器陣列獲取聲場信息，使用波束成形和功率譜估計(jì)原理，對信號進(jìn)行處理，確定信號來波方向，從而可對信源進(jìn)行精確定向。只不過，由于早年半導(dǎo)體技術(shù)還處在微米級，所以它沒有在民用通信中發(fā)揮到理想的狀態(tài)。

而發(fā)展到WLAN階段，特別是應(yīng)用在個(gè)人通信中，信號傳輸距離和信道質(zhì)量以及無線通信的抗干擾問題便成為瓶頸。支持高吞吐是WLAN技術(shù)發(fā)展歷程的關(guān)鍵。802.11n主要是結(jié)合物理層和MAC層的優(yōu)化，來充分提高WLAN技術(shù)的吞吐。此時(shí)，波束成形又有了用武之地。

基本原理

波束成形，源于自適應(yīng)天線的一個(gè)概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進(jìn)行加權(quán)合成，形成所需的理想信號。從天線方向圖 (pattern)視角來看，這樣做相當(dāng)于形成了規(guī)定指向上的波束。例如，將原來全方位的接收方向圖轉(zhuǎn)換成了有零點(diǎn)、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對天線陣元饋電進(jìn)行幅度和相位調(diào)整，可形成所需形狀的方向圖。

如果要采用波束成形技術(shù)，前提是必須采用多天線系統(tǒng)。例如，多進(jìn)多出（MIMO），不僅采用多接收天線，還可用多發(fā)射天線。由于采用了多組天線，從發(fā)射端到接收端無線信號對應(yīng)同一條空間流(spatial streams)，是通過多條路徑傳輸?shù)?。在接收端采用一定的算法對多個(gè)天線收到信號進(jìn)行處理，就可以明顯改善接收端的信噪比。即使在接收端較遠(yuǎn)時(shí)，也能獲得較好的信號質(zhì)量。

MIMO可大大提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、覆蓋范圍和性能。當(dāng)基于MIMO而同時(shí)傳遞多條獨(dú)立空間流時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量可成倍地提高。MIMO系統(tǒng)支持空間流的數(shù)量取決于發(fā)送天線和接收天線的最小值。如發(fā)送天線數(shù)量為3,而接收天線數(shù)量為2，則支持的空間流為2。在市場上，經(jīng)歷了三年3×3模式的量產(chǎn)磨合期后，今年4X4模式嶄露頭角，立刻引起了業(yè)界重視。

應(yīng)用舉例

本文列舉一個(gè)4x4 三空間流的802.11n 解決方案。

Marvell 今年發(fā)布了支持4x4-3SS Wi-Fi 802.11n 性能的Avastar系列。這將顯著提高筆記本、臺式電腦、平板電腦、智能手機(jī)、電子閱讀器、打印機(jī)、路由器、機(jī)頂盒、高清電視、游戲設(shè)備、DVD播放器等性能。它采用波束成形技術(shù)后，使1x1- 4x4 MIMO 產(chǎn)品和傳統(tǒng)設(shè)備之間的鏈路耐用性大大改善。 以雙頻接入熱點(diǎn)（AP）為例， 它有如下特點(diǎn)：

性能高達(dá)450 Mbps數(shù)據(jù)率

支持802.11n 技術(shù)規(guī)范

支持802.11ac 技術(shù)規(guī)范

由數(shù)字信號處理DSP 實(shí)現(xiàn)，不要求額外的特殊硬件

波束成形雖然不是必須支持的，但是有了它，尤其是兩端都支持時(shí)，增益最大化

高效的電源管理模塊，實(shí)現(xiàn)低功耗

藍(lán)牙技術(shù)和面向多種無線共存狀態(tài)，降低Wi-Fi和藍(lán)牙同時(shí)工作的相互干擾

工作過程

波束成形的工作過程是怎樣的？以熱點(diǎn)為例，基站給客戶端周期性發(fā)送聲信號，客戶端將信道信息反饋給基站，于是基站可根據(jù)信道狀態(tài)發(fā)送導(dǎo)向數(shù)據(jù)包給客戶端。高速的數(shù)據(jù)計(jì)算處理，給出了復(fù)形的指示，客戶端方向上的增益得以加強(qiáng)，方向圖隨之整型，相應(yīng)方向的傳輸距離也有所增加。AP如果用4組發(fā)射天線4x4三組空間流，便能在多天線得到的增益基礎(chǔ)上，獲取較大的空間分集增益。

