無線局域網(wǎng)技術(shù):波束成形

近年來，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，提升無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要為您介紹無線局域網(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(shì)。

　　背景由來

　　波束成形是天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，目的用于定向信號(hào)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(hào)處理技術(shù)，在電子對(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，確定信號(hào)來波方向，從而可對(duì)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(jí)，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(hào)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(hào)處理，可以通過對(duì)多天線陣元接收到的各路信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成，形成所需的理想信號(hào)。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(duì)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(hào)對(duì)應(yīng)同一條空間流（spatial streams），是通過多條路徑傳輸?shù)摹Ｔ诮邮斩瞬捎靡欢ǖ乃惴▽?duì)多個(gè)天線收到信號(hào)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(hào)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(tái)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(hào)處理DSP 實(shí)現(xiàn)，不要求額外的特殊硬件