【龍田百科】無線終端信号最強輔助——波束成形
發布時間：2023-12-22
波束成形技術是将信号以一(yī)種能量集中(zhōng)和定向方式發送給無線終端的技術，能全面改善無線終端接收的信号質量，并提升吞吐量。在Wi-Fi（WiFi）标準中(zhōng)，從Wi-Fi 4（802.11n）開(kāi)始引入該技術。
WiFi爲什麽要用波束成形
Wi-Fi标準一(yī)直緻力于提升無線的傳輸速率，尤其是從Wi-Fi 4（802.11n）開(kāi)始引入了MIMO和波束成形技術，讓傳輸速率提升到了數百兆，提升了1個量級。
MIMO技術通過多天線傳輸，帶來傳輸速率的成倍增長。但在實際應用中(zhōng)STA（無線終端）往往隻有1到2個天線，這使得STA發送和接收信号的收益有所差異。STA向AP發送信号時，AP可以利用自己的多天線系統增強接收增益，獲得更好的信号強度；AP向STA發送信号時，如果僅使用對應數量的天線發送信号，則無法利用多天線帶來的增益。爲了解決這一(yī)問題，通過引入波束成形技術，可以增強STA接收到的信号強度，從而使AP和STA可以協商(shāng)出更高的傳輸速率。
爲了充分(fēn)利用AP的多天線資(zī)源，Wi-Fi 5（802.11ac）又(yòu)引入了MU-MIMO技術，使AP可以同時向多個STA發送信号，有效提升了無線的傳輸效率。MU-MIMO也需要波束成形技術，波束成形使AP的多天線信号疊加後，讓各STA僅收到自己的信号，消除其他STA的信号，避免幹擾。Wi-Fi 6（802.11ax）在Wi-Fi 5的技術上進一(yī)步增加了MU-MIMO的多用戶數量，這些都離(lí)不開(kāi)波束成形技術的使用。
波束成形工(gōng)作原理
波束成形從字面理解就是塑造波束的形狀，那麽如何塑造出波束的形狀呢？以光束爲例，用一(yī)個手電筒打出一(yī)道光束，光束的形狀是固定的。如果在平行方向增加一(yī)個手電筒，則會發現兩道光束疊加後，光束亮度增加，光束形狀發生(shēng)了改變。如果繼續增加手電筒的數量，光束的亮度繼續增加，疊加後的光束形狀也繼續變化。在多個手電筒的情況下(xià)，改變手電筒的開(kāi)關狀态或調整發光的強弱，也會影響光束的形狀。
對于無線通信，天線就相當于手電筒，無線信号的波束就相當于光束，通過多個天線，控制每個天線發射的信号，就可以改變無線信号的波束形狀。
在多天線系統中(zhōng)，如果不同天線傳輸的信号在到達某一(yī)位置時存在兩條衰減相等的波束，且兩條波束相位相反，就可能會出現空間空洞。波束成形技術可以通過預先補償發射天線的相位，讓兩條波束進行疊加以實現信号增強的效果。
波束成形的原理
波束成形怎麽知(zhī)道該如何調整發射天線的信号呢？這是通過檢測信道狀态信息CSI（Channel State Information）來獲取并計算出調整參數的。按照CSI獲取方式的不同，波束成形可以分(fēn)爲顯式波束成形（Explicit beamforming）和隐式波束成形（Implicit beamforming）。
顯示波束成形
顯式波束成形是一(yī)種需要STA反饋信道信息的波束成形方式。顯式波束成形信道信息的探測和反饋流程如下(xià)：
顯示波束成形
AP向STA發送探測數據（Training Symbol）。在802.11n标準中(zhōng)，AP發送探測數據包括空數據包（NDP）和交錯前導碼兩種方式；802.11ac标準開(kāi)始則直接使用NDP的方式。
-
NDP是一(yī)種沒有數據的空幀，其沒有負荷。AP向STA發送NDP探測通告和空數據包，STA收到探測通告和空數據包後進行信道信息反饋。
-
交錯前導碼是利用發送的帶有負荷的幀實現探測，這個幀會承載一(yī)個MAC幀和探測信道。
STA向AP反饋信道信息。在802.11n标準中(zhōng)，STA的信道信息反饋有三種方式：
-
CSI方式：STA将原始的信道信息直接發送給AP，由AP計算最終的波束成形權重值。
-
非壓縮波束成形權重值：STA收到探測後，由STA計算出波束成形權重值後反饋給AP。這種方式會增加系統開(kāi)銷，因此有了壓縮波束成形權重值。
-
壓縮波束成形權重值：同樣是由STA計算出波束成形權重值後反饋給AP，并且通過一(yī)些方法降低了系統開(kāi)銷。
802.11ac标準開(kāi)始，STA采用壓縮波束成形權重值的方式反饋信道信息。AP根據STA反饋或自己計算的權重信息進行波束成形，多徑信号在STA處彙聚，形成增益。
隐式波束成形
隐式波束成形是由Beamformer計算發送方向信道信息的波束成形方式，其利用了時分(fēn)雙工(gōng)（TDD，Time Division Duplexing）系統的互易性（即認爲同頻(pín)段的上下(xià)行的信道狀态信息是相等的），将Beamformee反饋的上行接收方向信道信息直接應用于下(xià)行發送方向，進行波束成形。由于隐式波束成形具體(tǐ)實現的複雜(zá)性，從802.11ac協議開(kāi)始已經明确不再支持隐式波束成形且業界也基本無廠商(shāng)實現該方式波束成形。
*注：本文素材來自華爲，版權歸作者所有