今年以來(lái)通信運(yùn)營(yíng)商競(jìng)相提高無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的地位,，不僅視其為有線(xiàn)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(guó)移動(dòng)的部署來(lái)看,，似有四架馬車(chē)GSM,，TD-SCDMA, TD-LTE, WLAN齊頭并進(jìn)之趨。于是,，提升無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)成為關(guān)注焦點(diǎn),。本文介紹無(wú)線(xiàn)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(lái)
波束成形是天線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)。早在上世紀(jì)60年代就有采用天線(xiàn)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,?；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(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(guò)傳聲器陣列獲取聲場(chǎng)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(lái)波方向,，從而可對(duì)信源進(jìn)行精確定向,。只不過(guò),，由于早年半導(dǎo)體技術(shù)還處在微米級(jí)，所以它沒(méi)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(wú)線(xiàn)通信的抗干擾問(wèn)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(lái)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(xiàn)的一個(gè)概念,。接收端的信號(hào)處理，可以通過(guò)對(duì)多天線(xiàn)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(xiàn)方向圖 (pattern)視角來(lái)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)。例如,，多進(jìn)多出（MIMO）,，不僅采用多接收天線(xiàn)，還可用多發(fā)射天線(xiàn),。由于采用了多組天線(xiàn),，從發(fā)射端到接收端無(wú)線(xiàn)信號(hào)對(duì)應(yīng)同一條空間流(spatial streams)，是通過(guò)多條路徑傳輸?shù)?。在接收端采用一定的算法?duì)多個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)和接收天線(xiàn)的最小值。如發(fā)送天線(xiàn)數(shù)量為3,而接收天線(xiàn)數(shù)量為2,，則支持的空間流為2,。在市場(chǎng)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
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(wú)線(xiàn)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(guò)程
波束成形的工作過(guò)程是怎樣的,？以熱點(diǎn)為例，基站給客戶(hù)端周期性發(fā)送聲信號(hào),，客戶(hù)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(hù)端。高速的數(shù)據(jù)計(jì)算處理,，給出了復(fù)形的指示,，客戶(hù)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(xiàn)4x4三組空間流,，便能在多天線(xiàn)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(lái)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(lèi),。顯性波束成形在A(yíng)P和客戶(hù)端均有設(shè)置,，對(duì)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(hù)端不需要做相應(yīng)的處理,，在設(shè)備實(shí)現(xiàn)上較為簡(jiǎn)單,，對(duì)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)信號(hào)傳輸過(guò)程是這樣開(kāi)始的：
基站與客戶(hù)端之間需要不斷地周期性握手（發(fā)送聲信號(hào),，信道矩陣反饋）
客戶(hù)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(hù)端，加強(qiáng)某客戶(hù)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(xiàn)數(shù)量有關(guān)）
下圖舉例說(shuō)明熱點(diǎn)和客戶(hù)端的工作過(guò)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(xiàn)，延長(zhǎng)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(hù)端方向的增益和信號(hào)覆蓋范圍。值得注意的是,，隨著熱點(diǎn)和客戶(hù)端之間作用距離的增加,，波束成形帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯，其動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)呈非線(xiàn)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(shì)
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(wú)線(xiàn)干擾顯得尤為重要,。
波束成形并不要求采用特殊的天線(xiàn),，也不增加其它無(wú)線(xiàn)子系統(tǒng)，就能在性能上得以提高,，而且比其它數(shù)字信號(hào)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(chǎng)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(duì)于Wi-Fi認(rèn)證來(lái)說(shuō)，它僅是一種供選項(xiàng),，并不是必須的,。將來(lái)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(shì)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(guò),，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(duì)應(yīng)部署時(shí)，它才會(huì)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(huì)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(wèn)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(huì)增加設(shè)備成本和功耗,。在多天線(xiàn)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(hào)增益也可獲提高,，但要求信號(hào)處理能力也要很強(qiáng)。所以,，多天線(xiàn)帶來(lái)的問(wèn)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(xiàn)，也不增加其它無(wú)線(xiàn)子系統(tǒng)，就能在性能上得以提高,，而且比其它數(shù)字信號(hào)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,。