從結(jié)構(gòu)和設(shè)置來分，支持802.11n標(biāo)準(zhǔn)的波束成形可分為顯性波束成形和隱形波束成形兩大類。顯性波束成形在AP和客戶端均有設(shè)置，對增加距離和鏈路耐用性有很大提高。隱性波束成形的好處是客戶端不需要做相應(yīng)的處理，在設(shè)備實(shí)現(xiàn)上較為簡單，對增加距離和耐用性也有一定幫助。

以顯性波束成形的熱點(diǎn)為例， 無線局域網(wǎng)信號傳輸過程是這樣開始的：

基站與客戶端之間需要不斷地周期性握手（發(fā)送聲信號，信道矩陣反饋）

客戶端反饋信道信息給熱點(diǎn)

熱點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)信息發(fā)送復(fù)形數(shù)據(jù)包給客戶端，加強(qiáng)某客戶端方向的強(qiáng)度

由此獲得空間分集增益 + 發(fā)射陣列增益（此與發(fā)射天線數(shù)量有關(guān)）

下圖舉例說明熱點(diǎn)和客戶端的工作過程和延伸距離的狀況。該圖定性地比較了不同 AP提供的不同效果。熱點(diǎn)采用4組發(fā)射天線，延長了802.11n的傳輸距離，而采用波束成形，又進(jìn)一步增加了客戶端方向的增益和信號覆蓋范圍。值得注意的是，隨著熱點(diǎn)和客戶端之間作用距離的增加，波束成形帶來的優(yōu)勢越發(fā)明顯，其動態(tài)增長的態(tài)勢呈非線性遞增。

圖. 波束成形技術(shù)增加傳輸距離的示意圖

發(fā)展趨勢

隨著WLAN的發(fā)展，基站的數(shù)量需求極大，而且基站安裝的成本比較高，在這種情況下，增大覆蓋范圍，克服無線干擾顯得尤為重要。

波束成形并不要求采用特殊的天線，也不增加其它無線子系統(tǒng)，就能在性能上得以提高，而且比其它數(shù)字信號處理技術(shù)，例如空時(shí)分組碼(STBC)及低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)的引入，效益更高，可高出數(shù)倍。在家庭和企業(yè)的環(huán)境下，均可適用。

WLAN產(chǎn)品支持雙頻，即2.4GHz 和5GHz，支持20/40 MHz

空間流從1x1，2x2/2x3, 到2008年的3x3上市，今年的市場上推出4 x4產(chǎn)品

隨著WLAN應(yīng)用的需求發(fā)展，波束成形逐漸有望從供選項(xiàng)成為必選項(xiàng)

半導(dǎo)體工藝 從2008年的90納米CMOS進(jìn)到2010年55納米， 進(jìn)而到2011年提升到40納米

當(dāng)前，波束成形也成為了802.11 ac 技術(shù)規(guī)范的一部分。而對于Wi-Fi認(rèn)證來說，它僅是一種供選項(xiàng)，并不是必須的。將來是否成為Wi-Fi認(rèn)證的必要構(gòu)件，仍有待技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢而定。事實(shí)上，在任何Wi-Fi的設(shè)備上都是可以采用波束成形技術(shù)的，只不過，這涉及到設(shè)備得進(jìn)行的相應(yīng)配置。如果在兩端均采取對應(yīng)部署時(shí)，它才會真正獲得增益最大化。當(dāng)采用高階的MIMO時(shí)，獲取的增益提高會高于低階的MIMO。例如，4x4的系統(tǒng)總是比2x2的系統(tǒng)具有更大的性能提高空間。

存在問題

波束成形技術(shù)固然能改善系統(tǒng)性能，增加接收距離，但同時(shí)也會增加設(shè)備成本和功耗。在多天線都處于連接的狀態(tài)下，即使在嚴(yán)重的衰落情況下，它提供的信號增益也可獲提高，但要求信號處理能力也要很強(qiáng)。所以，多天線帶來的問題是要求數(shù)據(jù)處理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和電源管理高效性是至關(guān)重要的。一方面要提高吞吐量，同時(shí)又要將功耗降到最低。

小結(jié)

波束成形并不要求采用特殊的天線，也不增加其它無線子系統(tǒng)，就能在性能上得以提高，而且比其它數(shù)字信號處理技術(shù)，例如空時(shí)分組碼(STBC)及低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)的引入，效益更高，可高出數(shù)倍。在家庭和企業(yè)的環(huán)境下，均可適用。