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,，其實它是一項經(jīng)典的傳統(tǒng)天線技術(shù)。早在上世紀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,、相控陣雷達、聲納等通信設(shè)備中得到了高度重視,?；跀?shù)字波束形成（DBF）的自適應(yīng)陣列干擾置零技術(shù)，能夠提高雷達系統(tǒng)的抗干擾能力,，是新一代軍用雷達必用的關(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原理，對信號進行處理,，確定信號來波方向,，從而可對信源進行精確定向。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,，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,、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天線收到信號進行處理,，就可以明顯改善接收端的信噪比,。即使在接收端較遠時，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。當基于MIMO而同時傳遞多條獨立空間流時,，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。

本文列舉一個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、電子閱讀器,、打印機,、路由器、機頂盒,、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（AP）為例,， 它有如下特點：

• 性能高達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,，增益最大化

• 高效的電源管理模塊，實現(xiàn)低功耗

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

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,，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標準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

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

•         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。

•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成為必選項

• 半導(dǎo)體工藝 從2008年的90納米CMOS進到2010年55納米， 進而到2011年提升到40納米

當前,，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認證來說，它僅是一種供選項,， 并不是必須的,。將來是否成為Wi-Fi認證的必要構(gòu)件，仍有待技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢而定,。事實上,，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)備得進行的相應(yīng)配置,。如果在兩端均采取對應(yīng)部署時，它才會真正獲得增益最大化,。當采用高階的MIMO時,， 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。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，同時又要將功耗降到最低,。

小結(jié)

WLAN發(fā)展形勢看好,。IPTC服務(wù)、瀏覽網(wǎng)站,、收發(fā)郵件,、云計算存儲、視頻信號流和網(wǎng)游的接入熱點都需要高帶寬,、可靠的WiFi鏈路,。采用波束成形的技術(shù)，可以帶來穩(wěn)定的信道和覆蓋范圍的擴大,。雖然這不是唯一的關(guān)鍵技術(shù),，但不失為一種經(jīng)濟高效的辦法。技術(shù)的支撐,，主要還是取決于高集成度和低功耗的芯片設(shè)計,。